劉鳴，李永誥

(棗莊力源電力設(shè)計(jì)有限公司，山東省 棗莊市，277101)

0 引言

位于煤炭基地采空區(qū)的輸電鐵塔受地表的沉降和變形作用，輸電鐵塔中將產(chǎn)生附加應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)將損壞鐵塔，影響輸電線路安全。因此，研究地表變形對輸電鐵塔內(nèi)力和變形的影響規(guī)律，對輸電鐵塔的建設(shè)和安全性評估具有重要的意義［1-2］。本文以雙回路直線型鋼管角鋼組合型輸電鐵塔為研究對象，采用數(shù)值分析方法，利用通用有限元軟件ANSYS，研究地表變形對鐵塔結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響規(guī)律，獲得塔架的破壞形態(tài)、桿件承載力與位移變化關(guān)系，同時(shí)提出了防控措施。

1 輸電鐵塔有限元模型

本塔型為鋼管、角鋼混合結(jié)構(gòu)，塔身構(gòu)件均為鋼管，橫擔(dān)構(gòu)件均為等邊角鋼，全高50 m。塔體弦桿和橫擔(dān)弦桿均為Q345B鋼，腹桿均采用Q235鋼，導(dǎo)線型號4×JLB20A-500/45，地線型號 LGJ-95/55，設(shè)計(jì)風(fēng)速40 m/s。模型的彈性模量2.06×1011Pa，泊松比為 0.3，鋼材質(zhì)量密度為 7.85 ×103kg/m3［1-4］。

整個(gè)鐵塔采用梁-桿混合單元，梁單元采用Beam189，桿單元采用 Link8。其中，主材(弦桿)和斜材(腹桿)采用梁單元，橫擔(dān)的次生斜腹件采用桿單元Link8［5-7］。鐵塔的有限元模型如圖1所示。

2 塔體地表位移的最不利工況

基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降時(shí)候，可能發(fā)生2種情況:(1)桿塔具有剛體特性，剛體隨基礎(chǔ)發(fā)生整體轉(zhuǎn)動和移動;(2)由于地層移動使得桿塔本身的桿件應(yīng)力增大，這會影響鐵塔的承載力。本文主要針對第2種情況進(jìn)行有限元計(jì)算和分析。設(shè)X向?yàn)檠鼐€路走向方向，Y向?yàn)榇怪庇诰€路方向，支座反力方向的Z向垂直向上為正方向。鐵塔支座節(jié)點(diǎn)如圖2所示，采用非線性方法［5］分析單支座位移的情況。

(1)工況Ⅰ:單支座下沉(節(jié)點(diǎn)2出現(xiàn)下沉)。在進(jìn)行單支座位移加載時(shí)，2號節(jié)點(diǎn)位移引起的塔身反應(yīng)較大，直接影響到塔架的第1個(gè)橫隔。使橫隔在支座下沉50 mm時(shí)達(dá)到屈服，支座反力激增明顯，如圖3所示。下沉支座及其對角支座桿件均受拉力，另一對角支座承受壓力，節(jié)點(diǎn)5、8為沿對角線方向的一對稱支座，故受力圖相同，ANSYS計(jì)算收斂出現(xiàn)困難，加載到150 mm時(shí)，反力值開始下降，說明有部分桿件達(dá)到其結(jié)構(gòu)極限承載力［1］。

(2)工況Ⅱ:單支座沿垂直于輸電線路方向外移。2號支座節(jié)點(diǎn)沿垂直于輸電線路方向外移，當(dāng)2號塔腿向外滑移不到150 mm時(shí)，在塔腿支座邊緣處首先出現(xiàn)第1次屈服，由于塔腿垂直于輸電線路方向外移，因此外移支座承受拉力。另外，另一對角線上的支座承受壓力，在整個(gè)塔體的變坡度橫隔處，桿件發(fā)生屈服現(xiàn)象嚴(yán)重，但在變坡度橫隔處向上，塔體應(yīng)力不再受到塔腿基礎(chǔ)滑移的影響。外移到250 mm時(shí)，支座節(jié)點(diǎn)11反力出現(xiàn)拐點(diǎn)，如圖4所示，說明此時(shí)有較多桿件發(fā)生破壞，結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布［1］。

(3)工況Ⅲ:單支座沿平行于線路方向外移。塔架的2號塔腿平行于線路方向外移，當(dāng)位移加載至150 mm時(shí)，靠近變坡度處的部分桿件開始進(jìn)入塑性流動階段，坡度的第1橫擔(dān)上的桿件也受到了較為明顯的應(yīng)力影響，這與豎向位移加載的響應(yīng)不同。支座反力變化如圖5所示，在Z方向的反力可以看到有一明顯的拐點(diǎn)，變形較大桿件主要集中在與外移支座相連的桿件［1］。

圖3 支座反力曲線(工況Ⅰ)Fig.3 Inverse restriction force of support for scheme I

3 輸電鐵塔地基沉降防控方案

(1)修改線路規(guī)劃。合理選擇輸電線路路徑，認(rèn)真做好調(diào)查研究，設(shè)計(jì)公司積極與地方電力公司及規(guī)劃部門進(jìn)行協(xié)調(diào)，盡力避免線路通過地質(zhì)惡劣區(qū)域及采空區(qū)。對于輸電線路跨越地帶，線路路徑還應(yīng)當(dāng)避開土地容易流失、河岸受沖刷、崩塌滑坡、地震斷裂及其他影響安全運(yùn)行的地帶。

(2)線路設(shè)計(jì)采用單柱式鋼管塔。由于單柱鋼管塔有一個(gè)單獨(dú)基礎(chǔ)，其獨(dú)立基礎(chǔ)就相當(dāng)于鋼筋混凝土筏板基礎(chǔ)的效果。

圖4 支座反力曲線(工況Ⅱ)Fig.4 Inverse restriction force of support for scheme II

(3)鐵塔選型。選用獨(dú)立式的剛性鐵塔，不能采用拉線鐵塔。拉線鐵塔主要靠拉線支撐，一旦鐵塔柱身基礎(chǔ)發(fā)生下沉，拉線隨即退出工作，極易倒塔，所以不能采用對地基下沉非常敏感的拉線鐵塔，而應(yīng)采用抵御下沉能力較強(qiáng)的四腿剛性鐵塔。

(4)直線、耐張及轉(zhuǎn)角塔之間應(yīng)留有1～2 m的裕度，以防地基均勻及不均勻沉降時(shí)，對地距離不夠。

(5)采空區(qū)所使用的直線及直線型耐張塔可抵抗由于地基不均勻下沉對鐵塔產(chǎn)生的次應(yīng)力，以及引發(fā)線路偏移所產(chǎn)生的角度張力，一般可將水平檔距減小10%。采空區(qū)所使用的轉(zhuǎn)角塔，應(yīng)減小5°，以抵抗由于地基不均勻沉降而引發(fā)塔身上的次生應(yīng)力［8］。

圖5 支座反力曲線(工況Ⅲ)Fig.5 Inverse restriction force of support for scheme Ⅲ

(6)帶電扶正塔身。當(dāng)鐵塔基礎(chǔ)沉降不大時(shí)候，采用在基礎(chǔ)上加墊塊的方法，將塔腿部分用鋼板墊起，從而以鋼板厚度彌補(bǔ)基礎(chǔ)沉降的高度。當(dāng)下降較多時(shí)，基礎(chǔ)不宜使用此種方案。采用鋼板墊起的方案應(yīng)注意所有處在采空區(qū)地段的鐵塔基礎(chǔ)主柱上的地腳螺栓的外露絲扣長度，均應(yīng)加長100～200 mm。一旦發(fā)生地基下沉而引起基礎(chǔ)不均勻沉降時(shí)，采取增插鋼板扶正鐵塔的方法。調(diào)整鋼插板尺寸同塔腳板尺寸。鋼插板厚度為 8、10、12、14、16、20 mm，插板多層使用時(shí)可垂直調(diào)向進(jìn)行插墊［8-10］。

(7)地質(zhì)復(fù)雜地區(qū)設(shè)計(jì)選用聯(lián)合筏板基礎(chǔ)。桿塔設(shè)計(jì)應(yīng)用最多的是臺階式獨(dú)立基礎(chǔ)，由于鐵塔4個(gè)塔腿可能沉降不同，會造成鐵塔不同程度的傾斜。采用鋼筋混凝土筏板基礎(chǔ)，可以有效減輕地基的不均勻沉降。

4 結(jié)語

在進(jìn)行單支座位移加載時(shí)，2號支座節(jié)點(diǎn)下沉位移引起的塔身反應(yīng)較大，直接影響到塔架的第1個(gè)橫隔，這是很危險(xiǎn)的工況。為增強(qiáng)鐵塔自身的抗地表變形能力，除需著力加大靠近塔腿處的桿件強(qiáng)度外，變坡度處的橫隔桿件也應(yīng)加強(qiáng)，橫隔在塔架中能起到明顯的抗扭和抗變形作用。

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