输电塔基础连梁对基础水平位移影响分析

刘正伟，底尚尚，田雪凯，刘凯悦

（1.山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013；2.山东大学土建与水利学院，山东 济南 250061）

0 引言

随着我国输电线路电压等级的提升，铁塔的基础作用力及基础水平力越来越大，再加上受走廊、地域等条件的限制，不少地区的一些输电线路不可避免地要经过一些淤泥质土及软土区域，导致铁塔基础水平位移比较严重。输电塔结构的安全和稳定性直接决定了整个输电线路能否正常运行，对于输电线路的安全运行有着重要影响，开展基础水平位移方面的研究十分必要。有关输电塔基础连梁及连梁尺寸方面的研究目前较少，胡超等[1-2]建立了基础—连梁—子基础—土体相互作用模型，对比分析了子母基础与掏挖基础的差异，结果表明设置连梁有利于基础受力；徐彬等[3-5]提出一种新型子母基础，研究了其结构特点和设计方法，结果表明新型子母基础受力良好且经济性优。在现有的研究中，大多只考虑基础部分，仅对基础部分进行分析，未考虑输电塔结构与基础之间的耦合作用。基于目前研究现状，本文选取典型实际工程，考虑基础与结构的耦合作用，运用有限元软件ABAQUS，建立桩—土—输电塔耦合计算模型，基于耦合模型建立连梁与改变连梁尺寸，研究连梁对基础水平位移的影响。

1 桩—土—输电塔耦合计算模型

本文以实际工程为背景，选取2 个典型输电塔及其基础作为研究对象，在有限元软件ABAQUS中分别建立群桩与单桩形式的桩—土—输电塔耦合模型，群桩和单桩形式的耦合模型分别命名为PST1 和PST2。土体、桩体、承台和连梁等均使用实体单元模拟，输电塔采用B31 梁单元模拟。截取有限土体计算区域，在土体侧向和底边分别设置滚支和固定边界，采用主从接触面法对桩—土接触面进行处理，设置桩—土间的相互作用[6-7]。

PST1 模型为群桩基础模型，其中有无连梁的群桩耦合模型分别命名为PST1-1 和PST1-2，模型中钢筋混凝土桩露头高度8.8 m，桩长60 m，桩径1.8 m，纵筋为30 d 36 mm（30 根直径为36 mm 的钢筋，下同）。PST2 模型为单桩基础模型，其中有无连梁的单桩耦合模型分别命名为PST2-1 和PST2-2，模型中钢筋混凝土桩露头7.5 m，桩长14.5 m，桩径14.5 m，纵筋为46 d 20 mm。在有限元分析中将钢筋混凝土等效为单一材料混凝土。PST1 输电塔结构总高143.5 m，根开为30.7 m×30.7 m；PST2输电塔结构总高为81.6 m，根开为15.6 m×15.6 m，杆件材料均为Q345 和Q420。

2 连梁对基础水平位移的影响分析

2.1 有无连梁对基础水平位移的影响

2.1.1 有无连梁对群桩基础水平位移的影响

PST1-1 为有连梁群桩基础，连梁布置如图1所示（图1 中，Q345 d 630×12 是指杆件材料为Q345，杆件直径630 mm、厚度12 mm；Q345 d 711×14 是指杆件材料为Q345，杆件直径711 mm、厚度14 mm）。

图1 群桩基础平面布置图（mm）

为对比连梁对基础水平位移的影响，去除PST1-1 中的连梁部件，建立无连梁桩—土—输电塔模型PST1-2。以垂直输电线路方向为X 向（即90°方向），以顺输电线路方向为Y 向（即0°方向）。对PST1-1 和PST1-2 模型施加重力和外部荷载，其中外部荷载为90°大风时输电塔与输电线上的风荷载，并将输电线的重力、张力和风荷载施加到输电塔的挂点处。为使基础水平位移明显，便于分析比较，对输电塔施加2 倍水平荷载，对比分析输电塔基础水平位移（如图2 所示）。图2 表明，有连梁时基础绝对水平位移基本小于无连梁时基础绝对水平位移，尤其当荷载增大时，设置连梁可明显减小基础位移。

图2 不同基础条件下荷载对水平位移的影响

2.1.2 有无连梁对单桩基础水平位移的影响

PST2-2 为无连梁单桩模型，为研究单桩基础中连梁对基础位移的影响，在PST2-2 中设置连梁，建立有连梁的单桩模型PST2-1，其中连梁型号为d 711×14（d 711×14 是指杆件直径711 mm，杆件厚度14 mm，下同）。

对各部件施加重力，对输电塔施加外部荷载，单桩基础有无连梁时基础水平绝对位移情况如表1 所示。

表1 有无连梁基础绝对水平位移

表1 表明，在外部荷载作用下，单桩基础无连梁时基础X 方向最大绝对水平位移为34.85 mm；设连梁时基础X 方向最大绝对水平位移5.04 mm。除此之外，无连梁时基础最大相对位移为28.79 mm；设置连梁时，基础最大相对位移为1.68 mm。因此可以得出，对于单桩基础，设置连梁可显著减小基础的整体水平位移和基础间相对位移。与群桩基础相比单桩基础设置连梁时，对基础水平位移的减小效果更明显。

2.2 连梁尺寸对基础水平位移的影响

本文以PST1-1 模型为研究对象，通过在模型中设置不同尺寸的连梁，研究连梁尺寸对基础水平位移的影响。PST1-1 连梁布置中基础A 和基础B间连梁尺寸较大，其余连梁尺寸都相同。钢连梁的尺寸由直径和厚度决定，基于控变量原则，分别改变连梁的厚度和直径，研究其对基础水平位移的影响。

2.2.1 连梁厚度对基础水平位移的影响

根据钢管型号，选择14 mm、12 mm、10 mm、8 mm 厚度，基础A 和基础B 间设置Size 1 型号连梁，其余基础间分别对应设置Size 2 型号连梁，以改变桩—土—输电塔耦合模型中连梁厚度。Size 1型号的连梁为d 711×14、d 711×12、d 711×10、d 711×8；Size 2 型号的连梁为d 630×12、d 630×10、d 630×8、d 630×6。

对模型设置不同厚度连梁时，基础间X 方向和Y 方向相对水平位移分别如图3（a）和（b）所示。从图3 可以看出，当连梁型号为d 711×14、d 630×12时，各基础间X 方向和Y 方向的相对位移均最小；当连梁型号为d 711×8、d 630×6 时，各基础间相对位移均最大。因此，在基础中设置钢连梁，连梁直径不变时，随着连梁厚度的减小基础间相对位移逐渐增大。

图3 钢连梁厚度不同时基础间相对位移

2.2.2 连梁直径对基础水平位移的影响

基础A 和基础B 间设置Size 1 型号连梁，其余基础间分别对应设置Size 2 型号连梁，以改变桩—土—输电塔耦合模型中连梁直径。Size 1 型号的连梁为d 820×14、d 711×14、d 660×14；Size 2 型号的连梁为d 711×12、d 630×12、d 559×12。

对模型设置不同直径连梁时，基础间X 方向和Y 方向相对水平位移分别如图4（a）和（b）所示。从图4 可以看出，当连梁型号为d 820×14、d 711×12时，各基础间X 方向和Y 方向的相对位移均最小；当连梁型号为d 660×14、d 559×12 时，各基础间X方向和Y 方向的相对位移均最大。因此，在基础中设置钢连梁，连梁厚度不变时，随着连梁直径的减小基础间相对水平位移逐渐增大。

图4 钢连梁直径不同时基础间相对位移

3 结论

本文依托实际输电工程，运用有限元分析软件ABAQUS，基于桩—土—输电塔耦合模型，通过设置连梁与改变连梁尺寸，研究了有无连梁以及连梁尺寸对基础水平位移的影响。通过分析得出以下结论：第一，在桩—土—输电塔模型中，设置连梁可以显著减小群桩和单桩基础整体水平位移与相对水平位移，尤其是单桩基础水平位移；第二，设置钢连梁，当连梁直径相同时，连梁厚度越大，基础间相对水平位移越小；第三，当连梁厚度相同时，连梁直径越大，基础间相对水平位移越小。因此，在输电线路的实际工程中，一定要根据输电塔的结构，结合输电塔与塔基础之间在耦合作用，科学合理地进行设计施工，确保输电线路安全稳定运行。