任吉華, 賈素紅
(1.濰坊五洲鼎益鐵塔有限公司, 山東安丘 262100;2. 四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司, 四川成都 610000)
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插入角鋼錨固件計(jì)算方法的探討
任吉華1, 賈素紅2
(1.濰坊五洲鼎益鐵塔有限公司, 山東安丘 262100;2. 四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司, 四川成都 610000)
文章通過對插入角鋼混凝土基礎(chǔ)抗拔試驗(yàn)結(jié)果的分析研究以及工程實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問題,指出現(xiàn)有DL/T 5154-2012《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》中插入角鋼錨固件的計(jì)算方法存在的問題,進(jìn)而提出一種更合理的錨固計(jì)算方法。
插入角鋼; 錨固件; 計(jì)算方法
插入混凝土的角鋼是送電線路的重要結(jié)構(gòu)構(gòu)件,是鐵塔和基礎(chǔ)連接的重要方式。具有連接可靠、施工方便、耗鋼量少等優(yōu)點(diǎn)。一般由錨固件和插入角鋼兩部分構(gòu)成。角鋼斜插式基礎(chǔ)所受的上拔或下壓荷載,通過角鋼與混凝土間的粘結(jié)強(qiáng)度及錨固件可靠地傳遞到混凝土基礎(chǔ)中,但粘結(jié)強(qiáng)度與錨固件傳遞荷載和承擔(dān)荷載具有不同步性,在設(shè)計(jì)中不能將兩者進(jìn)行簡單疊加。因此其設(shè)計(jì)原則是:錨固件和插入角鋼錨固不同時(shí)起作用。
桿塔上拔或下壓荷載從角鋼傳遞到混凝土基礎(chǔ)中是一個(gè)十分復(fù)雜的過程,影響插入角鋼承載力的因素很多。而我國現(xiàn)行的DL/T 5154-2012《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》[1](以下簡稱《技術(shù)規(guī)定》)插入角鋼錨固計(jì)算方法,是以“美國土木工程師協(xié)會(ASCE)結(jié)構(gòu)分委會”編寫的《輸電鐵塔設(shè)計(jì)導(dǎo)則》作為設(shè)計(jì)依據(jù)。在我們實(shí)際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)基礎(chǔ)作用力比較大時(shí),是由插入角鋼錨固件組數(shù)控制插入角鋼埋深,由錨固件計(jì)算公式得到的錨固件組數(shù)有的達(dá)到了7或8組,插入角鋼埋深達(dá)到了3 m以上,約是插入角鋼最小埋深的2倍多。我們經(jīng)過對文獻(xiàn)[1]插入角鋼錨固件計(jì)算公式及基礎(chǔ)抗拔試驗(yàn)結(jié)果的分析研究,發(fā)現(xiàn)其插入角鋼錨固件的計(jì)算方法有值得商榷的地方。
角鋼錨固件承載力計(jì)算公式(其受力見圖1,即文獻(xiàn)[1]中的圖9.4所示):
圖1 插入角鋼受力
(1)
P=1.19fc·L·(t+r+x/2)
(2)
n=N/P
(3)
式中:x為角鋼錨固件上反力呈三角形分布長度(mm);P為單個(gè)角鋼錨固件允許承受的剪力荷載(N);t為角鋼厚度(mm);r為角鋼內(nèi)圓弧的半徑(mm);fc為混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(N/mm2);L為角鋼錨固件的長度(mm);b為角鋼錨固件的肢寬(mm),t+r+x≤b;n為角鋼錨固件的數(shù)目;N為插入角鋼承受的拉力或壓力(N)。
2.1P計(jì)算公式中1.19fc取值存在問題
由公式(1)(文獻(xiàn)[1]中的7.4.2-2式)看出,x值是以1.19fc為混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,角鋼錨固件不屈服計(jì)算得出的。其是以角鋼錨固件受壓肢弧以外肢寬自由變形為依據(jù)的,但實(shí)際上其上下均有混凝土的約束作用,以此作為計(jì)算依據(jù)是否合適還值得商榷。
由上分析可知文獻(xiàn)[1]中插入角鋼錨固件的計(jì)算公式認(rèn)為角鋼錨固件處混凝土的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為單軸抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的1.19倍。
在雙軸加載下的混凝土強(qiáng)度研究中,Kupfer等所得出的混凝土在雙軸加載時(shí)的強(qiáng)度包絡(luò)線反映了兩向受壓時(shí)混凝土破壞強(qiáng)度的基本特點(diǎn)[2]:當(dāng)雙向受壓時(shí),混凝土一向的抗壓強(qiáng)度隨另一向壓應(yīng)力的增加而有所加大。最大強(qiáng)度約在兩向主應(yīng)力比α=σ1/σ2=0.5處發(fā)生,約為單向抗壓強(qiáng)度的1.22~1.27倍。當(dāng)兩向等壓(α=1)時(shí),強(qiáng)度約是單向抗壓強(qiáng)度的1.16倍。由此可看出公式(2)中的1.19fc是按混凝土雙向受壓來取值的。
但是,實(shí)際上角鋼錨固件上端混凝土基本上處于基礎(chǔ)立柱斷面的中間部位,受力時(shí)其受到了各個(gè)方向上的約束作用,相當(dāng)于三向約束的混凝土。因此,角鋼錨固件處的混凝土抗壓強(qiáng)度為三向受壓時(shí)的抗壓強(qiáng)度,其設(shè)計(jì)值約為5fc,比1.19fc要大的多。
文獻(xiàn)[3]中試驗(yàn)結(jié)果顯示,在試驗(yàn)完成后,將混凝土塊打開,檢查承剪連接件或混凝土塊的損壞或變形時(shí),發(fā)現(xiàn)除剪壞的鉚釘或其它剪力連接件外,在承剪連接件上沒有發(fā)現(xiàn)任何的變形或變位,在承剪連接件所在的位置附近的混凝土也沒有發(fā)現(xiàn)破裂。文獻(xiàn)[4]中也有相似的結(jié)果,把試驗(yàn)后的混凝土柱子砸開,看到錨固角鋼幾乎被擠壓成一個(gè)平面。如果將文獻(xiàn)[4]第Ⅰ組雙層角鋼試驗(yàn)數(shù)據(jù),用文獻(xiàn)[1]的計(jì)算方法來反推混凝土的應(yīng)力峰值,可得到4fc。這均說明了在插入角鋼錨固件計(jì)算中以1.19fc作為混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,來計(jì)算角鋼錨固件的大小及組數(shù)是不合適的。按其設(shè)計(jì)出的插入角鋼錨固件數(shù)目太多,造成混凝土和鋼材的浪費(fèi),同時(shí)也增加了施工的難度。
2.2 錨固連接件的組數(shù)計(jì)算存在問題
文獻(xiàn)[3]試驗(yàn)4帶焊接承剪連接件的試驗(yàn)結(jié)果看到,插入角鋼極小的力明顯地由粘著摩阻傳入基礎(chǔ)。當(dāng)加載到插入角鋼的屈服點(diǎn)時(shí),在上部的一對承剪連接件實(shí)際上承受所有的拉力90 %,同時(shí),位于第一對承剪連接件下0.34 m的另一對承剪連接件只承受所有拉力的10 %。
文獻(xiàn)[4]也有相似的結(jié)論:在雙層錨固件中,前一個(gè)錨固件比后一個(gè)錨固件分擔(dān)的荷載大4倍以上。同時(shí)從其結(jié)論中也看到,加大插入角鋼埋深,可提高基礎(chǔ)的抗拔極限承載力,但達(dá)到一定臨界深度后,埋深對插入角鋼承載力的增加作用不明顯。
因此,如果按文獻(xiàn)[1]中的方法來計(jì)算,錨固件的組數(shù)將偏多,從而造成插入角鋼埋深過大,第一組錨固件規(guī)格偏小不安全,而其下層的錨固件富裕,有的甚至完全不起作用,造成浪費(fèi)。
從以上的分析看出,用混凝土抗壓強(qiáng)度作為衡量錨固件承載力的計(jì)算方法是有問題的。從插入角鋼錨固件被剪壞時(shí)混凝土沒有破壞這一結(jié)果出發(fā),我們可推導(dǎo)出一個(gè)較為合理的錨固計(jì)算方法。
3.1 角鋼錨固件組數(shù)計(jì)算
從文獻(xiàn)[3]中得知,第一組錨固件承受所有拉力的90 %,第二組承受10 %。文獻(xiàn)[4]中,前一個(gè)錨固件比后一個(gè)錨固件分擔(dān)的荷載大4倍以上??梢宰龀鋈绱思俣?,n組錨固件受力按承受基礎(chǔ)豎向力的等比數(shù)列分布。
假定等比系數(shù)為q,第1組承受的荷載為P1,則插入角鋼極限承載力N可用下式表達(dá):
(4)
第i個(gè)錨固件承受的荷載為Pi:
(5)
如果按文獻(xiàn)[3]所承擔(dān)的比值進(jìn)行計(jì)算時(shí),q=0.1,則當(dāng)n=4時(shí),第4組承受的荷載為:
P4=0.001N
(6)
即第4組已幾乎不承受荷載。
如果按文獻(xiàn)[4]所承擔(dān)的比值進(jìn)行計(jì)算時(shí),q=0.2,則當(dāng)n=4時(shí),第4組承受的荷載為:
P4=0.006N
(7)
即第4組也已幾乎不承受荷載。
因此,一般插入角鋼錨固件組數(shù)可取2~4組,且不宜超過4組。
3.2 角鋼錨固件強(qiáng)度計(jì)算
從以上提到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出,第一組錨固件的受力決定了插入角鋼錨固件的大小。由角鋼錨固件受力形式可知,其強(qiáng)度主要由剪力控制。假定第一組錨固件承受基礎(chǔ)立柱豎向力N的0.9倍[3],則角鋼錨固件強(qiáng)度可按以下公式進(jìn)行計(jì)算。
(8)
則:
N=0.64·f·t·m·L
(9)
式中:m為第一組錨固件的個(gè)數(shù);其它參數(shù)意義與上相同。
3.3 螺栓錨固件強(qiáng)度計(jì)算
而螺栓錨固件強(qiáng)度計(jì)算公式也可由相同原理推導(dǎo)如下:
(10)
則:
(11)
第一組錨固件距基礎(chǔ)立柱頂面的距離及錨固件間距可按文獻(xiàn)[3]規(guī)定取值。
3.4 與試驗(yàn)結(jié)果的比較
插入角鋼錨固計(jì)算的原則是錨固件和插入角鋼錨固不同時(shí)起作用。因此我們在比較時(shí)只能考慮錨固件所承受的荷載。
雙層角鋼及雙層螺栓錨固件受力比較列于表1中。
表1 錨固件受力比較
注:表中帶*是按屈服強(qiáng)度計(jì)算得出。
以上比較中,第Ⅰ組計(jì)算參數(shù)如下:
混凝土:C25,400×400
插入角鋼:Q235,∠100×8
角鋼錨固件:Q235,∠100×8
螺栓:6.8級M20
由表1比較可看出,本文推導(dǎo)公式計(jì)算結(jié)果是比較合理的。
(1) 通過分析試驗(yàn)資料可以發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)結(jié)果均是鉚釘或其它剪力連接件發(fā)生屈服,而在承剪連接件所在位置附近的混凝土沒有發(fā)現(xiàn)破裂。說明DL/T 5154-2012《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》中插入角鋼錨固計(jì)算方法以混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為計(jì)算依據(jù),是不合適的。
(2) 根據(jù)以往試驗(yàn)結(jié)果,本文從錨固件的極限承載力出發(fā),推導(dǎo)的插入角鋼錨固件公式所得到的結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較接近且偏于安全,具有一定的合理性。
(3) 由于插入角鋼錨固件試驗(yàn)資料有限,此次推導(dǎo)的插入角鋼錨固件計(jì)算公式的準(zhǔn)確性,需要進(jìn)一步的試驗(yàn)和實(shí)踐驗(yàn)證。
[1] DL/T 5154-2012 架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].
[2] 周氏,康清梁,童保全. 現(xiàn)代鋼筋混凝土基本理論[M]. 上海交通大學(xué)出版社,1989.
[3] E.BRANDT,E.WERSE. 插入角鋼在砼基礎(chǔ)中拉力的傳遞分析[J]. EPC Vol.15 No.1.
[4] 魯先龍,程永鋒. 輸電線路角鋼斜插式基礎(chǔ)抗拔試驗(yàn)研究[J].電力建設(shè),2004, 25(10).
任吉華(1970~),男,本科,高級工程師,從事企業(yè)經(jīng)營管理工作。
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[定稿日期]2017-03-22