穆昭璽1 張慧明2 賈志義2 李 瀾2 任學(xué)武1 袁廣林3
(1.華大天元(北京)科技股份有限公司， 北京 102206； 2.國網(wǎng)山西省電力公司陽(yáng)泉供電公司， 山西陽(yáng)泉 045000； 3.中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院， 江蘇徐州 221116)
摘 要：研制了一種輸電鐵塔加長(cháng)型可頂升塔腳糾偏結構，制作了平面雙向足尺節點(diǎn)加載試驗裝置。分別考慮靴板厚度、底板厚度和加勁肋類(lèi)型等因素，對可頂升塔腳構件進(jìn)行了頂升模擬加載試驗，得到了這些因素對塔腳頂升承載性能的影響規律。研究結果表明：增加靴板厚度可以有效增加塔腳頂升極限承載力；增加底板厚度雖然可以提高塔腳頂升極限承載能力，但提高幅度并不大；外側加勁肋更利于增強塔腳的頂升承載性能。提出的加長(cháng)型可頂升塔腳糾偏結構體系已經(jīng)在輸電鐵塔設計中得到應用。
關(guān)鍵詞：輸電鐵塔； 加長(cháng)型； 可頂升； 塔腳； 承載性能
由于煤礦采動(dòng)的影響，建設在采動(dòng)區的輸電鐵塔容易發(fā)生不同程度的下沉和傾斜，給輸電線(xiàn)路的安全運行造成嚴重威脅。目前解決該問(wèn)題的方法是當輸電鐵塔傾斜后，采用對鐵塔結構或基礎進(jìn)行改造的方式進(jìn)行糾偏[1-11]。采用這種方法，工(器)具用量大、現場(chǎng)布置較復雜、工作量和勞動(dòng)強度都比較大。因此，迫切需要研究一種操作簡(jiǎn)單、施工方便、工(器)具用量少、可靠性高的傾斜輸電線(xiàn)塔糾偏裝置?；诖?，本文研制了一種加長(cháng)型可頂升基礎及其塔腳板糾偏結構體系，在基礎進(jìn)行施工時(shí)，預留可安放千斤頂的孔洞，在安裝鐵塔時(shí)，將可頂升塔腳板與其同時(shí)施工。當鐵塔發(fā)生傾斜時(shí)，采用千斤頂頂升塔腳板，能安全、準確、可靠地對傾斜輸電鐵塔進(jìn)行糾偏，保證輸電鐵塔的安全。
輸電鐵塔加長(cháng)型可頂升塔腳糾偏結構主要由加長(cháng)型塔腳、基礎主柱組成。本文以典型的110 kV輸電鐵塔的塔腳為基礎，設計了可頂升塔腳結構，研制了平面雙向足尺節點(diǎn)加載試驗裝置。分別考慮靴板厚度、底板厚度和加勁肋類(lèi)型等因素，對加長(cháng)型塔腳構件進(jìn)行了頂升模擬加載試驗，得到了這些因素對塔腳頂升承載性能的影響規律，為采動(dòng)區輸電鐵塔糾偏技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路，對采空區輸電鐵塔的建設具有重要意義和工程實(shí)用價(jià)值。
本文研制的煤礦采動(dòng)區輸電鐵塔加長(cháng)型可頂升塔腳糾偏結構由可頂升塔腳、基礎主柱和地腳螺栓等組成，見(jiàn)圖1?；A主柱在施工時(shí)預留兩個(gè)千斤頂頂升位，以便在進(jìn)行頂升作業(yè)時(shí)放置頂升千斤頂；可頂升塔腳由110 kV輸電鐵塔塔腳設計改造而來(lái)，結合可頂升塔腳構件的受力特點(diǎn)對靴板尺寸、底板尺寸及加勁肋位置等參數進(jìn)行了一定的調整。
a—主視圖；b—俯視圖。1—主材；2—靴板；3—加勁肋；4—地腳螺栓；5—底板；6—千斤頂；7—斜材；8—可頂升塔腳；9—基礎主柱；10—頂升位。
圖1 加長(cháng)型可頂升塔腳糾偏結構
可頂升塔腳主要包括底板、焊接在底板上與鐵塔主材連接的靴板以及焊接在靴板上的加勁肋，底板通過(guò)地腳螺栓與混凝土基礎主柱相連，混凝土基礎主柱上預留有可安放千斤頂的加載位，地腳螺栓外露絲扣長(cháng)度不小于150 mm。輸電鐵塔傾斜后，將地腳螺栓松開(kāi)，把千斤頂放置到預留加載位，用千斤頂對塔腳進(jìn)行頂升加載便可以安全、準確地對發(fā)生傾斜的輸電鐵塔進(jìn)行糾偏。
2.1 試驗構件設計
可頂升塔腳試驗構件由典型110 kV輸電鐵塔塔腳部分設計改造得到。為給原有塔腳增加可頂升功能，在原塔腳設計的基礎上通過(guò)調整塔腳靴板和底板尺寸將原有方形塔腳設計改為矩形塔腳設計。塔腳基本構件G0尺寸見(jiàn)圖2。本試驗共有7個(gè)構件，編號及尺寸見(jiàn)表1，構件尺寸按照工程實(shí)際尺寸足尺設計。
a—塔腳主視圖；b—長(cháng)向靴板尺寸；c—底板尺寸；d—短向靴板尺寸；e—靴板開(kāi)孔尺寸。
圖2 G0構件尺寸
試驗構件共分為3組。A組：由構件G0、GA1和GA2組成，主要研究靴板厚度對可頂升塔腳頂升承載性能的影響；B組：由構件G0、GB1和GB2組成，主要研究底板厚度對可頂升塔腳頂升承載性能的影響；C組：由構件G0、GC1和GC2組成，主要研究加勁肋位置對可頂升塔腳頂升承載性能的影響。鋼材材性試件每組3個(gè)，材性試驗結果見(jiàn)表2。
2.2 測點(diǎn)布置
位移測量：本試驗共布置7個(gè)位移計，以測量加載過(guò)程中構件的位移和變形，見(jiàn)圖3。應變測量：在塔腳靴板和底板上布置應變花，在角鋼上布置應變片。應變花共計布置24片，應變片布置6片，如圖4所示。
表1 構件尺寸及編號
構件編號加勁肋距中點(diǎn)距離s/mm靴板厚度t1/mm底板厚度t2/mmG013056GA113046GA213066GB113054GB213058GC120756GC2130(207)56
表2 材性試驗結果統計值
試件編號取材位置厚度/mm屈服強度f(wàn)y/MPa抗拉強度f(wàn)u/MPaC1斜材5354 0488 9C2主材8311 7443 3C3鋼板4260 3436 2C4鋼板5259 1468 8C5鋼板6252 5464 3C6鋼板8272 3454 8
注：1～7為位移計編號。
圖3 位移計布置
2.3 加載方案
為進(jìn)行本試驗，研制了平面雙向足尺節點(diǎn)加載試驗裝置：使用液壓千斤頂施加荷載，在千斤頂頂端放置荷載傳感器，顯示器與傳感器相連，可讀取加載荷載值。本試驗加載方案選用等值逐級遞增的方式。在構件安裝對中后，主材千斤頂施加10 kN、斜材千斤頂施加5 kN的荷載，使各部分接觸良好，然后開(kāi)始加載。
a—主材、斜材應變片布置；b—靴板應變花布置；c—底板應變花布置；d—底板應變花分組。
圖4 應變片布置
塔腳的荷載包括主材荷載和斜材荷載，主材荷載與斜材荷載按照2∶1比例施加，本試驗以施加的主材荷載為標準，分析塔腳破壞前以及破壞后的承載力發(fā)展規律。
本試驗共7個(gè)構件，加載過(guò)程及試驗現象見(jiàn)表3。限于篇幅，這里僅給出A組試驗照片，見(jiàn)圖5—圖7。
4.1 構件極限荷載值
各構件極限荷載值由主材荷載和斜材荷載通過(guò)計算得出，見(jiàn)表4。
表3 構件加載過(guò)程及試驗現象
構件編號主材荷載/kN主材位移/mm靴板現象底板現象結束G0152．03 95兩側微變形向下輕微彎曲—168 55 39斜材側向下屈曲變形產(chǎn)生較大彎曲—繼續加載—遠離斜材側向下屈曲變形彎曲增大結束GA1110 65 91斜材側向下屈曲變形向下輕微彎曲—繼續加載—遠離斜材側向下屈曲變形彎曲增大結束GA2170．05 41兩側微變形向下輕微彎曲—202 58 40斜材側向下屈曲變形產(chǎn)生較大彎曲—繼續加載—遠離斜材側無(wú)明顯變形彎曲增大結束GB1122．02 69兩側微變形向下輕微彎曲—161．05 10遠離斜材側向上屈曲變形產(chǎn)生較大彎曲—繼續加載—斜材側無(wú)明顯變形彎曲增大結束GB2140．02 76兩側微變形向下輕微彎曲—185．04 75斜材側向上屈曲變形產(chǎn)生較大彎曲—繼續加載—遠離斜材側向上屈曲變形彎曲增大結束GC1189 48 39斜材側向下屈曲變形向下輕微彎曲—繼續加載—遠離斜材側無(wú)明顯變形彎曲增大結束GC2177 37 52斜材側向下屈曲變形較大彎曲—繼續加載—遠離斜材側無(wú)明顯變形彎曲增大結束
a—遠離斜材側變形；b—正面變形；c—斜材側變形。
圖5 G0構件破壞
a—遠離斜材側變形；b—正面變形；c—斜材側變形。
圖6 GA1構件破壞
a—遠離斜材側變形；b—正面變形；c—斜材側變形。
圖7 GA2構件破壞
表4 各構件極限荷載值 kN
構件編號主材荷載斜材荷載極限荷載G0168 584 5228 2GA1110 650 7146 4GA2202 5100 5273 6GB1161．080 5217 9GB2185．092 5250 4GC1189 494 7256 4GC2177 388．0239 5
由表4可知，A組(GA1、G0、GA2靴板厚度遞增1 mm)試件中，G0極限荷載相比GA1提高了56%，GA2相比G0提高了20%，表明增加靴板厚度可以大幅增加塔腳頂升極限承載力，但隨著(zhù)厚度增加，極限承載力的增幅減??； B組(GB1、G0、GB2底板厚度遞增2 mm)試件中，G0極限荷載相比GB1提高了5%，GB2相比G0提高了10%，表明增加底板厚度雖然可以增加塔腳頂升極限承載力，但增加幅度并不大； C組(G0:內側加勁肋，GC1：外側加勁肋，GC2：內外加勁肋)試件中，GC1相比G0提高了12%，GC2相比G0提高了5%，GC1相比GC2提高了7%，表明外側加勁肋更利于增強塔腳的極限承載力，配置內外加勁肋雖然可以增加塔腳的整體剛度，但是卻使得構件剛度分布不均，承載能力反而不如只配置外側加勁肋的構件，故在塔腳設計時(shí)，應合理布置加勁肋。
4.2 A組荷載-位移曲線(xiàn)
圖8為A組G0、GA1和GA2的主材荷載-位移曲線(xiàn)?？芍焊鳂嫾茐闹?，主材位移的增長(cháng)速度基本相同；靴板發(fā)生變形之后，位移增長(cháng)速度變快；靴板發(fā)生屈曲破壞時(shí)，位移迅速增長(cháng)，主材荷載開(kāi)始下降，靴板的極限承載力與靴板厚度正相關(guān)。構件GA2因靴板較厚，使得其極限承載力較高，達到極限承載力且靴板屈曲變形后，仍具備承載能力，主材荷載沒(méi)有明顯下降。
圖8 G0、GA1和GA2主材荷載-位移曲線(xiàn)
4.3 B組荷載-位移曲線(xiàn)
圖9 G0、GB1和GB2主材荷載-位移曲線(xiàn)
圖9為B組G0、GB1和GB2的主材荷載-位移曲線(xiàn)?？芍焊鳂嫾茐闹?，位移的增長(cháng)速度基本相同；靴板發(fā)生變形之后，位移增長(cháng)速度變快；靴板發(fā)生屈曲破壞之時(shí)，位移迅速增長(cháng)，主材荷載開(kāi)始下降。因構件GB2的底板較厚，極限承載力較高，在靴板屈曲變形后，承載能力下降較慢，主材荷載下降平緩。
4.4 C組荷載-位移曲線(xiàn)
圖10為C組G0、GC1和GC2的主材荷載-位移曲線(xiàn)?？芍涸嚰礼C1的極限承載力最大。G0因無(wú)外側加勁肋，隨著(zhù)變形的增加位移增長(cháng)速度開(kāi)始增大；試件GC1在達到極限荷載后承載力迅速降低，GC2在達到極限荷載后承載力下降較慢，原因為GC1只有外側加勁肋，整體剛度較GC2差，但試件GC2的內側加勁肋雖然提高了試件整體的剛度，卻導致整個(gè)試件的剛度分配不均，使得GC2的極限承載力小于GC1的極限承載力。由此說(shuō)明與內側加勁肋相比，外側加勁肋更有助于提高塔腳的極限承載力。
圖10 G0、GC1和GC2主材荷載-位移曲線(xiàn)
1)增加靴板厚度可以有效增加塔腳頂升極限承載力，板厚每增加1 mm其極限承載力增加幅度在20%以上。當靴板厚度達到6 mm以上時(shí)，即使靴板發(fā)生屈曲破壞，主材荷載也不會(huì )明顯下降，塔腳仍具備承載能力。2)增加底板厚度雖然可以提高塔腳頂升極限承載能力，但厚度每增加2 mm其極限承載力增長(cháng)幅度不超過(guò)10%，提高幅度不大。3)外側加勁肋更利于增強塔腳的頂升承載性能，其極限承載力與配置內側加勁肋的塔腳相比提高約10%；外側加勁肋還限制靴板的平面外變形，可以有效避免無(wú)斜材一側靴板發(fā)生屈曲破壞。
本文提出的加長(cháng)型可頂升基礎及其塔腳板糾偏結構體系已經(jīng)在太原110 kV古交火山輸變電工程鐵塔設計中得到應用，為采動(dòng)區輸電鐵塔糾偏技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路。
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EXPERIMENTAL STUDY ON BEARING CAPACITY OF A LENGTHENED FOOTPLATE OF A TRANSMISSION TOWER
MU Zhaoxi1 ZHANG Huiming2 JIA Zhiyi2 LI Lan2 REN Xuewu1 YUAN Guanglin3
(1.Huada Tianyuan(Beijing) Science and Technology Co. Ltd, Beijing 102206, China； 2.State Grid Yangquan Power Supply Company, Yangquan 045000, China; 3.School of Mechanics & Civil Engineering, China University of Mining & Technology, Xuzhou 221116, China)
ABSTRACT：A kind of preset jacking tower foot structure to rectify the slant transmission tower was proposed, and the plane biaxial full-scale node loading test device was introduced. Considering the factors such as the thickness of the boot plate, the thickness of the bottom plate and the type of the stiffening rib, the jacking tests were carried out on the tower foot components.The influence of these factors on the load bearing capacity of the tower foot was discussed. Research results showed that, increasing the thickness of the boot plate could effectively improve the ultimate load of the tower foot, so do the bottom plate, but the influence was not that big. In addition, lateral stiffening rib was more conducive to enhance the ultimate load of the tower foot. This preset jacking tower foot structure had been applied in the design of transmission tower.
KEY WORDS：transmission tower; lengthened type; tower footplate; bearing capacity; experiment
*國家電網(wǎng)公司科技項目(SGSXYQ00XTJS[2015]215)。
第一作者：穆昭璽,男，1987年出生，高級工程師。
Email：zx.mu@hdaty.com
收稿日期：2017-06-08
DOI:10.13206/j.gjg201708004
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