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        斜插式電力鐵塔基礎穩(wěn)定性的研究及其數(shù)值模擬

        2018-03-02 03:20:11林智偉
        中國設備工程 2018年2期
        關鍵詞:傾斜度基座鐵塔

        林智偉

        (國網莆田供電公司,福建 莆田 351100)

        斜插式電力鐵塔是指電力桿塔采用傾角設計,在主角鋼下端加設定錨固件,順勢插入基礎混凝土中,讓基礎立柱軸線傾斜一定角度,使作用于立柱頂部且垂直立柱斷面的水平力減少。該方式能夠提升鐵塔整體性能,并降低鋼材消耗。分析斜插式電力鐵塔的基礎穩(wěn)定性,并進行數(shù)值模擬,對于后續(xù)工作的開展有一定的積極作用。

        1 斜插式電力鐵塔的基礎穩(wěn)定性研究

        1.1 斜插式電力鐵塔的受力分析

        斜插式電力鐵塔基部的塔腿(一般為4條)主材和混凝土基座通常被澆筑為一個整體,在澆筑的過程中,需要嚴格把控塔腿位置,要求誤差在0.1cm之內,鐵塔整體結構的負載以角鋼為媒介傳遞至塔基部位,由于支撐部分總體是傾斜的,豎直方向上的外力因重心偏移出現(xiàn)變化,豎直彎矩和水平彎矩相互作用、抵消,這使支撐部分受到的來自水平方向和豎直方向的作用力均得到降低,傾覆力因此變小。在具體進行斜插式電力鐵塔建設時,可以減小底板寬度、立柱斷面,從而降低鋼筋和混凝土的使用率,取等截面斜柱式,提高基礎的上拔承載力,減少基礎上拔變形。

        1.2 立柱傾斜度

        立柱的傾斜度是影響斜插式電力鐵塔基礎穩(wěn)定性的核心因素,因此單獨進行分析。斜插式電力鐵塔的發(fā)源地是德國,目前,普遍采用兩種方式確定其立柱傾斜度,一種是參照法,一種是外力計算法。參照法是指參照塔腿主材傾斜度,使立柱傾斜度與塔腿主材傾斜度保持一致,該方法一般適用于大部分平坦地面。外力計算法是根據鐵塔受力情況計算立柱的傾斜度,設鐵塔所受水平力為X,下壓力為Y,若立柱的傾斜度剛好與外力合力方向一致時,基礎受軸心荷載作用,基礎任意截面上的彎矩均為零,但由于塔腿主材的方向固定,該模式下主柱斜度往往無法與塔腿實現(xiàn)平行,需加裝固定設備進行連接,如底腳螺栓等。此外,如果工況存在特殊性,如建設地點風力加大,還應進行配筋計算,保證立柱強度達到使用標準。

        1.3 其他影響斜插式電力鐵塔基礎穩(wěn)定性的因素

        實際工作中,技術人員發(fā)現(xiàn)影響斜插式電力鐵塔基礎穩(wěn)定性的因素較多,但以荷載作為標準,總結發(fā)現(xiàn)各類影響可以分為2種基本類型:一是水平力與下壓力的組合影響,如鐵塔選材類型不同造成的重力差異;二是水平力與上拔荷載的組合影響,如鐵塔設計不同導致的重心偏移,這兩種荷載組合均可能導致鐵塔的基礎失穩(wěn)。水平力與下壓力的組合荷載主要影響地基穩(wěn)定性,其對鐵塔的影響往往是緩慢的,但會產生長期作用,導致地基承載力局部加大。此外,在上拔力與水平力作用下,因為偏心作用較大,立柱前側及基底局部土體也會出現(xiàn)變化,在壓力作用下出現(xiàn)移位,承載能力下降,導致基礎失穩(wěn)。水平力與上拔荷載主要破壞基座周圍的土體,其作用方式為剪切方式,該破壞的速度較快,會導致基座受力不均,且受力不均的情況會在鐵塔的工作中持續(xù)加劇,導致鐵塔失穩(wěn)。

        2 斜插式電力鐵塔基礎穩(wěn)定性數(shù)值模擬

        2.1 模擬方法

        在此前的工作中,設計斜插式電力鐵塔時也要進行模擬,但往往將上部結構、基礎和地基分開計算,分別考量其受力情況,并進行設計,這一方式有助于強化鐵塔的承載能力,但由于上部結構、基礎和地基存在實際工作中的內在聯(lián)系,應考慮其相互作用,統(tǒng)一模擬。我國在斜插式電力鐵塔設計上普遍采用總安全系數(shù)法,其特點是設計方式保守,以安全性為核心原則,但施工費用和設計成本均明顯高于發(fā)達國家,在材料和施工工藝持續(xù)進步的情況下,可以應用更先進的理論和模擬方法,如FLAC_3D模型法。該方法可以根據不同的工況、荷載類型和客觀因素進行全方位模擬,斜插式電力鐵塔基礎在土體中的受力情況、基地壓力、豎直壓力等都可以得到綜合考慮,尤其是周圍土體的塑性區(qū)開展、極限承載力計算,這對于設計特殊地點的斜插式電力鐵塔具有非常重要的價值。

        2.2 數(shù)值計算

        以某地330千伏線路斜插式電力鐵塔設計為例,該鐵塔處于平原地帶,建設地點土質類型良好,不存在特殊困難,只考慮上拔和下壓2種不同的工況組合進行設計和數(shù)值計算。在傾斜角度方面,考慮到較高的線路電壓,鐵塔的總體高度不能太低,因此傾斜的角度不大,為便于分析,默認為垂直立柱。

        (1)計算范圍及模型。巖土工程中的計算往往涉及到無限域或半無限域,而數(shù)值分析法是在有限的區(qū)域內進行離散化,由于斜插式電力鐵塔對力學設計的要求非常高,必須控制其誤差,因此需要擴大考慮的范圍。與此同時,計算范圍過大可能增加計算量,大面積計算也可能帶來誤差,因此可采取有限元模型,將鐵塔分為若干部分,綜合進行分析。有限元模型下的鐵塔區(qū)域劃分如圖1所示。

        圖1 有限元模型下的鐵塔區(qū)域劃分

        一般情況下,鐵塔基座周圍土地和深度應作為優(yōu)先考慮的對象,計算范圍應取原始數(shù)值的2~4倍左右,如果地形條件特殊,還應進一步擴大。本次模擬選取的330kV線路斜插式電力鐵塔基座長為2.7m,土體從基礎底板邊緣起沿向四周延伸,其中X方向(水平力作用方向)計算范圍取11m,Y方向(下壓力作用方向)取7m,深度范圍取8.5m,基座位于該范圍內。自有限元分析法下,模型共分為175個基礎單元、4800個小單元、19200個受力節(jié)點。

        (2)邊界條件。邊界條件方面,本次模擬采用3種方式處理,一是應力邊界處理,二是混合邊界條件,三是位移邊界條件。應力邊界是指斜插式電力鐵塔基座面臨的受力區(qū)域的極限值,即基座能夠影響的土體范圍,在計算過程中,默認該范圍是固定的,不考慮風力條件、雨雪影響、自身老化以及地震、雷擊等極限條件?;旌线吔缡侵冈谡9ぷ鳁l件下鐵塔塔基位置、塔腿底部與基座、土地的接觸部位。實際工作中,這一位置基本固定,但會受到立柱傾斜度等影響,為求獲得可信的理論結果,默認這一條件也是不變的。位移邊界處理是分析的重點,需要考慮前、后、左、右4個反向的水平位移以及可能出現(xiàn)的垂直位移問題,并模擬其極限值,作為設計參考。

        (3)數(shù)值模擬。應用 FLAC_3D 進行分析和模擬,基礎視作彈性材料,并根據材料類型計算出土體屈服條件。選用莫爾_庫侖塑性模型(Mohr_Cloulomb Plastic Model),分別就基礎下立柱的4個面、底板面與土體間設接觸面進行計算,考慮到實際工作中混凝土基座的厚度,接觸面剛度取鋼筋混凝土剛度值的8倍為基準。將材料的彈性模量和泊松比換算成體積模量k和剪切模量G,可得到2個計算式:

        k=E/[3(1-2μ)] G=E/[1(1+μ)]

        進一步換算,可得到計算式:

        k=(10×106)/[3(1-2×0.40)]=1.6667×107Pa

        G=(10×106)/[2(1+0.40)]=3.571×106Pa

        即對混凝土結構的總作用力分別為:

        k=1.32815×1010Pa

        G=10.80508×109Pa

        結果表明,在該荷載水平下,土體、基座等能夠較好的完成支撐,模型狀況穩(wěn)定。

        3 結語

        通過分析斜插式電力鐵塔的基礎穩(wěn)定性及其數(shù)值模擬,了解到相關的基本內容。斜插式電力鐵塔的基礎穩(wěn)定性受到立柱傾斜度、水平力、下壓力、上拔荷載及其綜合影響。進行數(shù)值模擬時,可以應用FLAC_3D法,并綜合考慮計算范圍及模型分析法、邊界條件進行分析,本文構建的模型為有限元分析模型,分析結果良好,具備可信性。后續(xù)工作中,可以應用上述理論完善斜插式電力鐵塔的設計。

        [1]張雪冬.電力線路鐵塔基礎施工技術及質量控制措施探討[J].科技經濟導刊,2016,(34):63.

        [2]任宇杰.輸電鐵塔構件剛接和鉸接兩種不同簡化形式對其內力影響的研究[D].南昌大學,2016.

        [3]張昊.輸電線路鐵塔基礎原位加固處理方法探析[J].中國高新技術企業(yè),2015,(06):143-144.

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