输电铁塔装配式板索基础的分析研究

钟维军

（宁波市电力设计院有限公司，浙江 宁波 315021）

电力施工

输电铁塔装配式板索基础的分析研究

钟维军

（宁波市电力设计院有限公司，浙江 宁波 315021）

针对山地输电铁塔基础设计施工现状，并结合机械化施工的理念，提出了相应的新型铁塔基础型式——装配式板索基础，并通过有限元分析，对该基础的承载力进行分析研究，得到合理的设计方法。通过对该基础的形状、细部结构的优化，使其更加适合应用于机械化施工，与其他基础型式的技术经济比较表明，装配式板索基础的经济效益显著。

输电铁塔；机械化施工；装配式板索基础

目前输电线路工程施工机械化程度日益提高，而山地线路往往成为机械化施工的短板，且主要问题集中在输电铁塔基础的施工上；另一方面，由于基础工程在整条线路工程本体造价中占的比例相对较大，有的可以超过整个工程的60%的本体造价，在这种情况下，怎样减小基础的工程量，成为亟待解决的课题，在对山地输电铁塔基础进行分析后，提出了一种新的装配式板索基础型式。

1 装配式板索基础及其特点

图1 装配式板索基础效果

装配式板索基础主要是由基础上板、基础下板和锚索组成，如图1所示，基础上板的顶部与上承载钢垫板通过锚栓相连接,基础下板的下部与下承载钢垫板也通过锚栓相连接，上下承载钢垫板上均有销头，上下板与它们之间的土体通过后张法连接在一起。当板索基础受到下压力的作用时，基础上板承受了大部分甚至全部的下压力。当板索基础受到上拔力的作用时，上拔力通过上板及锚索传递到基础下板，上板及锚索主要起到了传递上拔力的作用，而主要承受上拔力的是基础下板。在板索基础受到水平力作用时，由于锚索无法将水平力传递到下板，因此水平力几乎全部由上板承受。

由此可见，上板主要承受下压力和水平力，下板主要承受上拔力，这样的板索基础荷载传递明确、基础受力易于分析，大大降低了装配式板索基础的设计难度。

该基础可以结合机械化施工的要求，采用旋挖钻机成孔，上下板均采用预制式，通过钢索连接，采用装配的方式进行施工，施工效率高，成本低。

2 装配式板索基础的承载力研究

2.1 装配式板索基础的设计计算

由于装配式板索基础的受荷传递路线相对简单，上混凝土板主要承受下压力和水平力，下混凝土板主要承受上拔力，因此计算该基础的承载力时，下压情况可以按基础为上混凝土板的普通板式基础计算。而对于上拔情况，为了保证基础的安全性，也可以简单地采用下混凝土板为锚板的普通锚板基础来计算。

板索基础下板可用剪切法计算土体抗拔，原因有以下2点：

（1）板索基础通过原状抗拔土体来提供上拔力。当原状抗拔土体提供主要的上拔力时，一般选用剪切法进行上拔稳定计算。

（2）板索基础下板不论是施工方法、工作原理、受力分析或破坏形式等都与普通的掏挖基础相似，可以说下板就是一种特殊的掏挖桩。因此，下板的上拔稳定性计算方法也应该按照剪切法进行计算[1-5]。

为了验证装配式板索基础的适用性，采用典型工程地质情况及相应的铁塔荷载，对基础进行分析，具体设计参数见表1—2。

表1 基础作用力 kN

表2 土质参数

由于装配式板索基础充分考虑了铁塔的荷载特性，使对应的基础能够充分发挥其作用，对于直线塔及小转角塔，一般都是既有上拔荷载又有下压荷载，对于这种情况，装配式板索基础就能充分发挥作用。

根据杆塔荷载及相应的地质条件，分别进行装配式板索基础的设计，上下板均采用矩形型式，基础设计结果见表3。

表3 装配式板索基础尺寸参数 m

2.2 装配式板索基础的设计分析

根据板索基础的设计情况，采用有限元的方法来验证板索基础设计的准确性，对1型转角塔相应荷载的基础进行分析计算，得出基础大小及受力情况完全能够满足相应设计的要求，且板索基础在承受荷载时，传力线路清晰，结构强度高，能够满足铁塔基础设计的要求。具体分析结果如下：

（1）通过板索基础设计理论设计的板索基础，结构安全合理，承载能力适合。

（2）在上拔荷载作用下，锚索的轴向拉力较大，传递了铁塔的竖向荷载，但力矩为零，表明了锚索不承受水平荷载，而板索基础主要依靠下混凝土板来承受上拔荷载，且通过锚索来传递竖向荷载，而上混凝土板此时主要用于承受上拔荷载相应的水平荷载。

（3）在下压荷载作用下，由于锚索的有限元分析内力为零，且下板的内力也很小，主要是自重内力，因此，板索基础主要依靠上混凝土来承受下压荷载，锚索可以近似考虑不承受下压荷载，同时下混凝土板也不承受外荷载。

（4）板索基础在承受荷载作用时，基础的竖向位移相对较小，约几毫米，这样能够保证板索基础的整体作用，保证锚索的连接，提高了板索基础的使用效果。

（5）山地铁塔基础一般都由上拔工况控制，而下压工况由于地质条件相对较好，比较容易满足，且基坑开挖不深，施工比较容易，所以在铁塔基础设计中，往往就是由上拔工况控制，且施工难度较大，而板索基础刚好能够满足上拔、下压荷载工况且受力明确。

3 装配式板索基础的细部优化设计[8-11]和施工

3.1 装配式板索基础的形状和防腐设计

根据机械化施工的要求，当旋挖钻机能够到达的塔位，宜采用机械化施工的方案，基础下混凝土板采用圆形，可以更好地结合机械化施工的要求。而上混凝土板，由于就在表层，还是采用方形为主，方便施工。

装配式板索基础上拔荷载主要传力是通过锚索传递，锚索的承载能力及耐久性能直接影响整个基础的使用寿命。为了保证锚索基础的耐久性要求，对板索基础的锚索采用钢绞绳，并采用发泡密封胶进行防腐处理。在钢绞绳外套上玻璃钢管，保护管避免钢绞绳直接与土体接触，防止受到腐蚀（见图2）。

图2 锚索基础锚索防腐示意

3.2 板索基础的锚头设计

板索基础混凝土板的上下连接采用钢绞绳，而钢绞绳与混凝土板连接需要采用上下钢垫板来加大接触面积，防止出现过大的应力集中现象。为了保证板索基础受荷的合理性，钢绞绳与钢板的连接采用施加预应力方式连接，预应力的大小根据铁塔荷载、地质条件、基础大小等相关因素综合确定，保证板索基础锚索始终处于受拉状态，可以减小反复荷载的影响。端头采用预应力夹片锚具固定，通过对钢绞绳施加预应力，使上下混凝土板通过钢绞绳连接在一起，锚头大样见图3。

图3 锚索基础锚头连接示意

3.3 装配式板索基础在机械化施工中的应用

为了更好地结合机械化施工的要求，板索基础采用装配式基础的型式，可加快基础施工进度，节约施工成本，主要采取以下措施：

（1）基础成孔采用旋挖钻机施工，成孔质量好，施工速度快。为配合旋挖钻机的施工要求，控制板索基础的下板直径，使其能够满足旋挖钻机的施工技术要求。

（2）基础下混凝土板采用圆形，在成本相同的情况下，圆形下板的抗拔承载力相对最大，且圆形下板可以更好的吻合旋挖钻机的要求。

（3）锚索基础上下混凝土板均采用预制的方式，不仅可以保证混凝土板的质量也可以加快基础的施工速度。

（4）上下混凝土板之间采用锚索连接，锚索采用锚具与上下钢板锚固，施工时采用后张法工艺对锚索施加预应力，保证钢板与混凝土板接触面的同时，也给上板预先施加了一个压力荷载。由于工程主要位于山地，地质条件较好，一般基础荷载都是由上拔荷载控制，满足了实用要求。

4 装配式板索基础的经济性分析[10]

以常规代表性直线塔、转角塔为例，对分别采用装配式板索基础和普通掏挖式基础的工程量进行了对比分析，如表4所示。

计算结果表明，在地质条件相同的情况下，采用装配式板索基础可减少混凝土方量30%以上，随着荷载的增大，混凝土减小幅度也相应增大，节省钢材用量60%左右，经济效益显著。

5 结论

（1）装配式板索基础上板主要承受下压力和水平力，下板主要承受上拔力，这样的装配式板索基础荷载传递明确、基础受力易于分析，大大降低了板索基础设计难度。该基础的受荷特性刚好符合铁塔基础的荷载特点，物尽其用，是一种值得推广应用的新型基础型式。

表4 单个不同基础型式材料量对比

（2）通过装配式板索基础的理论研究和承载能力的有限元分析结果表明，装配式板索基础的设计理论适用于该基础的设计计算，且能够满足工程设计的要求。

（3）下板在临界埋深比之上时，能够更好地发挥下板的抗拔承载能力。圆形下板既能满足机械化施工的要求，且在相同条件下，基础的上拔承载力相对最高。

（4）锚索采用发泡密封胶外加玻璃钢管保护套管的方式进行防腐，可以满足锚索结构的防腐要求；通过施加后张法预应力的方式，可以保证基础的整体受力，提高基础的实际承载能力。

（5）在覆盖层超过3 m且运输相对方便的塔位，采用装配式板索基础是不错的选择，通过与掏挖基础的经济技术比较，得到在地质条件相同的情况下，采用装配式板索基础可减少混凝土方量30%以上，且随着荷载的增大，混凝土减小幅度也相应增大，节省钢材用量约60%，经济效益显著。因此，具有地形缓、覆盖层较厚的地质条件时，推荐采用装配式板索基础这一新型基础型式。

[1]GB 50007-2011建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011．

[2]DL/T 5219-2014架空送电线路基础设计技术规程[S].北京：中国计划出版社，2014．

[3]JGJ 94-2008建筑桩基技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008．

[4]GB 50010-2010混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010．

[5]GB 50545-2010 110 kV～750 kV架空输电线路设计规范[S].北京：中国计划出版社，2010．

[6]范雪峰，龙哲，言志信.黄土中联合板索基础的抗拔承载力变化规律及其影响因素[J].科技导报，2014（32）:86-92. [7]邓晓.输电塔联合板索基础设计研究[D].甘肃：兰州大学，2014.

[8]何清华.旋挖钻机研究与设计[M].长沙：中南大学出版社，2012.

[9]应甘洲.索结构在桥梁工程中的应用及基本防腐处理措施[J].铁道工程学报，2009（6）:81-85.

[10]钟维军，庞红旗.山地输电铁塔掏挖式、岩石嵌固式与板式基础的比较分析[J].浙江电力，2013（7）:15-17.

[11]冯卫东.滨海公路桥梁防腐设计要点[J].北方交通，2011（4）:61-62.

（本文编辑：杨 勇）

Analysis and Research on Fabricated Cable-slab Foundation of Transmission Tower

ZHONG Weijun
（Ningbo Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Ningbo Zhejiang 315021，China）

According to present design and construction of transmission tower foundation in hill land and the idea of mechanical construction，the paper introduces a new type of tower foundation-fabricated cable-slab foundation.Furthermore，the paper analyzes and investigates bearing force of the foundation through finite element analysis，and concludes a reasonable design method.By optimization of its shape and detail，the foundation becomes more suitable for mechanical construction.Compared with other foundations in terms of technology and economy，the fabricated cable-slab foundation shows higher economic benefit.

transmission tower；mechanical construction；fabricated cable-slab foundation

TM753

B

1007-1881（2016）06-0070-04

2016-03-11

钟维军（1981），男，高级工程师，从事输电线路勘测设计工作。