插入角鋼式輸電鐵塔基礎承載力試驗研究

張 波,楊利容

(西華大學建筑與土木工程學院,四川 成都 610407)

近年來,我國高壓輸電線路輸電塔很多都采用了插入式角鋼基礎。然而這一基礎形式的外荷載從角鋼傳遞到混凝土基礎卻是一個十分復雜的過程,對于基礎承載力的影響因素也較多。此文主要結合 500 kV輸電線路插入角鋼式基礎承載力試驗的結果,分析這種基礎承載力的影響因素,為今后類似工程建設提供數據參考。

1 室內模型試驗

1.1 模型試件設計

室內模型試驗主要是研究插入角鋼的類型(主材鋼Q420),角鋼埋置深度、剪切件錨固情況對基礎承載力的影響。由于主要研究插入角鋼的作用,因此本試驗不考慮混凝土強度的影響(基礎所采用的混凝土強度為C25)。試驗中主材上附加的剪切件均采用∠80×8Q345角鋼。剪切件通過螺栓錨固在主材上面,方向與主材垂直;將應變片等距布置在主材角鋼上面,應變片數量根據主材長度而定(主材長度由埋置深度確定,隨深度增加而增長)。由于插入角鋼式基礎與混凝土柱坡度一致,為便于操作,將角鋼直接插入混凝土柱中。試件詳細情況見表 1。試驗前,按照文獻[1]～文獻[3]分別對每個構件進行計算。

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1.2 試驗加載模式

本次試驗主材選用兩種規格∠125×8、∠160×14,其抗力標準值分別為 827.4 kN和1818.6 kN,而所選用的柱截面尺寸為 400mm×400mm和 500 mm×500mm,本試驗中能承擔的抗拔力標準值分別為 284.8 kN和 445 kN。因此,如果在試驗中直接將試件底部錨固而在角鋼上施力上拔,在角鋼受力較小時混凝土柱就已經被拉裂,混凝土中的拉力傳至柱中的鋼筋承擔,當柱中鋼筋配置較少時,柱可能被拉斷或底部的錨固位破壞。為了能夠完整地考察角鋼的錨固性能,因此在試驗加載時選擇自平衡模式,即混凝土和角鋼同時受力,大小相等方向相反,混凝土中有個預加壓應力的作用,這樣在試驗中混凝土不致在較小的上拔力下就被拉壞。抗壓試驗則在常規壓力試驗機上完成。

1.3 試驗結果及數據分析

1.3.1 各試件試驗情況匯總

綜合各試件實驗所得到的數據,將各試件的破壞荷載匯總于表 2。

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1.3.2 無錨固件時基礎承載力

由 SJ-1與SJ-3對比看出,角鋼埋置深度對基礎抗拔力的提高作用是很大的。深度從 1.0m到 1.5 m提高了一倍。由于本次試驗主要針對有錨固件的基礎承載力的研究,因此未做多余的無錨固件試件進行對比。文獻[4]中試驗表明針對無錨固件插入角鋼式基礎,角鋼深度達到某一臨界深度后,對基礎的抗拔力增加并不明顯。

1.3.3 有錨固件和無錨固件基礎承載力對比

通過 SJ-1與 SJ-2對比看出,當設置錨固件時,基礎承載力提高了一倍多,對比 SJ-3可以看出,在一定程度上對抗拔承載力的貢獻值大于通過增加埋置深度的貢獻值,說明在同等條件下設置錨固件比增加埋置深度對基礎抗拔承載力的提高更有效。這是由于角鋼錨固件有效增加了主材表面的不平整度和表面積,混凝土與主材的粘接強度較不帶錨固件的試件有明顯的提高。同時從實驗結果可以看出,由于有錨固件的作用,角鋼雖不斷被拉伸,但卻延緩了角鋼被徹底拔出,角鋼被拔出的殘余位移將因為錨固件的作用而加大。實驗結束后,把混凝土鑿開,看到錨固角鋼件已經嚴重擠壓變形,說明錨固件在阻止角鋼被拔出過程中起到了很大的作用。

1.3.4 有錨固件的基礎承載力

1.3.4.1 插入單角鋼基礎承載力

通過 SJ6-2、SJ7、SJ8數據對比可以看出,增加錨固件個數對角鋼承載能力貢獻是巨大的,增加 3個錨固件從 SJ-2到 SJ7試件承載能力將近提高了 30%,SJ7到SJ8也提高了近 10%,但明顯提高幅度降低了,說明在一定范圍內增加錨固件可以顯著提高插入式角鋼基礎極限承載能力,超出某一界限,再增加錨固件對基礎承載能力影響將不明顯。同時從SJ6三組試件結果對比以及SJ4三組試件結果對比可以看出不同受力狀態下基礎承載能力差異較大,特別是雙向受力與單向受力,這在設計時應該引起注意。

1.3.4.2 插入雙角鋼基礎承載力

通過SJ5-1與 SJ5-2兩組試件的試驗結果可知基礎插入雙角鋼后,承載力顯著提高,但提高值卻不是相應單角鋼承載力的兩倍,分析原因可能有以下兩點:(1)試驗加載方式的影響,使雙角鋼受到了偏心荷載的影響,造成材料的提前破壞。(2)雙角鋼依靠綴板將兩個角鋼連接,其協同工作能力有待驗證。

2 基礎真型試驗

2.1 試驗參數設計

根據實際荷載特性、實際工程現場狀況和室內模型試驗成果,設計真型試驗基礎,其具體參數見表 3。

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2.2 試驗方法

為模擬基礎的實際工作情況,采用慢速循環維持荷載的加卸載方案,豎向上拔力/下壓力和模擬縱橫向水平力按比例加載,都由千斤頂直接施加水平和豎向荷載。測試應變片的布置見圖 1。

圖1 應變片布置圖

2.3 試驗結果分析

2.3.1 試驗結果

角鋼在不同荷載工況下的應力見圖 2。

圖2 主材應力

2.3.2 結果分析

真型實驗與模型實驗得到的結果規律基本相同,不同位置處角鋼受力具有不同步性,埋置越深,所分擔的力越小;離加載處越近所受到的力越大;這是由于荷載是沿著角鋼的埋入深度通過插入角鋼逐漸傳遞給混凝土的。同時從上面應力圖可以看出:在受壓模式下,主材角鋼上的應力沿插入角鋼的埋置深度減小幅度很大。可以理解為,在受壓狀態下,壓應力可以在較短的距離內傳遞給混凝土;而抗拉時傳遞相同荷載卻需要較長距離。

3 結束語

(1)插入式角鋼基礎中,角鋼與混凝土組成一個共同受力體,外荷載能夠通過角鋼與混凝土的粘結強度以及錨固件傳遞到混凝土基礎中,然而這一過程是個非常復雜的力學過程。在這一過程中角鋼與混凝土的粘結強度將直接影響基礎承載能力,而通過實驗表明在一定范圍內通過增設錨固件將有效提高基礎承載能力。

(2)插入角鋼式基礎承載能力與基礎埋置深度、角鋼種類、有無錨固件等有很大關系。

(3)荷載沿角鋼傳入混凝土中,受壓時在較短范圍內傳遞,受拉時在較長范圍內傳遞,因此為了提高基礎承載能力,在相同大小的荷載條件下,角鋼錨入深度在受拉時要較受壓時的大。

(4)雙角鋼插入式基礎的承載能力明顯高于相同種類的單角鋼插入式基礎,但提高幅度并非是單角鋼的兩倍。

[1]DL/T 5219-2005架空送電線路基礎設計技術規定[S]

[2]DL/T 5154-2002架空送電線路桿塔結構設計技術規定[S]

[3]GB 50017-2003鋼結構設計規范[S]

[4]魯先龍,程永鋒.750KV輸電線路角鋼插入式基礎承載力試驗[J].中國電力,2006,39(1)