適用于采動影響區的新型可調式鋼管桁架設計研究

周建軍,蔣 銳,向 越,車 達,楊昌金

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

0引 言

隨著輸電線路工程的大力建設，線路走廊日益緊張，線路途徑采動影響區的比例日益增高[1]。在地下開采的影響下，采動影響區地表的移動和變形破壞了輸電桿塔與地基之間的初始平衡狀態。伴隨著力系平衡的重新建立，使輸電桿塔中產生附加應力，輕則可造成基礎傾斜、開裂、桿塔變形，重則造成基礎沉陷、桿塔傾倒，嚴重威脅輸電線路的安全運行[2-4]。采動影響區的輸電線路已有多處鐵塔發生基礎沉降、桿塔傾斜[5-9]，如內蒙古烏海伊公線50號鐵塔。

通過研究采動影響區內的不同基礎特性，文獻[10]給出了提高采空區輸電線路穩定性的技術措施。文獻[11]采用概率積分法對采空區段殘余變形進行預測，也提出了相應的工程防治措施及建議。

目前，針對采動影響區內輸電鐵塔面臨的問題，基礎設計時主要采用中空防護大板基礎[12]。該基礎可有效抵抗下部土體的不均勻沉降，鐵塔支座位移和上部結構應力均大幅降低，有效緩解上部鐵塔的桿件變形。但中空防護大板基礎在山區應用時，地形適應能力差，基面開方量巨大，經常形成5 m以上的永久性邊坡，存在一定的安全隱患；若地表變形導致鐵塔變形、傾斜，調節鐵塔十分困難。

結合鋼構架和長短腿的設計經驗，提出將剛性隔面上移，隔面以下設置新型可調式鋼管桁架的連接方式來代替中空防護大板基礎，從而有效提高桿塔抵抗地表變形的能力，同時也增加鐵塔對地形的適應能力。

1 新型可調式鋼架設計

1.1 設計思路

設計思路是將剛性隔面上移，隔面以下設置新型可調式鋼架的連接方式來代替中空防護大板基礎，如圖1所示。該設計方案通過增加剛性橫隔面來緩沖地表變形對上部結構的影響，提高桿塔抵抗地表變形的能力。同時，可調式鋼管桁架為長短腿結構，極大地增加了鐵塔對地形的適應能力。

圖1 中空防護大板基礎和可調式鋼管桁架

可調式鋼管桁架腿部主材的連接節點設計為可調式球鉸，腿部斜材的連接節點設計為單鉸。同時，腿部主材和腿部斜材增加可調節結構。地表變形前后可調式鋼管桁架變化如圖2所示。

圖2 可調鋼管桁架

正常運行時，球鉸為剛性節點。當地表變形后，桿塔根開發生變化，此時桿塔受力平衡發生改變，部分構件承受較大的彎矩，若不進行調節，隨著變形增大，構件將發生變形破壞。調節時，把球鉸設置為桿件可自由轉動的鉸接，通過調節腿部主斜材的長短和角度，使桿恢復平衡，釋放桿塔的附加彎矩，避免桿塔構件發生變形破壞。調節完成后，球鉸恢復為剛性節點。

1.2 設計原理

1.2.1 整體設計

當可調式鋼管桁架調節為鉸接時，需采用臨時拉線等輔助措施，屬于靜力學問題。需計算兩種情況，如圖3所示。

圖3 可調式鋼管桁架受力模型

情況1：可調式鋼管桁架承受塔腿傳遞的基礎作用力，此時可調式鋼管桁架的受力為上部結構計算的基礎作用力。

情況2：可調式鋼管桁架作為桿塔部分，桿塔建模時應加入可調式鋼管桁架。

因桿塔通過可調式鋼管桁架調節后受力再次達到平衡。設計時，除了計算正常情況，還應計算達到最大調節后再次平衡時模型，如圖4所示。

圖4 根開變化后的可調式鋼管桁架模型

腿部橫隔面構件為桿塔變形敏感處，故鋼管桁架結構在此處采用剛性橫隔面，增大該部分剛度，提高抵抗地表變形的能力，如圖5所示。

圖5 剛性橫隔面

1.2.2 局部設計

相較于常規塔腿設計，為滿足鋼管桁架的可調節功能需重點考慮：1)腿部主材可調鉸接節點；2)腿部斜材可調鉸接節點；3)可伸縮結構。

1)腿部主材可調鉸接節點

腿部主材可調鉸接節點采用球鉸。由于球鉸在調節時為可轉動結構，在運行時為剛性結構，并且需承受較大上拔力，在傳統橋梁球鉸的基礎上進行改良設計。

根據文獻[13]對山西省川底鄉段收集的測量資料分析表明，水平變形是導致根開變化的主要原因，其值通常在0～300 mm。球鉸按最小轉角為0.01 rad，以0.01 rad級差遞增，轉角0.02～0.06 rad進行設計，可調節的根開范圍如表1所示。

表1 球鉸各級正側面根開調節范圍

從表1可知，球鉸轉動范圍滿足0.02 rad時可滿足絕大多數塔位的調節要求。根據上述要求，改良后的球鉸設計如圖6所示。

圖6 球鉸支座設計

球鉸可轉動范圍為0.01～0.03 rad?？估O計如同法蘭，通過螺栓傳遞。豎向下壓設計承載力為1000～8000 kN，共分為6級。為保證在運行時不隨意轉動，在上下座板之間添加剛性法蘭板，即可以保證結構的傳遞下壓力穩定，也對球鉸起防塵墊圈的作用，如圖7所示。

圖7 法蘭板結構

當球鉸需要調節時，可用對應坡度的法蘭板替換，標準化的法蘭板坡度為0～0.03 rad，其中0.01 rad為一級。

腿部主材采用可調球鉸與剛性隔面、基礎進行連接，達到靈活轉動與適應變形后地形的能力。球鉸安裝位置如圖8所示，分別為鋼管桁架腿部主材的上部和鋼管桁架與基礎相連接處。

圖8 球鉸安裝位置

2)腿部斜材可調鉸接節點

考慮腿部斜材受力小，鋼管規格小，無需采用球鉸，采用單鉸即可，位置如圖9(a)所示。即應用一顆螺栓連接，便滿足腿部斜材大部分的轉角需要，如圖9(b)所示。當地表變形導致鐵塔根開變化非常大的時候，可在單鉸節點板之間增加墊片或更換新的節點板完成調節。

圖9 腿部斜材可調鉸接節點

3)主斜材可伸縮結構

可調式剛性隔面鐵塔方案通過可伸縮結構調節腿部主材的長短，從而適應因采動活動導致的鐵塔基礎間不均勻沉降。

目前,在多條特高壓線路的采動影響區中實施加長型地腳螺栓，是可行的腿部主材可伸縮結構方案。具體內容包括：桿塔與基礎采用地腳螺栓連接，基礎主柱上的地腳螺栓外露絲扣長度適當加長。加強對塔位進行監測，一旦因地表變形引起基礎不均勻沉降，可以先將地腳螺栓放松，利用千斤頂抬升塔腿，調平后在塔腳板下墊鋼板，實現桿塔調平。鋼墊板厚度可系列化，以適應不同的沉降量，多層使用時可垂直調向進行插墊，如圖10(a)。腿部斜材也存在可伸縮結構，主要通過同管材相連來實現，如圖10(b)所示。

圖10 主斜材可伸縮結構

2 可調式剛性隔面鐵塔設計受力研究

以滇西北工程ZC27102為例，建模分析可調式剛性隔面鐵塔方案的受力。

上部鐵塔為ZC27102，呼高為60 m，平腿，下部采用可調式剛性隔面鋼管桁架結構，如圖11—圖12所示。

圖11 ZC27102-60單線

圖12 剛性隔面鋼管桁架

本章主要研究可調式剛性隔面鋼管桁架結構主要構件：主材Z1—Z3和斜材X1—X2的受力情況。其中：Z1為兩橫隔面之間的主材，設計長度為2 m；Z2為腿部短腿主材，設計長度為5 m；Z3為腿部長腿主材，設計長度為15 m；X1為短腿腿部斜材；X2為長腿腿部斜材。

2.1 雙腿調節

圖13是腿部主材轉角變化示意圖。腿部主材Z1—Z3受力情況如圖14所示。由圖可見θ角在-0.06～0.06 rad變化時Z1—Z3受力的情況。

圖13 轉角θ

圖14 Z1—Z3主材受力情況(雙腿調節)

主材Z1—Z3拉力與壓力之比在0.72～0.73之間。Z2受力最大，Z3最小。Z1—Z3主材各個角度下壓力最大值和最小值之間差異在1.5%以內。θ角每變化0.01 rad，受力變化處于0.3%以內。所以在設計過程中，若θ位于±0.01～±0.06 rad之間，可簡化計算0°角時主材受力，乘以1.5%的內力增大系數進行選材。

腿部斜材X1—X2受力情況如圖15所示。

圖15 X1—X2斜材受力情況(雙腿調節)

腿部斜材X1—X2拉力與壓力之比在的0.94～0.98之間。θ角越小時，腿部斜材X1—X2受力越大，但考慮到θ角越大時，長度增加，因此在計算時，應根據實際情況計算θ角最大和最小時構件的承載能力。

2.2 僅調節短腿

實際操作時，若所需調節根開較小時，可能僅利用球鉸調節短腿。

腿部主材Z1—Z3受力情況如圖16所示。由圖可見θ角在-0.05～0.05 rad變化時Z1—Z3受力的情況。

圖16 Z1—Z3主材受力情況(僅調節短腿)

在這種情況下，腿部主材Z1—Z3拉力與壓力之比在0.72～0.73之間。Z2受力最大，Z3最小。Z1—Z2主材各個角度下壓力最大值和最小值之間差異在2.5%以內，θ角每變化0.01 rad，受力變化處于0.3%以內。θ角越大，腿部主材Z1—Z2受力越大，Z3主材內力基本無變化。

腿部斜材X1—X2受力情況如圖17所示。

圖17 X1—X2斜材受力情況(僅調節短腿)

在這種情況下，腿部斜材X1—X2拉力與壓力之比在0.92～1.06之間。θ角越小時，腿部斜材X1受力越大，X2斜材內力基本無變化。

2.3 僅調節長腿

實際操作時，若所需調節根開較小時，也可能僅利用球鉸調節長腿。

腿部主材Z1—Z3受力情況如圖18所示。由圖可見θ角在-0.05～0.05 rad變化時Z1—Z3受力的情況。

圖18 Z1—Z3主材受力情況(僅調節長腿)

在這種情況下，腿部主材Z1—Z3拉力與壓力之比在0.72～0.73之間。Z2受力最大，Z3最小。θ角每變化0.01 rad，受力變化處于0.3%以內。θ角越小，腿部主材Z1—Z2受力越大，Z3主材內力基本無變化。Z2主材最大受力與雙主材同時調節時基本相當。

腿部斜材X1—X2受力情況如圖19所示。

圖19 X1—X2斜材受力情況(僅調節長腿)

在這種情況下，腿部斜材X1—X2拉力與壓力之比在0.94～1.02之間。θ角越小時，腿部斜材X1—X2受力越大。

2.4 不同極差

對10 m極差和8 m極差下Z1—Z3與X1—X2構件受力進行對比。其中10 m極差中長腿為15 m，短腿為5 m；8 m極差中長腿為12 m，短腿為4 m。Z1—Z3與X1—X2在兩種極差下的受力情況如圖20—圖24所示。Z1—Z3與X1—X2不同極差下受力與調節角度的變化規律相同，極差越大，同調節角度下受力越大。

圖20 Z1不同極差下受力情況

圖21 Z2不同極差下受力情況

圖22 Z3不同極差下受力情況

圖23 X1不同極差下受力情況

圖24 X2不同極差下受力情況

上面對可調式剛性隔面主要構件在各種情況下的受力進行了分析，總結了相應的規律。進行可調式剛性隔面主要構件設計時，計算受力應綜合考慮在球鉸可調角度θ為最大值、最小值和0°時的受力，選取拉力和壓力的最大值。計算長度選取構件在球鉸可調角度θ為最大值、最小值和0°時的最大值。

3 可調式鋼管桁架和中空防護大板基礎對比

以滇西北工程ZC27102為例，對比分析可調式鋼管桁架設計和中空防護大板，如圖25所示?？烧{式鋼管桁架設計采用ZC27102-60 m鐵塔+鋼管桁架。常見地表坡度25°下，若采用傳統施工的中空防護大板基礎，鐵塔需采用ZC27102-74 m，形成高達12 m的永久性邊坡；若采用半填半挖方式，鐵塔僅需采用ZC27102-67 m，護坡高度為6 m，雖然依然形成較高的永久邊坡，但優于傳統施工。本章將比較可調式鋼管桁架設計與半填半挖方式下中空防護大板基礎在經濟和安全等方面的差異。

圖25 坡度25°下3種方式對比

3.1 經濟性對比

半填半挖方式下中空防護大板基礎與可調式鋼管桁架設計綜合造價如表2所示。根據經濟性對比，在山區采用腿長可調式鋼管桁架設計，相較于中空防護大板基礎，可節省投資約33%。隨著地形坡度增加，投資節約比例將持續增加。

表2 中空防護大板基礎與可調式鋼管桁架設計經濟性對比

3.2 安全性對比

根據采動影響區對輸電線路的影響，桿塔主要受地表變形的影響[14]。當采動影響區水平變形參數為α(mm/m)、地表曲率為K(mm/m2)時，桿塔塔位處為Lα和L2K，其中L為鐵塔根開，如表3所示。

表3 中空防護大板基礎與可調式鋼管桁架設計對比

由表3可知，由于可調式鋼管桁架設計鐵塔根開小，故采動影響區對其影響小。同時，相較于可調式鋼管桁架設計，中空防護大板方案還存在高邊坡穩定性問題。高邊坡在開采活動下極易失穩，形成滑坡或崩塌，如表4所示。

表4 ZC27102-67 m中空防護大板基礎永久邊坡的采動影響

若考慮護坡和堡坎的采動影響，可調式鋼管桁架設計水平變形和曲率變形值為中空防護大板基礎的29%和8%。因此，相較于中空防護大板基礎，在山區采用腿長可調式鋼管桁架設計不僅可以減小鐵塔根開，降低采動影響區對鐵塔的影響，而且能有效避免采動影響區高邊坡問題，提高了輸電線路的安全性。

4 結 論

上面提出將剛性隔面上移，隔面以下設置新型環保型可調式鋼管桁架的連接方式來代替中空防護大板基礎，該方式適應地形能力強，同時具有變形后腿長可調節的特性。通過對整體及局部的設計研究，主要得出以下結論：

1)根據鋼構架設計經驗，對可調式鋼管桁架的整體、局部和關鍵節點分別進行設計，研究球鉸、可伸縮結構、剛性隔面等主要部件。

2)進行可調式剛性隔面主要構件設計時，計算受力應綜合考慮在球鉸可調角度θ為最大值、最小值和0°時的受力，選取拉力和壓力的最大值。計算長度選取構件在球鉸可調角度θ為最大值、最小值和0°時的最大值。

3)將中空防護大板基礎和可調式鋼管桁架設計進行對比，結果表明可調式鋼管桁架設計具有更加優越的經濟性和安全性。