山區輸電線路基礎水平位移對鐵塔和基礎設計的影響

辜良雨，馬海云，蔣 銳，隴源杰，付衛斌，張利如，王伸富

(1.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 610056； 2. 云南電網有限責任公司建設分公司，云南 昆明 65005)

0 引言

山區輸電線路塔位的地形特點是坡度大(局部可達45°以上)、地質條件好(上部覆蓋層較薄，下部一般為強風化、中風化基巖)、環境敏感(施工不當易引發次生地質災害且恢復困難)，綜合考慮安全、經濟和環保、水保等因素，設計主要采用的基礎型式是挖孔樁基礎。目前，大量研究主要集中在基礎變形對鐵塔受力特性的影響[1-4]，以及基礎變形對基礎施工工藝和設計方法的影響[5]等領域，缺乏系統性地研究基礎變形對鐵塔和基礎設計的綜合影響。規范[6-8]對基礎的樁頂和地面處水平位移給出了一般性要求，并提供了地基比例系數m值的推薦取值范圍，但是缺少針對山區輸電線路基礎特點的取值建議和處理措施。

本文結合某特高壓直流線路工程的典型懸垂塔和耐張塔，基于數值分析研究了基礎樁頂水平位移對上部鐵塔結構受力的影響，綜合分析了挖孔樁基礎頂部和地面處水平位移限值對基礎設計的影響，推薦了山區輸電線路挖孔樁基礎頂部和地面處的水平位移限值。

1 樁頂位移對鐵塔受力的影響

JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》[6]第5.7.2條規定，當樁的水平承載力由水平位移控制，且缺少單樁水平承載力試驗資料時，可按下式估算樁的單樁水平承載力特征值：

式中，α為樁的水平變形系數；EI為樁身抗彎剛度；vx為樁頂水平位移系數；χ0a為樁頂允許水平位移，一般建議取6～10 mm。

對于采取了插入角鋼或地腳螺栓連接的基礎—鐵塔體系來說，上述的樁頂水平位移基本等同于塔腿的水平位移。為了研究樁頂水平位移對輸電塔結構受力和基礎設計的影響，選取某特高壓直流線路工程典型懸垂塔和耐張塔為研究對象，采用ANSYS軟件進行有限元計算分析，主材采用beam189梁單元模型，斜材及輔助材采用link8桿單元模型，主材節點為剛接，其余節點為鉸接。計算選取正常運行工況(設計大風無冰工況及設計覆冰10 m/s風工況)，考慮高低腿和幾何非線性的的影響，鋼材材料本構為理想彈塑性本構，數值模型如圖1所示。

圖1 數值模型

計算表明，塔腿及下部塔身主材為大風工況控制，塔腿及下部塔身斜材為覆冰工況控制。由于鐵塔單側兩個塔腿同時同向發生水平位移對鐵塔受力影響較小，位移達到150～200 mm時仍無桿件破壞，因此本次數值分析僅考慮基礎樁頂分別發生單腿水平位移(向外)及對角水平位移(向外)對鐵塔受力的影響。

1.1 樁頂位移對懸垂塔受力影響

鐵塔單腿發生水平位移時，上部鐵塔結構各部位桿件的應力比變化如圖2所示。

圖2 懸垂塔單腿水平位移時鐵塔構件內力對比

圖2表明，隨著單腿樁頂水平位移增大，上部鐵塔結構腿部主材和腿部斜材的內力變化較小，為逐漸減小趨勢，腿部隔面輪廓材內力變化稍大，腿部隔面斜材的內力變化明顯，幾乎呈線性增長關系，即表明單腿水平變形對腿部隔面斜材的影響大。

鐵塔對角的塔腿發生水平位移時(向外)，上部鐵塔結構各部位桿件的應力比變化如圖3所示。

圖3 懸垂塔對角水平位移時鐵塔構件內力對比

圖3表明，鐵塔對角的塔腿發生水平位移與單腿水平位移的影響相似，主要影響了腿部隔面斜材的受力，對鐵塔腿部主材和腿部斜材的影響較小。

綜上，懸垂塔塔腿水平方向的位移主要影響鐵塔腿部隔面的受力，其中腿部隔面斜材的敏感度最高，分析表明，樁頂水平位移不應大于30 mm。在鐵塔設計時，對易產生樁頂位移的塔型，應適當加大鐵塔腿部隔面斜材的規格。

1.2 樁頂位移對耐張塔受力影響

同上，耐張塔塔腿發生單腿和對角的水平位移時，上部鐵塔結構各部位桿件的應力比變化分別如圖4和圖5所示。

圖4 耐張塔單腿水平位移時鐵塔構件內力對比

圖5 耐張塔對角水平位移時鐵塔構件內力對比

與懸垂塔受力規律相似，耐張塔的塔腿發生水平位移時，對鐵塔主斜材的受力影響較小，主斜材內力隨著位移增大逐漸減小，但減小趨勢不明顯。對塔腿隔面斜材及上部塔身隔面斜材的內力影響最大，基本呈線性增大趨勢。

從圖1～圖5分析可知，在相同的樁頂水平位移下，耐張塔的內力變化更大，即耐張塔對基礎樁頂位移更為敏感，參數分析表明，其樁頂水平位移不應大于20 mm。因此在鐵塔設計時，應對鐵塔身部、腿部隔面材、腿部輔助材及連接進行適當的優化設計，適當加大隔面斜材的規格；懸垂塔基礎樁頂位移對鐵塔受力影響相對較小，建議樁頂位移限值可在樁基規范要求基礎上適當提高。同時，建議在挖孔樁基礎計算中，充分考慮鐵塔和基礎的協同受力。

2 地面處水平位移對基礎設計的影響

輸電線路基礎受較大的水平力作用，樁基礎在地面處的水平位移是影響基礎設計的一個非常重要的因素。挖孔樁基礎設計需確定基礎地面處位移限值及對應的比例系數m值，以便在滿足規程規范前提下達到基礎設計的最優化，控制基礎綜合造價。JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》[6]、JTG 3363—2019《公路橋涵地基與基礎設計規范》[7]等現行規范對基礎在地面處的水平位移都有一般性的規定，但是缺乏針對山區基礎設計的推薦取值。

為了分析挖孔樁基礎地面處水平位移對基礎設計的影響，確定適合山區線路的地面水平位移限值及對應的比例系數m值，同樣以某特高壓直流線路工程典型懸垂塔和耐張塔為研究對象，在相同的基礎作用力、地質條件下，以露頭高度、基礎地面處水平位移限值和對應的地基比例系數m值為變量進行參數分析如下。

3.2.3 CD4+細胞計數水平 CD4+細胞計數與體內病毒載量呈現負相關，CD4+細胞計數越低，病毒載量水平就越高，HIV傳播風險也就越高。有研究發現CD4+計數為351～550個/μL者配偶HIV傳播風險是＞550個/μL 組的 5.23倍（HR=5.23，95%CI：1.15～23.72）［25］，而CD4+計數≥350個/mm3相對＜200個/mm3者配偶傳播風險僅為0.46（95%CI：0.27～0.81）［3］。

2.1 懸垂塔挖孔樁基礎參數分析

根據上述規程規范相關要求，不同地質條件下的地基比例系數m取值范圍對應有不同的地面處水平位移限值的取值范圍。在考慮多參數不同的影響后，懸垂塔挖孔樁基礎參數分析結果見表1所列。

表1 懸垂塔基礎參數分析結果對比

由表1可知，對于懸垂塔，按照規范推薦基準的比例系數m值，地面處位移限值取3 mm時，僅露頭高度1 m時挖孔樁基礎地面處變形的理論計算值滿足限值要求；而地面處位移限值取6 mm時，僅露頭高度4m時挖孔樁基礎地面處變形的理論計算值不滿足限值要求。由此可見，隨著比例系數m取值的加大，地面處的水平位移計算值相應減小，其適用的基礎露頭高度也明顯加大。

2.2 耐張塔挖孔樁基礎參數分析

同上，考慮多參數影響后，耐張塔挖孔樁基礎參數分析結果見表2所列。

表2 耐張塔基礎參數分析結果對比

由表2可知，對于耐張塔，按照規范推薦基準的比例系數m值取值范圍，地面處位移限值取3 mm時，所有露頭高度的挖孔樁基礎地面處變形的理論計算值均不滿足限值要求；地面處位移限值取6 mm時，露頭高度1 m以上的挖孔樁基礎地面處變形的理論計算值均不滿足限值要求；地面處位移限值取10 mm時，僅露頭高度4 m的挖孔樁基礎地面處變形的理論計算值不滿足限值要求。由此可見，隨著比例系數m取值的加大，地面處的水平位移計算值同樣相應減小，而基礎露頭高度也明顯 加大。

綜上，根據山區挖孔樁基礎露頭高度大的特點，結合本文前段關于樁頂(塔腿)水平位移對鐵塔影響的計算分析結果，建議山區線路基礎地面處的水平位移限值可以在規范推薦取值范圍內，適當加大取為6 mm～10 mm，同時水平位移對應的地基比例系數m取值也可根據實際地質條件，在規范推薦取值范圍內適當取高值，這樣可以在確保安全性的前提下實現經濟性最優。

3 樁頂及地面處水平位移對基礎設計的綜合影響分析

為了分析挖孔樁基礎水平位移對基礎計算的綜合影響，確定合理的樁頂和地面處水平位移限值及對應的比例系數m值，仍以某特高壓直流線路工程典型懸垂塔和耐張塔為研究對象，在相同的基礎作用力、地質條件下，以基礎露頭高度、樁頂及地面處的水平位移限值和對應的比例系數m值為變量，對比分析DL/T 5219—2014《架空輸電線路基礎設計技術規程》[8](以下簡稱《線路規程》)和JTG 3363—2019《公路橋涵地基與基礎設計規范》[7](以下簡稱《公路規范》)兩種規范的差異，懸垂塔和耐張塔挖孔樁基礎綜合參數分析結果見表3和表4所列。

表3 懸垂塔基礎綜合參數分析結果對比

表4 耐張塔基礎綜合參數分析結果對比

由表3和表4對比分析可得到如下結論：

1)按線路規程計算，地面處水平位移限值取3 mm時，大部分水平位移計算值超限，均需加大樁徑或埋深才能滿足要求，而按公路規范計算，地面處水平位移限值取6 mm時，均無需加大樁徑或埋深。

3)基礎樁頂水平位移在不影響上部鐵塔承載力的前提下按不小于20 mm控制，采用公路規范關于樁基礎位移控制的計算規定選取比例系數m值，樁基礎地面位移滿足規范要求，具有較高的經濟性。

4 結論

本文結合數值分析研究了輸電線路基礎樁頂水平位移對鐵塔結構受力的影響，基于不同設計規范對比分析了基礎樁頂和地面處水平位移限值對基礎設計的綜合影響。主要研究結論如下：

1)數值研究表明，樁頂水平位移對塔腿隔面斜材的受力影響最大，隨著位移的增大，塔腿隔面斜材的內力呈線性增大趨勢；樁頂水平位移對鐵塔主材和斜材受力影響較小，隨著位移的增大，鐵塔主材和斜材的內力有少量減小；

2)鐵塔設計時，應對塔腿隔面的布置進行優化，對塔腿隔面斜材的選材應適當加強，對耐張塔還應加強塔腿上部的塔身隔面斜材，以提高鐵塔對樁頂水平位移的抗變形能力；

3)山區挖孔樁基礎設計時，應考慮鐵塔和基礎的協同受力，對于位移限值建議同時考慮樁頂水平位移和地面處水平位移兩個限值，即為雙控；

4)基礎樁頂水平位移限值應根據規范的公式進行測算并結合鐵塔計算情況進行優化取值，盡量避免樁頂位移限值取值過小導致基礎工程量增加過多；

5)樁基礎地面處的水平位移限值可參照規范范圍并優化取值，結合工程實際地質條件確定合適的比例系數m取值；

6)就一般山區線路工程而言，地面處的水平位移限值推薦采用6～10 mm，樁頂水平位移限值推薦采用20～25 mm，可以達到綜合效益最優的目的。