斜插式電力鐵塔基礎穩定性的研究及其數值模擬

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定性，并進行數值模擬，對于后續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定性的核心因素，因此單獨進行分析。斜插式電力鐵塔的發源地是德國，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定性的因素

實際工作中，技術人員發現影響斜插式電力鐵塔基礎穩定性的因素較多，但以荷載作為標準，總結發現各類影響可以分為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。水平力與下壓力的組合荷載主要影響地基穩定性，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變化，在壓力作用下出現移位，承載能力下降，導致基礎失穩。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加劇，導致鐵塔失穩。

2 斜插式電力鐵塔基礎穩定性數值模擬

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系，應考慮其相互作用，統一模擬。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達國家，在材料和施工工藝持續進步的情況下，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，而數值分析法是在有限的區域內進行離散化，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域劃分如圖1所示。

圖1 有限元模型下的鐵塔區域劃分

一般情況下，鐵塔基座周圍土地和深度應作為優先考慮的對象，計算范圍應取原始數值的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。混合邊界是指在正常工作條件下鐵塔塔基位置、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的垂直位移問題，并模擬其極限值，作為設計參考。

（3）數值模擬。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，模型狀況穩定。

3 結語

通過分析斜插式電力鐵塔的基礎穩定性及其數值模擬，了解到相關的基本內容。斜插式電力鐵塔的基礎穩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。后續工作中，可以應用上述理論完善斜插式電力鐵塔的設計。

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