田龍龍，張亞華，何大海

（1.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟(jì)南 250013；2.廣東電網(wǎng)高州供電局，廣東 高州 525200）

0 引言

輸電鐵塔基礎(chǔ)是否穩(wěn)固直接關(guān)乎著輸電線路能否安全運(yùn)行。依據(jù)規(guī)范，基礎(chǔ)的荷載隨著設(shè)計(jì)風(fēng)速的提高將大幅提升，而一些重要的輸電線路由于設(shè)計(jì)時間早，其設(shè)計(jì)風(fēng)速取值低于現(xiàn)行規(guī)范的要求，基礎(chǔ)存在抗拔承載力不足的風(fēng)險(xiǎn)。由于在原基礎(chǔ)上加固的辦法具有投資省、不需要停電等優(yōu)點(diǎn)[1]，本文針對原輸電鐵塔基礎(chǔ)的塔腳進(jìn)行有限元驗(yàn)算，得到地腳螺栓、塔腳板的受力特征及破壞形式，并對輸電鐵塔淺基礎(chǔ)的地腳螺栓加固方案進(jìn)行分析，探討增加輔助地腳螺栓后基礎(chǔ)的受力情況，為后續(xù)輸電鐵塔基礎(chǔ)加固工程設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 有限元模型

1.1 地腳螺栓加固方案

地腳螺栓加固方案工程中通常采用新增輔助地腳螺栓來彌補(bǔ)原地腳螺栓錨固強(qiáng)度不足的缺陷。新增設(shè)的地腳螺栓一般設(shè)置在原來基礎(chǔ)主柱外圍，并錨固在增大截面后的新增主柱里面。

在原塔腳板的外側(cè)增設(shè)L型與原底板同厚度的底板。為使新舊地腳螺栓同時受力，設(shè)置Q345?30加勁肋壓住原底板，該加勁肋一端焊接在新底板上，另一端壓住原底板。為保證L型底板與原塔腳板底板能夠順利拼裝且緊密連接，需視間隙大小而在加勁肋下塞入匹配的墊片。原塔腳板、新增L型底板及新增加勁肋如圖1所示。

圖1 原塔腳板、新增L型底板及新增加勁肋

本文設(shè)計(jì)3種地腳螺栓加固方案。方案一設(shè)置兩塊L型底板及4根地腳螺栓，方案二設(shè)置兩塊L型底板及6根地腳螺栓，方案三設(shè)置一塊L型底板及兩根地腳螺栓，不同方案的加固方式如圖2所示。

圖2 地腳螺栓加固方案

1.2 有限元模型

利用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行數(shù)值分析，基礎(chǔ)采用的混凝土和主柱鋼筋設(shè)置為嵌固，形成階梯模型[2?4]。階梯基礎(chǔ)有限元參數(shù)如表1所示。

表1 階梯基礎(chǔ)有限元參數(shù)

地腳螺栓采用四面體單元，基礎(chǔ)與地腳螺栓接觸部分采用四面體單元，其余部分采用六面體單元，塔腳板采用六面體單元，地腳螺栓和基礎(chǔ)采用tie綁定方式，荷載通過耦合點(diǎn)施加到靴板上。

進(jìn)行有限元分析時忽略焊接質(zhì)量及焊接殘余應(yīng)力對加勁肋與新增L型底板連接的影響[5?6]。地腳螺栓加固方案的有限元模型如圖3所示。

圖3 地腳螺栓加固方案的有限元模型

2 地腳螺栓及塔腳板加固有限元分析

原基礎(chǔ)塔腳板承受1200 kN的上拔荷載時未發(fā)生破壞，地腳螺栓發(fā)生頸縮破壞，需要對地腳螺栓進(jìn)行加固，對加固后的有限元模型施加上拔荷載，上拔荷載從1000 kN開始施加，每荷載步增加100 kN，施加到1700 kN結(jié)束。

2.1 地腳螺栓加固方案一

采用方案一加固后，上拔荷載為1600 kN及1700 kN時塔腳板及新增L型底板的受力、位移及塑性變形云圖如圖4所示。

圖4 加固方案一塔腳板的有限元分析云圖

加固后，新增的L型底板與原基礎(chǔ)協(xié)同受力作用良好，原塔腳板受力較大的位置與加固前相同，是靴板的短肢處。加固后塔腳板的豎向位移減小明顯，1700 kN時最大豎向位移為2.1 mm，遠(yuǎn)小于加固前1200 kN時的5.8 mm，位移較大的位置與受力較大的位置一致。荷載從1600 kN增加到1700 kN時靴板短肢處與底板接觸位置的塑性變形區(qū)域明顯擴(kuò)大，短肢處靴板應(yīng)力達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度345 MPa。

上拔荷載為1600 kN及1700 kN時地腳螺栓的受力、位移及塑性變形云圖如圖5所示。

圖5 加固方案一地腳螺栓的有限元分析云圖

加固后，新增的螺栓與原基礎(chǔ)螺栓協(xié)同受力作用良好，原地腳螺栓受力較大的位置與加固前相同，均為板的短肢夾角處的地腳螺栓。加固后地腳螺栓的豎向位移明顯減小，1 700 kN時最大豎向位移為1.7 mm，遠(yuǎn)小于加固前1 200 kN時的5.5 mm，位移較大的地腳螺栓與受力較大的螺栓一致。荷載為1 600 kN時受力最大的原地腳螺栓開始出現(xiàn)頸縮屈服現(xiàn)象，荷載增加到1 700 kN時新增地腳螺栓與另外兩根原地腳螺栓發(fā)生頸縮屈服現(xiàn)象。

2.2 地腳螺栓加固方案二

采用方案二加固后，塔腳板的豎向位移明顯減小，1700 kN時最大豎向位移為1.7 mm，小于方案一的2.1 mm，位移較大的位置與方案一相同。

加固后地腳螺栓的豎向位移明顯減小，1 700 kN時最大豎向位移為1.4 mm，小于方案一的1.7 mm，位移較大的地腳螺栓與方案一的螺栓相同。荷載為1 600 kN時受力最大的原地腳螺栓開始出現(xiàn)頸縮屈服現(xiàn)象，荷載增加到1 700 kN時部分新增地腳螺栓與另外兩根原地腳螺栓發(fā)生頸縮屈服現(xiàn)象。

相比方案一，方案二增加了兩根地腳螺栓，豎向位移進(jìn)一步減小，但是新增的地腳螺栓受力不大，沒有出現(xiàn)頸縮屈服的現(xiàn)象，地腳螺栓的承載力沒有明顯變化。

2.3 地腳螺栓加固方案三

采用方案三加固后，上拔荷載為1 700 kN時模型未有明顯屈服現(xiàn)象，分析上拔荷載為1 500 kN及1 600 kN時塔腳板及新增L型底板的受力、位移及塑性變形云圖，塔腳板的豎向位移明顯減小，1 600 kN時最大豎向位移為1.6 mm，與方案一1 600 kN時的最大豎向位移基本一致，位移較大的位置與方案一相同。荷載從1 500 kN增加到1 600 kN時靴板短肢處與底板接觸位置的塑性變形區(qū)域明顯擴(kuò)大，短肢處靴板應(yīng)力達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度345 MPa。加固后荷載為1 600 kN時地腳螺栓最大豎向位移為1.5 mm，大于方案一1 600 kN時的最大豎向位移1.3 mm，位移較大的地腳螺栓與方案一相同。荷載為1 500 kN時受力最大的原地腳螺栓開始出現(xiàn)頸縮屈服現(xiàn)象，荷載增加到1 600 kN時部分新增地腳螺栓與另外兩根原地腳螺栓發(fā)生頸縮屈服現(xiàn)象。

通過分析，方案三在承載力和豎向位移與前兩種方案相差不大的情況下，只采用了一塊L型底板和兩根地腳螺栓，節(jié)約材料且施工方便。本文所述工程建議采用第三種加固方案。

3 結(jié)語

地腳螺栓加固后上拔承載力有較大提升，加固后的破壞形式表現(xiàn)為靴板屈曲、地腳螺栓頸縮屈服。實(shí)際輸電線路工程中，基礎(chǔ)形式多樣，本文所提出的加固方案及模擬結(jié)果都是針對淺基礎(chǔ)進(jìn)行的。此外，仍要進(jìn)行大量現(xiàn)場試驗(yàn)和實(shí)測數(shù)據(jù)來完善輸電鐵塔基礎(chǔ)加固的相關(guān)技術(shù)。