混凝土装配式基础的马蹄梁设计与力学性能分析

云南电网有限责任公司建设分公司 陇源杰 余 斌 吴 楠

随集型、技术密集型转变，装配式基础是实现这一目标的有效途径[1-2]。混凝土装配式基础很早便在输电线路工程中已有成熟的工程应用，但因构件截面尺寸较大、连接复杂、施工困难等原因并没有在工程中广泛应用。传统的混凝土装配式基础通常采用立柱与基础底板通过螺栓连接，或部分工厂预制、部分在现场浇筑的方式。前者将上部荷载传递给基础底板，基础底板再传到地基中，该混凝土装配式基础由于立柱同时传递竖向和水平荷载，导致基础立柱与基础底板连接处弯矩非常大，连接螺栓也必须采用大规格螺栓，同时也需要加大立柱截面；后者现场施工作业工作量较大，不能有效节约工期。

1 设计方案

马蹄梁设计。马蹄梁为钢筋（或局部焊接马蹄形型钢构件）混凝土梁结构，该梁两端设计成相互垂直的平面，在梁端加工成类似马蹄形的结构形式并在梁端预留螺栓孔，螺栓孔可根据荷载大小做成单孔或多孔，当成多孔时应沿梁轴线方向布置以增大力臂（图1）。根据混凝土装配式基础底板、立柱的相对位置以及基础荷载大小，通过承载能力极限状态的结构设计方法，按构件内力最小的原则确定马蹄梁在基础底板和基础立柱上的支撑位置，并计算该位置在基础立柱和基础底板支撑处预留相螺栓孔数量。同时，梁端部做成马蹄形式，可将连接螺栓端头藏于凹槽不露出梁表面，以便用细石混凝土灌注防腐。由于在基础立柱的侧向位置增加了侧向支撑，可有效减小基础立柱的柱身弯矩，进一步减小基础立柱的截面尺寸，达到减小基础立柱混凝土的用量以及构件重量。

图1 马蹄梁构件详图

连接设计。马蹄梁、预制立柱和基础底板的连接主要通过如下方式实现：钢筋混凝土装配式预制立柱和预制底板相互垂直，预制柱通过锚栓与预制底板进行连接；当梁端设计成钢筋笼不满足承载能力极限状态或不满足钢筋构造要求时，可将梁端处更换设计为抗剪、抗弯承载能力更强的焊接型钢结构，焊接型钢结构需为马蹄形；马蹄梁梁端处设计成焊接马蹄形型钢结构，应将马蹄梁梁中的钢筋焊接在马蹄形型钢结构上，钢筋焊接在马蹄形型钢结构上的搭接长度也满足承载能力和构造要求；将马蹄形型钢结构在沿梁方向上的前后端做成敞口形式，并在梁的上下面预留螺栓孔和满足构造要求的灌注孔，以便加工马蹄梁构件时能将混凝土浇灌密实。

图2 马蹄梁及钢筋配置示意图

截面设计。马蹄梁的梁身截面形式一般可采用矩形截面也可采用凹形截面，具体采用哪种形式应在满足承载能力极限状态的前提下，选择混凝土用量最省、经济性最好的截面形式（图2）。上述马蹄梁为便于安装螺栓和螺栓防腐，在梁端位置处根据承载力及构造要求设计成马蹄形。

2 力学性能计算与可靠性分析

2.1 马蹄梁构件夹角及受力性能

计算简图。为进一步提升构件及截面的合理性，通过有限元软件按夹角α 分别为35°、45°、55°进行受力特性分析，构件受力简图如图3所示。对于不同夹角条件下，立柱顶部加载荷载按垂直荷载(kN)、水平荷载(kN)两种工况条件开展构件受力特性计算，其上拔、下压工况下分别为：650、680；80、100，通过两种工况验算进一步对工程实际中的应用提供保证。

图3 计算简图

不同夹角及工况计算。基础立柱截面为600×600mm，梁构件尺寸为300×300mm。基于有限元软件梁单元对35°、45°、55°三个夹角的装配梁和装配柱进行模拟计算，计算流程如下：下压工况等效应力计算结果。通过不同夹角条件下的应力计算，夹角越大马蹄梁与立柱的应力越小，马蹄梁构件承载力越高，其作用有效性也显著提升。其中35°时马蹄梁应力达到最大，最大等效应力达到2.7MPa，立柱最大等效应力达到6.8MPa；上拔工况等效应力计算结果。夹角越大马蹄梁与立柱的应力越小，马蹄梁构件承载力越高，其作用有效性也显著提升。其中35°时马蹄梁应力达到最大，最大等效应力达到2.8MPa，立柱最大等效应力达到5.4MPa。通过上述计算验证，在于工程实践中可适当增大马蹄梁和装配式基础的夹角，提升整体的承载力。

马蹄梁和装配式基础之间采用55°夹角时，结构承载力较高，各构件的受力分配也比较合理。从图4看出4根马蹄梁交叉部位为立柱受力的薄弱部位，应采取必要的加强措施，如加大截面、外包钢板、提升混凝土强度等级等措施。

图4 55°夹角下压与上拔工况应力云图

2.2 马蹄梁开槽截面计算

根据上述计算结果可知，马蹄梁与立柱的设计采用55°夹角能有效提升结构整体的承载力。对于该条件下，构件的截面设计主要通过开槽、不开槽计算结果比较进行确定。根据55°夹角条件结构的支座反力计算结果，通过支座反力比较可知，构件设计选用最大支座反力包络值进行计算，具体数值为：立柱（Fx，Fy，Fz）0，17.4，621.3；马蹄梁（Fx，Fy，Fz）69.4，68，101.2。将马蹄梁构件简化为等效模型，使用有限元软件进行应力计算比较，开槽后马蹄梁构件应力最大值达到20.75MPa，未开槽马蹄梁最大值为13.59MPa，相比而言未开槽的马蹄梁承载力及可靠性均较高，因此马蹄梁设计选用全截面不开槽形式。

2.3节点连接计算

基于不同构件支座反力计算结果，通过包络反力对马蹄梁与基础连接进行核算，核算结果如下：

图5 马蹄梁不同截面形式应力云图

立柱支座节点计算。柱脚混凝土最大压应力σc 为2.13N/mm2，柱脚混凝土轴心抗压强度设计 值fc 为14.30N/mm2，σc=2.13<=fc=14.30，柱 底混凝土承压验算满足。受压工况下锚栓为构造无需计算；受拉工况时最大拉力为445.2kN 锚栓承受拉力，设计选用M36锚栓：单锚栓受拉承载力Nt 为111.30kN，单锚栓抗拉承载力设计值Ntb 为114.34kN，Nt=111.30<=Ntb=114.34，锚栓连接能够达到预期要求。

马蹄梁节点计算。柱脚混凝土最大压应力σc为0.35N/mm2，σc=0.35<=fc=9.60， 柱底混凝土承压验算满足。受压工况下锚栓为构造无需计算；受拉工况时最大拉力为72.1kN 锚栓承受拉力，设计选用M24锚栓：单锚栓受拉承载力Nt为18.03kN，单锚栓抗拉承载力设计值Ntb 为49.35kN，Nt= 18.03<=Ntb=49.35，锚栓连接能够达到预期要求。

3 效果分析及结论

本文研究的马蹄形梁结构可有效降低基础立柱和基础底板的内力，减小基础立柱截面尺寸，使基础底板的地基反力更加均匀，进一步减小基础底板的内力，同时还可提高传统混凝土装配式基础的施工效率。马蹄形梁结构可在混凝土装配式基础结构中推广应用。通过本文对装配式基础与马蹄梁布置、截面设计以及承载力分析，验证了该结构形式的可行性，并通过角度的调整、截面形式的比较等方式，提升了设计的合理性和可靠性。

装配式基础及预制柱作为输电线路中常用的结构形式，在工程实践中得到了广泛应用，但其自身存在的适用高度低、承载性能差、稳定性差、节点连接困难等问题。本文通过新型马蹄梁支撑及连接设计和计算，验证了新型马蹄梁与装配式基础、立柱的组合形式能够有效提高体系的承载力、稳定性和安装便捷性。

本文研究结论如下：装配式马蹄梁构件通过四周均匀布置的形式，能够实现提升立柱承载力的效果。马蹄梁构件与装配式基础组合承载力随着二者夹角的一定幅度的增加而增加，当选用55°夹角时结构的整体性及承载力较高；基于马蹄梁构件和立柱模型的构建和计算发现，结构薄弱部位集中在根部、柱与梁交接部位等处，可以在制作前做特殊的加强处理；基于有限元软件对开槽和不开槽马蹄梁进行计算发现，使用不开槽截面对结构整体承载力提升更有利，工程实践中建议采用不开槽的马蹄梁构件。