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。

1 《技術(shù)規(guī)定》中的錨固件計(jì)算方法

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 《技術(shù)規(guī)定》錨固計(jì)算方法中存在的問題

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)。

3 角鋼錨固件計(jì)算方法探討

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。

4 結(jié)論及建議

(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。

TU312

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[定稿日期]2017-03-22