斜插式电力铁塔基础稳定性的研究及其数值模拟

林智伟

（国网莆田供电公司，福建 莆田 351100）

斜插式电力铁塔是指电力杆塔采用倾角设计，在主角钢下端加设定锚固件，顺势插入基础混凝土中，让基础立柱轴线倾斜一定角度，使作用于立柱顶部且垂直立柱断面的水平力减少。该方式能够提升铁塔整体性能，并降低钢材消耗。分析斜插式电力铁塔的基础稳定性，并进行数值模拟，对于后续工作的开展有一定的积极作用。

1 斜插式电力铁塔的基础稳定性研究

1.1 斜插式电力铁塔的受力分析

斜插式电力铁塔基部的塔腿（一般为4条）主材和混凝土基座通常被浇筑为一个整体，在浇筑的过程中，需要严格把控塔腿位置，要求误差在0.1cm之内，铁塔整体结构的负载以角钢为媒介传递至塔基部位，由于支撑部分总体是倾斜的，竖直方向上的外力因重心偏移出现变化，竖直弯矩和水平弯矩相互作用、抵消，这使支撑部分受到的来自水平方向和竖直方向的作用力均得到降低，倾覆力因此变小。在具体进行斜插式电力铁塔建设时，可以减小底板宽度、立柱断面，从而降低钢筋和混凝土的使用率，取等截面斜柱式，提高基础的上拔承载力，减少基础上拔变形。

1.2 立柱倾斜度

立柱的倾斜度是影响斜插式电力铁塔基础稳定性的核心因素，因此单独进行分析。斜插式电力铁塔的发源地是德国，目前，普遍采用两种方式确定其立柱倾斜度，一种是参照法，一种是外力计算法。参照法是指参照塔腿主材倾斜度，使立柱倾斜度与塔腿主材倾斜度保持一致，该方法一般适用于大部分平坦地面。外力计算法是根据铁塔受力情况计算立柱的倾斜度，设铁塔所受水平力为X，下压力为Y，若立柱的倾斜度刚好与外力合力方向一致时，基础受轴心荷载作用，基础任意截面上的弯矩均为零，但由于塔腿主材的方向固定，该模式下主柱斜度往往无法与塔腿实现平行，需加装固定设备进行连接，如底脚螺栓等。此外，如果工况存在特殊性，如建设地点风力加大，还应进行配筋计算，保证立柱强度达到使用标准。

1.3 其他影响斜插式电力铁塔基础稳定性的因素

实际工作中，技术人员发现影响斜插式电力铁塔基础稳定性的因素较多，但以荷载作为标准，总结发现各类影响可以分为2种基本类型：一是水平力与下压力的组合影响，如铁塔选材类型不同造成的重力差异；二是水平力与上拔荷载的组合影响，如铁塔设计不同导致的重心偏移，这两种荷载组合均可能导致铁塔的基础失稳。水平力与下压力的组合荷载主要影响地基稳定性，其对铁塔的影响往往是缓慢的，但会产生长期作用，导致地基承载力局部加大。此外，在上拔力与水平力作用下，因为偏心作用较大，立柱前侧及基底局部土体也会出现变化，在压力作用下出现移位，承载能力下降，导致基础失稳。水平力与上拔荷载主要破坏基座周围的土体，其作用方式为剪切方式，该破坏的速度较快，会导致基座受力不均，且受力不均的情况会在铁塔的工作中持续加剧，导致铁塔失稳。

2 斜插式电力铁塔基础稳定性数值模拟

2.1 模拟方法

在此前的工作中，设计斜插式电力铁塔时也要进行模拟，但往往将上部结构、基础和地基分开计算，分别考量其受力情况，并进行设计，这一方式有助于强化铁塔的承载能力，但由于上部结构、基础和地基存在实际工作中的内在联系，应考虑其相互作用，统一模拟。我国在斜插式电力铁塔设计上普遍采用总安全系数法，其特点是设计方式保守，以安全性为核心原则，但施工费用和设计成本均明显高于发达国家，在材料和施工工艺持续进步的情况下，可以应用更先进的理论和模拟方法，如FLAC_3D模型法。该方法可以根据不同的工况、荷载类型和客观因素进行全方位模拟，斜插式电力铁塔基础在土体中的受力情况、基地压力、竖直压力等都可以得到综合考虑，尤其是周围土体的塑性区开展、极限承载力计算，这对于设计特殊地点的斜插式电力铁塔具有非常重要的价值。

2.2 数值计算

以某地330千伏线路斜插式电力铁塔设计为例，该铁塔处于平原地带，建设地点土质类型良好，不存在特殊困难，只考虑上拔和下压2种不同的工况组合进行设计和数值计算。在倾斜角度方面，考虑到较高的线路电压，铁塔的总体高度不能太低，因此倾斜的角度不大，为便于分析，默认为垂直立柱。

（1）计算范围及模型。岩土工程中的计算往往涉及到无限域或半无限域，而数值分析法是在有限的区域内进行离散化，由于斜插式电力铁塔对力学设计的要求非常高，必须控制其误差，因此需要扩大考虑的范围。与此同时，计算范围过大可能增加计算量，大面积计算也可能带来误差，因此可采取有限元模型，将铁塔分为若干部分，综合进行分析。有限元模型下的铁塔区域划分如图1所示。

图1 有限元模型下的铁塔区域划分

一般情况下，铁塔基座周围土地和深度应作为优先考虑的对象，计算范围应取原始数值的2～4倍左右，如果地形条件特殊，还应进一步扩大。本次模拟选取的330kV线路斜插式电力铁塔基座长为2.7m，土体从基础底板边缘起沿向四周延伸，其中X方向（水平力作用方向）计算范围取11m，Y方向（下压力作用方向）取7m，深度范围取8.5m，基座位于该范围内。自有限元分析法下，模型共分为175个基础单元、4800个小单元、19200个受力节点。

（2）边界条件。边界条件方面，本次模拟采用3种方式处理，一是应力边界处理，二是混合边界条件，三是位移边界条件。应力边界是指斜插式电力铁塔基座面临的受力区域的极限值，即基座能够影响的土体范围，在计算过程中，默认该范围是固定的，不考虑风力条件、雨雪影响、自身老化以及地震、雷击等极限条件。混合边界是指在正常工作条件下铁塔塔基位置、塔腿底部与基座、土地的接触部位。实际工作中，这一位置基本固定，但会受到立柱倾斜度等影响，为求获得可信的理论结果，默认这一条件也是不变的。位移边界处理是分析的重点，需要考虑前、后、左、右4个反向的水平位移以及可能出现的垂直位移问题，并模拟其极限值，作为设计参考。

（3）数值模拟。应用 FLAC_3D 进行分析和模拟，基础视作弹性材料，并根据材料类型计算出土体屈服条件。选用莫尔_库仑塑性模型（Mohr_Cloulomb Plastic Model），分别就基础下立柱的4个面、底板面与土体间设接触面进行计算，考虑到实际工作中混凝土基座的厚度，接触面刚度取钢筋混凝土刚度值的8倍为基准。将材料的弹性模量和泊松比换算成体积模量k和剪切模量G，可得到2个计算式：

k=E/[3(1-2μ)] G=E/[1(1+μ)]

进一步换算，可得到计算式：

k=(10×106)/[3(1-2×0.40)]=1.6667×107Pa

G=(10×106)/[2(1+0.40)]=3.571×106Pa

即对混凝土结构的总作用力分别为：

k=1.32815×1010Pa

G=10.80508×109Pa

结果表明，在该荷载水平下，土体、基座等能够较好的完成支撑，模型状况稳定。

3 结语

通过分析斜插式电力铁塔的基础稳定性及其数值模拟，了解到相关的基本内容。斜插式电力铁塔的基础稳定性受到立柱倾斜度、水平力、下压力、上拔荷载及其综合影响。进行数值模拟时，可以应用FLAC_3D法，并综合考虑计算范围及模型分析法、边界条件进行分析，本文构建的模型为有限元分析模型，分析结果良好，具备可信性。后续工作中，可以应用上述理论完善斜插式电力铁塔的设计。

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