一種輸電線路鐵塔基礎原位加固處理方法

李 偉，易黎明，王四秀

(湖北省電力勘測設計院，湖北 武漢 430040)

1 概況

某220kV線路工程，架線完畢后檢測發現T60塔位基礎主柱混凝土實際抗壓強度未達到設計要求值。該線路投產送電在即，業主委托時同時提出幾條處理原則：安全可靠、原位處理、不拆塔，工期盡可能短。

2 事故分析

T60為直線塔，塔呼高36m，全高55.0m，鐵塔根開8.24m。鐵塔基礎采用平腿配置，采用掏挖基礎，基礎最小埋深3.2m，基礎主柱直徑0.8m，主筋為HRB335級鋼。每塔腿設置4根M30地腳螺栓，材質35#鋼，地螺間距240mm。該塔位典型基礎型式見圖1。

圖1 基礎施工圖

經使用回彈儀和鉆芯取樣綜合評定，該基礎立方體抗壓強度標準值fcu,k=12.5MPa，不滿足設計要求C20強度要求。結合《規范》中置換公式，該基礎砼設計參數見表1。

表1 基礎砼設計參數(單位：N/mm2)

為進一步深入的評估該塔的情況，對該塔的按照實際檔距、風速和實際使用條件進行了分析，塔腿作用力見表2。

表2 實際作用力設計值(單位：kN)

2.1 基礎承載力驗算

掏挖基礎主柱設計主要考慮上拔穩定、下壓穩定、強度計算三個方面。前兩項主要由基礎外形尺寸確定，僅強度計算與基礎砼強度相關。根據現場實測的砼強度等級，對基礎進行強度驗算如下：

2.1.1 劃分樁類

可塑粘性土反力系數m=2×104kN.m，對鋼筋混凝土樁的抗彎剛度EI=0.8EcI，樁的變形系數故l=2.4m<2.5/α=2.5×1.172=2.93m，按剛性樁考慮。

2.1.2 基樁配筋

將《規范》附錄G中ω計算公式和xA計算公式代入Mx公式中進行推導，原狀土基礎剛性基柱考慮土抗力時任一截面彎矩Mx可按下式計算。

取柱底x=2.4，計算可得，柱底彎矩為89.8kN.m。

按照《規范》9.1.3條，考慮鋼筋應力塑性分布(9.1.3-5)，對基礎主柱進行配筋計算：

原基礎主柱配筋A=3053mm2>As，滿足設計要求。

2.1.3 底板強度

(1)x-x截面(柱底0.1m截面，d = 966mm)

取x = 2.5，計算可得，柱底0.1m處截面彎矩為90.6kN.m。

σct< 0.59ft，底板抗拉強度滿足要求。

(2)y-y截面(取基柱邊截面)基礎上、下面的凈土壓力σ0計算：

在該基礎允許的尺寸和混凝土強度等級的條件下，如果底板的凈土壓力能滿足不大于允許底板平均凈反力P0值大小，即可不必驗算。

均不滿足要求，故y-y截面的上拔和下壓的抗剪強度均不滿足設計要求。

2.2 地腳螺栓承載力驗算

原設計按照C20的混凝土強度，采用M30螺栓，錨固長度取為830mm。根據混凝土實際抗壓強度，由《規范》中錨栓的計算公式，得錨栓的最小錨固長度為1126mm，原地腳螺栓錨固長度不足。

地腳螺栓抗力見表3。

表3 T60地腳螺栓內力比較表(單位：kN)

從計算結果來看，原設計地腳螺栓在砼強度等級降低為fcuk=12.5kPa時，地腳螺栓不能滿足抗拔的要求。

經上述分析表明，該基基礎底板Y-Y截面上拔和下壓剪切承載力不滿足設計要求。地腳螺栓的抗拔力也不滿足設計要求，需要進行處理。

3 加固處理方案選擇

3.1 基礎加固方案

前文已論述，基礎混凝土強度降為fcuk=12.5kPa，掏挖基礎底板上拔和下壓剪切強度不滿足要求。但掏挖基礎為原狀土基礎，無法對其自身強度進行加固。因此需要考慮采取其他的方式處理。

考慮到對原掏挖基礎進行開挖，將破壞掏挖基礎的受力形式，因此考慮對掏挖基礎進行淺層處理。一方面利用原掏挖基礎作為下壓支撐，另一方面采用加大基礎主柱截面，并新增底板將掏挖基礎受力體系轉變成大開挖重力式基礎受力體系進行處理。

3.2 地腳螺栓錨固不足加固方案

鐵塔地腳螺栓錨固長度不足的問題，主要有如下三種解決問題的方法。

(1)外包混凝土增加錨栓法

原基礎周圍新澆筑一層大于180mm厚的鋼筋混凝土，并在新澆注的混凝土中埋置錨栓。采用一種裝置使所增設的錨栓與原錨栓共同連接固定鐵塔柱腳。 見圖2。

圖2 外包混凝土增設錨栓法

(2)連接錨筋加強錨固法

將基礎柱角的混凝土鑿除，使錨栓局部裸露，然后再將錨栓和基礎柱的主筋上加焊連接錨筋，形成分肢錨固，最后澆筑混凝土形成整體。

考慮本工程情況，方案一具有對原基礎及塔腳底板無損傷，原基礎可作為加固過程中的下壓支撐，加固過程安全可靠。力學模型清晰，可量化計算，加固工藝可控，加固效果好，在基礎砼強度不滿足要求的條件下，統籌考慮了基礎的加固，一次性解決掉基礎與地腳螺栓錨固不足的問題。方案二因線路鐵塔地腳螺栓集中在基礎中心部位，鑿除基礎混凝土對原基礎損傷太大，施工過程需要另外對原鐵塔增設可靠豎向下壓和上拔支撐，施工安全性難以保證。且加固方案未考慮基礎加固，方案是適應性不強。

綜上所述，方案一為本案例的最優處理方案。

4 實例分析及處理措施

4.1 加固原理及計算分析

4.1.1 基礎加固設計

利用原掏挖 作為下壓支撐，將掏挖基礎主柱半徑增大200mm，外部配置環形箍筋和豎向縱筋，基礎沿主柱外邊緣外擴1600mm，高度1000mm。最終形成重力式臺階基礎。考慮到加固過程中的施工安全性，減少對原掏挖基礎的擾動，該基礎僅保留600mm主柱長度，其他部分按照底板設置，如圖3。

圖3 掏挖基礎加固方案

基礎按重力式臺階基礎，參照《規范》中相應規定驗算，主要計算結果見表4。

表4 重力式臺階基礎主要計算結果

4.1.2 地腳螺栓輔助錨固設計

本方案是將原基礎柱從加固面開始至柱頂部外表面全部鑿毛清洗干凈,然后在柱四周綁扎鋼筋澆注厚度至少為180mm的C20混凝土,并在新澆注的混凝土中埋置錨栓。采用一種裝置將新老地腳螺栓連接起來，以使得兩者能共同受力，使得新增地腳螺栓能彌補原地腳螺栓錨固不足。加固過程中，基礎兼做鐵塔下壓支撐。

該裝置增設新的底腳板、靴板、筋板，通過焊接的方式與原底腳板、靴板焊接，形成新的多地腳螺栓的受力體系。

加固計算參照《手冊》及經驗對該加固裝置受力進行如下假設：

①塔腳底板受壓時，整個塔腳板均勻受壓。②塔腳底板受拉時，每個地腳螺栓所受拉力相同。③每根地腳螺栓拉力平均分配到相鄰的筋板上。

按照上述三條假設，對新增設的錨固裝置進行驗算。各構件驗算根據《手冊》，按下列公式計算：

(1)地腳螺栓驗算

本案例新增12根M20地腳螺栓，與原地腳螺栓組成共同受力體系，構造設置即可。地腳螺栓采用式Af=TE/nfg進行驗算。

(2)塔腳底板驗算

受拉計算按照每個地腳螺栓所承受的拉力平均分配在各靠近加勁肋或靴板上進行假定，彎矩按照式Ms=TS/n計算。

(3)靴板驗算

塔腳板受壓時每塊靴板承受由兩靴板交點作45°壓力分布線范圍內的全部反力，因此靴板承受一個按照三角形規律分布的荷載，最大反力在主材邊。

靴板所受的切力為：

所受彎矩為：

當塔腳底板受拉時，可近似假定每個地腳螺栓所受的拉力平均向各相鄰的靴板和加勁肋分布。靴板所承受的彎矩即為此靴板和加勁肋所分擔的拉力和此力到靴板與主角鋼連接螺栓線之間的距離的乘積。各板抗彎截面高度由抗剪截面高度由式計算。

按上述計算原則，本方案最終驗算結果如表5。

表5 靴板和筋板及焊縫驗算

根據上述計算可知，通過此加固措施，各構件能滿足結構的承載力要求。

4.1.3 基礎主柱作為下壓支撐驗算

施工過程中，由于鐵塔四周均設拉線，基礎主柱可按照軸心受壓構件驗算承載力。

基礎主柱自身的重力

鐵塔傳遞荷載

考慮荷載組合，

由上式可知，基礎主柱可作為鐵塔的下壓支撐。

4.2 處理措施

(1)設計考慮采用增設輔助錨固螺栓，用來彌補原地腳螺栓錨固不足。新增設的輔助錨固螺栓設置在原來基礎主柱外圍，并錨固在增大截面后的新增主柱里。

(2)在原地腳螺栓的外側增設新的與原底腳板同厚的底腳板，將其與原底腳板進行焊接。為增加底腳板的剛度，使得新老地腳螺栓能同時受力，新增靴板和筋板。

考慮到老塔腳底板已經安裝，新塔腳底板需要與老塔腳底板相匹配，因此考慮新塔腳底板在原廠進行加工，以斜對角為中心線分成兩塊板。新塔腳底板的坡口，防銹處理均在工廠制作，制作完成運輸至現場，再進行拼裝。為保證新老塔腳底板順利拼裝，現場先拼裝主要受力構件，不可調節受力構件，再拼裝輔助受力構件，可局部調整受力構件，拼裝順序如下：焊塔腳底板——焊靴板——焊勁板所有坡口均工廠處理，現場僅對焊接位置處鍍鋅層進行處理。

(3)新老塔腳底板為厚板，需要考慮厚板焊接問題。本工程中，對該塔腳底板采取如下措施：根據《規范》和《規程》中的說明，塔腳底板可采用MC-BL-B1的方式焊接，如圖4。靴板厚度一般為12mm～14mm，新老靴板采用MC-BK-2的方式焊接，其焊接型式如圖5。焊接時，原塔腳底板采用火焰初步切割打磨處理，不要有太多的凹槽，每層焊接完使用磨光機打磨焊縫，清理焊渣。

圖4 新老塔腳底板對接焊接措施

圖5 新老靴板焊接措施

(4)本工程共設置12根地腳螺栓，為保證埋設的地腳螺栓能與塔腳底板的螺栓孔保持一致，地腳螺栓的埋設均依靠新焊接好的塔腳底板作為固定支座進行埋設，待地腳螺栓固定，塔腳底板全部焊接完成后，再澆筑混凝土。

(5)由于本加固方案為不拆導線，不拆塔帶荷加固，因此對施工安全要求較高。根據現場實際情況，施工可根據下步驟進行加固。

步驟一：施工前按設計指定位置，在塔身四根主材合適位置(位置設計指定)，采用專用夾具，打好拉線，將拉線固定在鄰近的可靠錨固點，以減少鐵塔根部上拔力。

步驟二：每次開挖一基病害基礎基坑，鑿除基礎保護層，基礎兼做鐵塔豎向作用力支撐。

步驟三：焊接新增塔腳底腳板、靴板、筋板，焊接完成后將增設的地腳螺栓固定。

步驟四：安裝好輔助錨固地腳螺栓后，綁扎基礎鋼筋。

步驟五：澆筑基礎混凝土，振搗密實。

步驟六：澆筑完混凝土，達到70%設計強度時，拆除模板。

步驟七：基槽余土回填夯實，并設置500mm厚的防沉層。采用上述七步措施，能順利完成基礎加固處理。

5 結論與建議

(1)對于掏挖基礎，砼強度不足易導致基礎底板Y-Y截面上拔及下壓抗剪切承載力不足，同時易導致地腳螺栓錨固不足。

(2)本處理方法在基礎砼強度等級不足的輸電線路鐵塔帶電原位加固方面具有功能可靠，施工安全方便，工期短的優勢，新老地腳螺栓輔助錨固連接裝置已申請專利。

(3)基礎下壓裕度大，加固過程中可作為塔腿的下壓支撐。

(4)加固設計時，需重新對整個塔腳底板的靴板、底腳板等進行復核計算，確定適用范圍。

(5)新增塔腳底板建議在原塔廠進行放樣加工，放樣時考慮焊接坡口的處理及預留焊接間隙。

(6)新增地腳螺栓埋設時可利用新增塔腳底板作為定位板，從而保證施工過程中，地腳螺栓與底腳板的匹配。

(7)建議各構件在塔廠進行鍍鋅，現場焊接時進行局部處理，焊接完畢后再噴防銹漆，利用保護帽進行封閉防銹。

(8)本處理方式焊接是關鍵，除焊接方式應以本文提出的流程和方式外，尚應在施工前制定詳細的焊接施工流程和質量控制措施，并加強現場監督。

本加固方案可將每基鐵塔加固周期縮短為15天，每基基礎費用控制在5萬元左右，經濟效益明顯。該基鐵塔經過本方案處理，已經安全運營了兩年，其中經歷了兩次雨季和旱季的交替以及一次地震作用，均完好無損，加固效果顯著。

[1]GB50010-2010，混凝土結構設計規范[S].

[2]DL/T 5219-2005，架空送電線路基礎設計技術規定[S].

[3]歷偉.某通訊鐵塔基礎事故處理[J].電力學報，2000，15(3).

[4]輸電線路設計手冊，(第二版).北京：中國電力出版社.

[5]JGJ81-2002，建筑鋼結構焊接技術規程[S].

[6]JGJ99-98，高層民用建筑鋼結構技術規程[S].