插入角钢式输电铁塔基础承载力试验研究

张 波,杨利容

(西华大学建筑与土木工程学院,四川 成都 610407)

近年来,我国高压输电线路输电塔很多都采用了插入式角钢基础。然而这一基础形式的外荷载从角钢传递到混凝土基础却是一个十分复杂的过程,对于基础承载力的影响因素也较多。此文主要结合 500 kV输电线路插入角钢式基础承载力试验的结果,分析这种基础承载力的影响因素,为今后类似工程建设提供数据参考。

1 室内模型试验

1.1 模型试件设计

室内模型试验主要是研究插入角钢的类型(主材钢Q420),角钢埋置深度、剪切件锚固情况对基础承载力的影响。由于主要研究插入角钢的作用,因此本试验不考虑混凝土强度的影响(基础所采用的混凝土强度为C25)。试验中主材上附加的剪切件均采用∠80×8Q345角钢。剪切件通过螺栓锚固在主材上面,方向与主材垂直;将应变片等距布置在主材角钢上面,应变片数量根据主材长度而定(主材长度由埋置深度确定,随深度增加而增长)。由于插入角钢式基础与混凝土柱坡度一致,为便于操作,将角钢直接插入混凝土柱中。试件详细情况见表 1。试验前,按照文献[1]～文献[3]分别对每个构件进行计算。

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1.2 试验加载模式

本次试验主材选用两种规格∠125×8、∠160×14,其抗力标准值分别为 827.4 kN和1818.6 kN,而所选用的柱截面尺寸为 400mm×400mm和 500 mm×500mm,本试验中能承担的抗拔力标准值分别为 284.8 kN和 445 kN。因此,如果在试验中直接将试件底部锚固而在角钢上施力上拔,在角钢受力较小时混凝土柱就已经被拉裂,混凝土中的拉力传至柱中的钢筋承担,当柱中钢筋配置较少时,柱可能被拉断或底部的锚固位破坏。为了能够完整地考察角钢的锚固性能,因此在试验加载时选择自平衡模式,即混凝土和角钢同时受力,大小相等方向相反,混凝土中有个预加压应力的作用,这样在试验中混凝土不致在较小的上拔力下就被拉坏。抗压试验则在常规压力试验机上完成。

1.3 试验结果及数据分析

1.3.1 各试件试验情况汇总

综合各试件实验所得到的数据,将各试件的破坏荷载汇总于表 2。

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1.3.2 无锚固件时基础承载力

由 SJ-1与SJ-3对比看出,角钢埋置深度对基础抗拔力的提高作用是很大的。深度从 1.0m到 1.5 m提高了一倍。由于本次试验主要针对有锚固件的基础承载力的研究,因此未做多余的无锚固件试件进行对比。文献[4]中试验表明针对无锚固件插入角钢式基础,角钢深度达到某一临界深度后,对基础的抗拔力增加并不明显。

1.3.3 有锚固件和无锚固件基础承载力对比

通过 SJ-1与 SJ-2对比看出,当设置锚固件时,基础承载力提高了一倍多,对比 SJ-3可以看出,在一定程度上对抗拔承载力的贡献值大于通过增加埋置深度的贡献值,说明在同等条件下设置锚固件比增加埋置深度对基础抗拔承载力的提高更有效。这是由于角钢锚固件有效增加了主材表面的不平整度和表面积,混凝土与主材的粘接强度较不带锚固件的试件有明显的提高。同时从实验结果可以看出,由于有锚固件的作用,角钢虽不断被拉伸,但却延缓了角钢被彻底拔出,角钢被拔出的残余位移将因为锚固件的作用而加大。实验结束后,把混凝土凿开,看到锚固角钢件已经严重挤压变形,说明锚固件在阻止角钢被拔出过程中起到了很大的作用。

1.3.4 有锚固件的基础承载力

1.3.4.1 插入单角钢基础承载力

通过 SJ6-2、SJ7、SJ8数据对比可以看出,增加锚固件个数对角钢承载能力贡献是巨大的,增加 3个锚固件从 SJ-2到 SJ7试件承载能力将近提高了 30%,SJ7到SJ8也提高了近 10%,但明显提高幅度降低了,说明在一定范围内增加锚固件可以显著提高插入式角钢基础极限承载能力,超出某一界限,再增加锚固件对基础承载能力影响将不明显。同时从SJ6三组试件结果对比以及SJ4三组试件结果对比可以看出不同受力状态下基础承载能力差异较大,特别是双向受力与单向受力,这在设计时应该引起注意。

1.3.4.2 插入双角钢基础承载力

通过SJ5-1与 SJ5-2两组试件的试验结果可知基础插入双角钢后,承载力显著提高,但提高值却不是相应单角钢承载力的两倍,分析原因可能有以下两点:(1)试验加载方式的影响,使双角钢受到了偏心荷载的影响,造成材料的提前破坏。(2)双角钢依靠缀板将两个角钢连接,其协同工作能力有待验证。

2 基础真型试验

2.1 试验参数设计

根据实际荷载特性、实际工程现场状况和室内模型试验成果,设计真型试验基础,其具体参数见表 3。

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2.2 试验方法

为模拟基础的实际工作情况,采用慢速循环维持荷载的加卸载方案,竖向上拔力/下压力和模拟纵横向水平力按比例加载,都由千斤顶直接施加水平和竖向荷载。测试应变片的布置见图 1。

图1 应变片布置图

2.3 试验结果分析

2.3.1 试验结果

角钢在不同荷载工况下的应力见图 2。

图2 主材应力

2.3.2 结果分析

真型实验与模型实验得到的结果规律基本相同,不同位置处角钢受力具有不同步性,埋置越深,所分担的力越小;离加载处越近所受到的力越大;这是由于荷载是沿着角钢的埋入深度通过插入角钢逐渐传递给混凝土的。同时从上面应力图可以看出:在受压模式下,主材角钢上的应力沿插入角钢的埋置深度减小幅度很大。可以理解为,在受压状态下,压应力可以在较短的距离内传递给混凝土;而抗拉时传递相同荷载却需要较长距离。

3 结束语

(1)插入式角钢基础中,角钢与混凝土组成一个共同受力体,外荷载能够通过角钢与混凝土的粘结强度以及锚固件传递到混凝土基础中,然而这一过程是个非常复杂的力学过程。在这一过程中角钢与混凝土的粘结强度将直接影响基础承载能力,而通过实验表明在一定范围内通过增设锚固件将有效提高基础承载能力。

(2)插入角钢式基础承载能力与基础埋置深度、角钢种类、有无锚固件等有很大关系。

(3)荷载沿角钢传入混凝土中,受压时在较短范围内传递,受拉时在较长范围内传递,因此为了提高基础承载能力,在相同大小的荷载条件下,角钢锚入深度在受拉时要较受压时的大。

(4)双角钢插入式基础的承载能力明显高于相同种类的单角钢插入式基础,但提高幅度并非是单角钢的两倍。

[1]DL/T 5219-2005架空送电线路基础设计技术规定[S]

[2]DL/T 5154-2002架空送电线路杆塔结构设计技术规定[S]

[3]GB 50017-2003钢结构设计规范[S]

[4]鲁先龙,程永锋.750KV输电线路角钢插入式基础承载力试验[J].中国电力,2006,39(1)