輸電線路基礎作用力取值探討

徐 彬，馮 衡，曾二賢

(中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071）

0 引言

輸電線路基礎作為上部桿塔結構的支撐物，對于整個輸電線路的安全至關重要。行業內一般將上部桿塔結構傳遞給基礎的荷載區分為“桿塔作用力”和“基礎作用力”。前者指在計算桿塔底部反力時，風荷載調整系數與桿塔結構計算時取值一致；后者則將風荷載調整系數進行折減，所得到的桿塔底部反力即基礎作用力小于桿塔作用力。在工程實踐中，近年來出現了一些爭議，主要集中在基礎以及塔座板、地腳螺栓設計時，取哪種作用力更合適，給工程設計人員帶來了較大的困擾。

針對上述問題，本文首先對歷年來各版本相關標準中基礎作用力的規定進行了梳理，然后通過風洞試驗開展了研究，結合現行行業標準DL/T 5210—2014《架空輸電線路基礎設計技術規程》[1](以下簡稱《14版電力規程》)的修編工作，對基礎作用力的取值進行了探討，有關結論可為標準修編提供參考。

1 基礎作用力歷史沿革及現狀

基礎作用力作為重要的輸入荷載，直接影響著基礎的設計。如前所述，不同的作用力的區別主要體現在桿塔風荷載調整系數(又稱“風振系數”)取值的差異。為便于分析問題的來龍去脈，本文對歷年來各版本相關標準中基礎作用力的規定進行梳理。

1)原行業標準SDJ 3—1979《架空送電線路設計技術規定》[2]第63條規定，60 m 以上的桿塔，應考慮陣風的振動作用，塔(桿)身風荷載應乘以風振系數。鐵塔的風振系數取 1.5，拉線桿塔取 1.25，未對基礎作用力進行規定。

2)原行業標準SDGJ 62—1984《送電線路基礎設計技術規定》[3]第1.7條規定：“基礎的設計荷載取用桿塔傳至基礎的靜態作用力，除高度在50 m以上的桿塔，在基礎作用力中應遵照《SDJ 3—1979》考慮陣風動力影響外，其他情況以及在安裝和斷線情況下的沖擊影響均不必考慮。”，其條文說明中指出：“陣風對基礎和地基土的動力影響，迄今還是一個不太清楚的問題，從1983年水電部組織編寫的《全國倒塔事故調查說明》可以看出，在風災倒塔記錄中，均沒有發現基礎損壞的記錄。因此，在《送電線路基礎設計技術規定》(以下簡稱“《規定》”)中，原則上基礎可不考慮陣風動力的影響。但對于50 m以上桿塔的基礎，在以往工程中已考慮了陣風的動力影響。因此，《規定》對50 m以上桿塔的基礎，按電力規劃設計院(84)水電電規送字第6號文《關于線路基礎設計中陣風動力作用問題的補充規定》執行。”

3)原行業標準SDGJ 94—90《架空送電線路桿塔結構設計技術規定》[4]第2.19條規定，桿塔身風荷載用于計算基礎時，風壓調整系數應按表1取值。SDGJ 94—90條文說明指出，表1摘自電力規劃設計院(84)水電電規送字第6號文《關于線路基礎設計中陣風動力作用問題的補充規定》。

表1 SDGJ 94—90風壓調整系數

4)原行業標準DLT 5092—1999《110～500 kV架空送電線路設計技術規程》[5]第12.1.13條規定：“桿塔風荷載調整系數，對基礎，當桿塔全高超過50 m時，應取1.0；全高超過50 m時，應取1.3”。對基礎的βZ值是參考化工塔架的設計經驗，取對桿塔效應的50%，即βB=(βP-1)/2+1，考慮到使用上方便，取對50 m以下桿塔為1.0；對50 m及以上桿塔為1.3。

5)DL/T 5219—2005原行業標準《架空送電線路基礎設計技術規定》[6]第5.0.13條規定，基礎設計(包括地腳螺栓、插入角鋼設計)時，基礎作用力計算應計入桿塔風荷載調整系數。當桿塔全高不超過50 m時，取風荷載調整系數為1.3；當桿塔全高不大于50 m時，取風荷載調整系數為1.0。

6)《14版電力規程》基本維持DL/T 5219—2005條文，僅將50 m高度修訂為60 m高度。

7)現行國家標準GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范》[7]第10.1.20條及條文說明，參考化工塔架的設計經驗，計算基礎作用力時的風荷載調整系數取對桿塔風荷載調整系數的50%，即β基=(β桿塔-1)/2+1，考慮到使用上方便，取對60 m以下桿塔不小于1.0；對60 m及以上桿塔不小于1.3。

由上述各個版本的相關標準規范來看，其整體思路是對于高塔(50 m以上或60 m以上)適當考慮風荷載調整系數，對于矮塔則不考慮。多本標準提到參考化工塔架的設計經驗，原國家標準《高聳結構設計規范》GBJ 135—90[8]在編制過程中，對于基礎作用力的問題進行了研究，指出石油化工塔基礎的風振系數可乘以折減系數0.9，其理由為：設計基礎可以考慮塔結構風振系數沿高度從上到下的衰減及塔結構和基礎連接的螺栓松弛，墊板受力不均勻而部分消失；又考慮規范修訂的結果不宜大變化，因此提出設計石油化工塔基礎風振系數乘以折減系數0.9。而多本標準中提出的“桿塔效應折減50%”未找到出處。

國外相關標準規范以及國內其他行業標準規范均未見“桿塔作用力”與“基礎作用力”的區別，而均采用“桿塔作用力”。1980年國際大電網會議對鐵塔基礎的動態特性開展了討論，指出波動荷載作用下，地基抗力響應沒那么快，建議動荷載的峰值不要超過靜荷載極限的一定的百分比，且淺基礎要大于樁基礎，地基抗力對于短時的極值作用力來說，可以提高。

2 基礎風洞試驗研究

2.1 基礎風洞試驗模型

為研究輸電線路桿塔風荷載調整系數在基礎設計中的取值，以某典型直線塔和基礎為例，建立了鐵塔-基礎-地基耦合體系的氣彈性試驗模型；根據結構相似準則和流體相似準則確定了鐵塔模型的幾何縮尺比、風速縮尺比，時間、頻率、抗彎剛度、抗壓剛度等一系列試驗重要參數的相似比，并按照縮尺比選定了縮尺模型的截面形式和制作材料；同時，為保證桿件間牢固的連接，又將部分節點板替換成了由 3D打印的節點套筒；采用彈簧片和阻尼器替代真實地基土進行模擬，輸電塔及基礎整體模型如圖1所示。

圖1 輸電塔及基礎整體模型圖

氣彈性模型的試驗在紊流風場中進行，其中單塔氣彈模型紊流試驗分別在0°、45°、60°、90°這4個風向角和理論風速分別為10 m/s、12.5 m/s、13.5 m/s這3個風速下進行。除進行輸電塔-基礎-地基耦合體系氣彈模型風洞試驗外，還設計實施了剛性支座的輸電塔氣彈風洞試驗作為對照試驗。

2.2 基礎風洞試驗結果

通過上述風洞試驗研究，結果表明行業中設計人員習慣描述的“桿塔作用力”與“基礎作用力”兩者并沒有區別，即基礎設計時的風荷載調整系數與上部桿塔風荷載調整系數基本一致。同時對于90度風向角下輸電線路直線塔基礎設計的風荷載調整系數，如果采用現行國家標準GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范》[7]推薦值，其加權平均值較風洞試驗結果大17%，采用隨機振動理論計算值，其加權平均值較風洞試驗結果大5%。對于0度風向角下輸電線路直線塔基礎設計的風荷載調整系數，如果采用GB 50545—2010推薦值，其加權平均值較風洞試驗結果大23%，如果采用隨機振動理論計算值，其加權平均值較風洞試驗結果大9%[9]。

因此，對于采用GB 50545—2010推薦值和隨機振動理論計算的桿塔風荷載調整系數進行基礎設計時，取0.5的折減系數相對于風洞試驗結果來看是安全的，但是如果直接采用風洞試驗的結果來設計，不宜再進行任何形式的折減。

3 基礎作用力取值討論及建議

3.1 基礎作用力取值討論

從國內外相關標準規范的比較和風洞試驗的結果來看，除電力行業標準以外，其他相關標準規范未見“桿塔作用力”與“基礎作用力”的區別，而采用“桿塔作用力”；而多本行業標準中提出的“桿塔效應折減50%”未找到相關出處，也未能通過理論推導得出。雖然風洞試驗結果表明取0.5的折減系數也是安全的，但試驗樣本仍然偏少。

另一方面，在往復周期荷載如風荷載、地震荷載作用下，除軟土和松散沙類土以外，基礎的動強度有所提高，但風荷載作用下的相關研究較少，難以給出定量的提高系數。

綜合來看，上部結構傳遞到基礎頂面的作用力是客觀存在的、唯一的，在計算上部結構與基礎的連接，以及基礎本身時，作用力沒有區別，但是在考慮基礎與地基相互作用時，瞬時或短時的作用引起的地基響應有所不同，表現在地基承載力上就是加載過程中地基的動強度有所提高。由此可見在計算上部結構構件、塔座板、地腳螺栓、插入式角鋼、基礎配筋，都應該采用 “桿塔作用力”，在計算涉及地基的承載力時，作用力也應該是“桿塔作用力”，只不過相應的地基承載力可以提高，可以體現在地基的安全系數上。

考慮輸電線路勘測水平、施工條件、場地差異、野外環境變化等實際情況，基礎設計 “精細化”很難做到，也沒有必要，因此國外線路行業的基礎設計采用“桿塔作用力”，并通過安全系數控制地基基礎的安全水平，是合情合理的。我國輸電線路行業在基礎設計時，長期以來習慣上是將“桿塔作用力”進行折減，變成“基礎作用力”，而地基的承載力的取值方式與建筑地基基礎保持一致，與實際情況不符。

桿塔作用力與基礎作用力測算對比詳見表2所列。

表2 桿塔作用力與基礎作用力比較

3.2 基礎作用力取值建議

根據測算結果，對于直線塔，桿塔作用力/基礎作用力=1.1～1.2；對于轉角塔，桿塔作用力/基礎作用力=1.0～1.05。考慮到對風振系數進行折減的方式概念不清晰，依據文件匱乏，故建議不再提基礎作用力的概念，統一為桿塔作用力。但為保持修改前后安全度水平的一致性，可在安全系數中統一考慮其影響。推薦直線塔在現有規程安全系數的基礎上除以1.1，耐張塔維持不變。

輸電線路一般把基礎設計的安全系數按照桿塔類型來區分，直線塔小，耐張塔大，考慮到基礎作用力的荷載組成，直線塔永久荷載占比小，風荷載占比大，耐張塔尤其是大轉角的耐張塔，作用力張力占比較大。因此從荷載來看，這樣取值對于基礎設計也是比較合理的，活荷載占比大的塔型，安全系數取小值，反之取大值，符合地基承載力動荷載強化提高的特性。

4 結論

國內各個版本的相關標準規范來看，其整體思路是對于高塔(50 m以上或60 m以上)適當考慮風荷載調整系數，對于矮塔則不考慮。國外相關標準規范以及國內其他行業標準規范均未見“桿塔作用力”與“基礎作用力”的區別，而均采用“桿塔作用力”。

風洞試驗結果表明，行業中設計人員習慣描述的“桿塔作用力”與“基礎作用力”兩者并沒有區別，即基礎設計時的風荷載調整系數與上部桿塔風荷載調整系數基本一致。對于采用GB 50545—2010推薦值和隨機振動理論計算的桿塔風荷載調整系數進行基礎設計時，取0.5的折減系數相對于風洞試驗結果來看是安全的，但是如果直接采用風洞試驗的結果來設計，不宜再進行任何形式的折減。

考慮到對風振系數進行折減的方式概念不清晰，依據文件匱乏，故建議不再提基礎作用力的概念，統一為桿塔作用力。但為保持修改前后安全度水平的一致性，可在安全系數中統一考慮其影響。推薦直線塔在現有規程安全系數的基礎上除以1.1，耐張塔維持不變。