浅析输电线路铁塔基础设计

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 浅析输电线路铁塔基础设计 摘要：输电线路铁塔基础的受力 状况及工作环境不利，存在的安全隐患 和影响耐久性的现象较普遍。有环境条 件、荷载条件等客观原因，也有施工和 设计不到位的人为原因。本文对混凝土 基础裂缝出现及扩展原因进行了分析， 并结合角钢插入式基础拉拔试验的破坏 过程和破坏形态，提出了改进基础设计 的构造措施。 中国论文网 /2/view-12908668.htm 关键词：输电线路；铁塔；基础 设计；基础裂缝 Abstract：Transmission line towers based on force status and work environment is unfavorable to the -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 existence of safety hazards and affect the durability of the more common phenomenon. Environmental conditions, loading conditions and objective reasons, but also man-made causes of construction and design are not in place. The concrete foundation cracks and expansion analysis, combined with angle plug-in basic drawing test failure process and failure modes of structural measures to improve the basic design. Keywords: transmission lines; Tower; the basis of design; the basis of crack 中图分类号：TM621.5 文献标识 码： A 文章编号：2095-2104（2012） 0 引言 输电线路铁塔是重要的工程结构， 其基础多采用主角钢下端加一定锚固件， 直接埋入基础混凝土的做法，称为斜插 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 式基础，其受力性能与经济性都优于传 统的地脚螺栓直柱式基础。输电线路铁 塔要承受风荷载、覆冰及断线事故等危 险工况。输电线路多地处野外，狂风使 主塔及基础受荷反复变化，容易导致混 凝土基础裂缝开展，影响结构的耐久性， 更重要的是反复的拉压会破坏插入角钢 与混凝土基础之间的粘结，严重者会引 起劈裂裂缝，危及结构安全。本文对某 220kV 输电线路铁塔基础混凝土裂缝进 行了检测与加固工作。本次检测段线路 总长 70km，加固了其中的 72 基铁塔基 础，每个铁塔下有 4 个混凝土基础短柱， 尺寸为 800mm800mm，高 1.2m，混凝 土设计强度等级为 C20。加固效果固然 好，也没有影响电网运行，但工作量大， 施工线路长，现场条件艰苦，用于检测 和加固的费用也较多。针对铁塔基础容 易出现的裂缝问题，在设计和施工中采 取措施，保证铁塔基础的耐久性同时降 低加固维修费用是完全可以实现的。 1 混凝土基础裂缝产生及扩展原 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 因 混凝土是由水泥、砂、石材用水 拌和硬化后形成的人工石材。浇注混凝 土时的泌水作用会引起沉缩，硬化过程 中由于水泥浆水化造成的化学收缩和干 缩受到骨料的限制，会在界面引起结合 破坏，形成随机分布的界面裂缝。混凝 土中孔隙和界面初始微裂缝等缺陷是混 凝土受力破坏的起源。这是正常的初始 裂缝。另外，还有人为因素造成的先天 缺陷：施工过程中的配合比不准，搅拌 振捣不充分，养护不良等，会导致混凝 土不匀质，离析，干缩大等原因产生的 原始裂缝；箍筋位置、间距、绑扎等达 不到设计要求，导致承载力低于设计值。 尤其是第一根箍筋距离基础项面达 130450mm，使拔出端混凝土失去任 何约束。还有环境因素的影响：土壤、 地下水中的 SO42+含量高，在混凝土中 与水泥水化产物反应形成钙钒石结晶膨 胀，使已经存在的裂缝进一步扩展。 先天缺陷在恶劣的环境条件下， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 加上突遇强大荷载(主要是风荷载)的反 复作用，由塔腿主角钢通过粘结和锚固 传入混凝土基础的拉压力不定，使基础 混凝土中已经存在的初始裂缝扩展、增 大。产生的裂缝中，轻微裂缝(宽度小 于 0.5mm)不会影响混凝土基础的承载 力，属于非结构性裂缝，但由于环境因 素的影响，可能继续发展成为结构性裂 缝；结构裂缝开展宽度大于 l.0mm，往 往深及埋入的主角钢表面，延续至一定 埋深范围。输电线路工程中基础混凝土 最大裂缝宽度达 5.0mm，开裂主要形式 为基础项面裂缝及侧面纵向裂缝，大部 分基础的破损属于结构性裂缝。裂缝出 现已有相当长的时间，而且还在继续发 展，对线路的安全运行构成严重隐患。 该线路采用地脚螺栓连接塔腿和基础， 在基墩顶面出现环状裂纹并径向延展至 侧面。 2 角钢抗拔试验破坏过程 进行角钢插入式基础的抗拔试验， 试验中观察到角钢拔出破坏过程：(1)混 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 凝土基础的横截面首先出现裂缝，这是 因为混凝土的抗拉强度不高，其轴心抗 拉强度只有其立方体抗压强度的 11718，在设计轴心抗拉结构构 件时，不考虑混凝土的抗力，原因就在 于此。(2)当拉拔力达到一定值时，角钢 外露处混凝土表面开裂。裂缝由角钢肢 尖和肢背处开展并向外延伸，见图 1。 该试验 l9 个试件基本遵循这个规律，说 明在角钢肢尖和肢背处有应力集中的现 象。(3)随着拉拔力的增大，角钢与混凝 土之间的粘结由外端向埋深里端逐渐破 坏，基础顶面的裂缝纵向发展并延伸至 侧表面。最后无附加锚固件的破坏形式 为角钢拔出，附加了可靠锚固件的试件 破坏形式变为角钢拉断。 对于受拉引起的基础横向裂缝， 影响最大裂缝宽度的主要因素有角钢的 应力、有效配筋率、钢筋的直径等，当 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 承载力要求很高时，横向裂缝很难满足 耐久性要求，必要时可以施加预应力。 研究埋入型钢或钢筋在拉拔力作 用下，对周围混凝土的应力和变形状况 的影响也十分必要。荣冠等进行了锚杆 (圆钢和螺纹钢) 埋入混凝土中的拉拔试 验，除了常规的在锚杆上布置应变片测 不同埋置深度的应力外，还在混凝土中 埋设了应变砖，试验采用拉拔一卸载 3 个循环进行。该试验虽然不是角钢的抗 拔试验，但基本原理类似，在拉拔力作 用时由埋入材料通过粘结传至周围混凝 土的状态接近，试验反映不同深度锚杆 周边混凝土应力有如下规律：(1)以锚杆 为中心在水平方向和垂直方向均随距离 增加，混凝土应力值迅速减小；(2)除表 面应力有水平向为受压，垂直向受拉趋 势外，其他位置受拉、受压规律不明显； (3)随着循环荷载次数增加，混凝土应力 减小并趋于稳定，原因为粘结面在多次 荷载作用下破裂使荷载往深部传递，同 时浅部混凝土损伤而造成应力松弛。混 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 凝土的变形及破坏情况为：锚杆与顶部 混凝土表面出现明显滑移并有环状破裂， 随着循环次数增加进一步出现放射状径 向裂纹。锚杆的拉拔破坏过程与角钢抗 拔试验的破坏过程类似，其规律和结论 可以借鉴。 3 构造优化方案 裂缝控制措施中施工质量的因素 比较容易解决，从设计上加强控制是根 本。有人已经提出了原设计中需要改进 的地方，建议将内部开口的复合箍筋改 为十字交叉的封闭箍。但笔者认为这种 改进不能阻止裂缝在基础顶面的开展， 而基础顶面裂缝是导致侧面裂缝的源头， 而且基础顶面裂缝引起的混凝土碳化和 钢材的锈蚀尤其严重。 由以上两个拉拔实验的破坏过程 可以发现，无论是锚杆还是角钢，受拉 时相对于顶部混凝土表面会产生滑移并 有径向裂纹，呈放射状发展。如果在拔 出端的混凝土基础顶面预铺钢筋网，当 拔出端混凝土出现开裂趋势时，钢筋网 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 立即参与受力，钢筋的强度远高于混凝 土。更重要的是所设钢筋网与抗拔试验 中基础顶面的裂缝相交，钢筋网的存在 拉住了基础顶面裂缝的开展，可以大大 延缓纵向劈裂的发生，这一作用可以大 大提高角钢与混凝土的粘结延性。 角钢插入式基础中预埋角钢周围 混凝土厚度远大于地脚螺栓基础中预埋 螺栓周围的混凝土，而且更便于铺设钢 筋网，控制基础裂缝更有优势。 钢筋网片的设置如图 2 所示，施 工时注意控制钢筋网保护层厚度 50mm，不宜太大，否则控裂效果不明 显；也不宜太小，铁塔基础的工作环境 一般较差，而且基础混凝土强度等级不 高。钢筋网最好和基础纵筋连接。 220kV 输电线路工程混凝土基础 的开裂主要形式为侧面纵向裂缝，这些 裂缝是由基础顶部产生向深部及侧面延 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 伸所致，如果在基础顶部预设双向钢筋 网片，及时控制拉拔和受压反复作用产 生的径向放射状裂缝，侧面纵向裂缝是 可以避免或者减轻的。 为了防止裂缝在荷载很大时继续 开展至侧面，第二道防线可以加密基础 的箍筋。研究表明，横向配筋率不能明 显提高钢骨与混凝土滑移前的粘结强度， 但能改善滑移后的粘结性能。基础顶端 的钢筋网和基础周边的箍筋形成一体可 以