地基及基础变位对输电铁塔受力特性影响的模拟分析*

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地基及基础变位对输电铁塔受力特性影响的模拟分析*

黄飞龙1　张大长1　丁志锋2　朱海峰2　李布辉3

(1.南京工业大学土木工程学院， 南京　211816; 2.江苏省电力公司经济技术研究院， 南京　210008;3.河海大学土木交通工程学院， 南京　210012)

摘　要：以研究地基及基础位移对整塔内力及变形的影响为目的，通过结构有限元分析软件SAP 2000对现有某220 kV输电线路SJ3转角塔进行建模和分析。考察输电铁塔在90°大风、覆冰和导线张力等外荷载作用下，模拟塔腿基础支座发生不同变位的荷载工况对塔身变形及塔材失效的影响规律，确定不同工况下底部塔材的内力发展过程及其失效位移。研究表明，针对不同的地基及基础变位工况，塔腿上侧横隔面是整塔最薄弱部分，塔腿根部支座位移会引起横隔杆件的快速失效，单只塔腿基础支座沉降对塔腿影响最大；塔腿支座水平外移对底部横隔杆件影响最大；塔腿支座水平内移是引起塔腿斜材失效的最危险工况。

关键词：输电铁塔； 基础位移； 杆件内力； 失效模式

受走廊、地域等条件的限制，我国沿海地区的某些输电线路不可避免地要经过一些淤泥质土或软土区域[1]。受该地质条件的影响，这类区域的输电铁塔在使用过程中易发生基础变位，塔腿之间产生高度差，根开发生变化，造成铁塔发生倾斜或不均匀沉降[2]，引起塔腿受力不均匀，导、地线张力变化，引发断股、断线，还可能导致构件内力重新分配，造成部分塔材失效，严重者可导致输电铁塔倒塌。

近年来，国内外学者致力于研究各种不利荷载对输电线路工程的影响规律，其中输电铁塔遭受大风、低温、覆冰等荷载的受力性能和安全评估已经有了广泛的研究[3-7]，但探讨地基及基础变位对整塔变形及受力特性影响的研究还相对较少[8-11]，其作用机理尚不明确，没有形成系统的认知。因此，研究输电铁塔地基及基础变位工况对其受力及变形的影响规律具有重要的意义。

本文以实际工程中某220 kV线路SJ3输电铁塔为研究背景，采用有限元分析软件SAP 2000进行模拟分析，探究塔腿支座在不同变位工况作用下输电铁塔底部塔材的内力发展过程及其失效时的支座变位位移，分析塔身变形情况，明确整塔受力响应机理，为我国软土区域输电线路工程的设计和安全运行提供参考。

1　有限元模型

1.1　模型参数

现有某220 kV输电线路SJ3转角塔为自立式双回路塔，总高48.1 m，呼高30 m，根开11.6 m，导线型号LGJ-400/35，水平档距与垂直档距均为300 m。塔腿采用Q420角钢，斜材及横隔杆件采用Q345角钢，其余辅助材采用Q235角钢。本文中铁塔模型未考虑塔材节点连接件，其有限元计算模型如图1所示。

图1　输电铁塔有限元计算模型

1.2　约束条件

有限元模型中塔腿支座采用固结形式，通过对支座节点施加竖向或水平位移，模拟实际地基及基础变位引起的输电铁塔不均匀沉降、倾斜和根开变化等情况。铁塔基础支座编号如图2所示，X方向为横线路方向(即90°大风方向)，Y方向为顺线路方向，Z方向以竖直向上为正。

图2　塔腿编号示意

1.3　荷载工况

本文按正常运行设计条件考虑了自重、90°大风、覆冰和导线张力等工况，结合不同塔腿基础支座位移荷载，如表1所示。

表1　塔腿基础支座位移工况

工况编号方向 工况描述1D支座沿Z向下沉2Z向B、D支座沿Z向下沉3C、D支座沿Z向下沉4D支座沿+X向水平外移5X向D支座沿-X向水平内移6B、D支座在+X向水平外移7B、D支座沿-X向水平内移8D支座沿-Y向水平外移9Y向D支座沿+Y向水平内移10C、D支座沿-Y向水平外移11C、D支座沿+Y向水平内移

按式(1)荷载组合形式探讨基础支座变位对整塔内力及变形的影响规律。

(1)

式中：恒载为输电铁塔自重；风载为90°方向大风荷载；活载为覆冰、导线张力等荷载；变位为铁塔基础支座位移。

1.4　失效准则

由参考文献：[1]研究得出，塔腿基础支座位移造成整塔变形并产生附加应力，但经过计算分析，输电铁塔的几何非线性并不明显，考虑P-Δ效应前后杆件内力变化不大。故本文分析中不考虑几何非线性，以塔材强度设计值作为塔材失效判定准则，即当塔材最大应力超过其强度设计值时，认为该塔材失效。

2　塔材内力结果分析

计算分析显示，塔身上部塔材受基础支座位移工况的影响很小，底部塔腿、斜材和塔腿上侧横隔面杆件的内力变化最大，先于上部塔材失效，故本文只考虑底部塔材内力发展及其失效位移。

2.1　竖直方向位移工况

2.1.1　单只塔腿支座沉降(工况1)

计算结果表明，随着支座D沉降，塔腿D和与其对角的塔腿A受拉，另一对角线上塔腿B、C受压。单支座D每沉降10 mm，塔腿B内力增长15.1%临界承载力值。支座D沉降至20 mm时，塔腿B最先达到临界承载力(2 020 kN)而失效。工况1作用下塔身底部变形如图3所示，失效塔腿内力发展如图4所示。

图3　支座D沉降时铁塔底部变形

注：临界承载力为-2.02 kN。
图4　典型工况作用下塔腿内力发展

为探讨工况1作用下斜材及塔腿上部横隔杆件的失效情况，继续施加竖向位移荷载。斜材受拉压情况与相连塔腿一致，支座D每沉降10 mm，与失效塔腿B相连的斜材内力增长12.1%临界承载力值。位移荷载施加至30 mm时，两斜材内力达到临界值(115 kN)，几乎同时失效，内力相差6%，失效斜材内力发展如图5所示。

注：临界承载力为-115 kN。
图5　典型工况作用下塔腿斜材内力发展

工况1引起塔腿上侧横隔杆件内力变化亦较大，竖向位移每增加10 mm，连接塔腿C、D的横隔杆件内力增长4.6%临界承载力值。支座D沉降至53 mm时，该杆件内力达到其强度设计值(44.5 kN)而失效，失效横隔杆件内力发展如图6所示。

注：临界承载力为-44.5 kN。
图6　典型工况作用下塔腿上侧横隔杆件内力发展

2.1.2　双腿支座沉降(工况2、工况3)

工况2和工况3分别表示相邻塔腿基础支座B、D和支座C、D发生沉降，即输电铁塔在X方向、Y方向发生倾斜。由图4—图6可知：两工况引起底部塔材内力变化很接近，内力发展曲线几乎重合在一起；塔腿及斜材内力变化较小，几乎不发生失效；塔腿上侧横隔杆件内力变化较大，基础支座位移每增加10 mm，其内力增长5.7%临界承载力值，当位移施加至40 mm时，横隔杆件失效。

2.2　横线路方向位移工况

2.2.1　根开增大(工况4、工况6)

工况4表示支座D发生+X方向水平位移，即单支座水平外移，造成铁塔X方向上根开增大。同一桁架平面内基础支座一端距离增大使得塔腿另一端(与横隔杆件相连处)有靠拢的趋势，对横隔杆件产生较大压力，横隔杆件受压如图7所示。

图7　支座外移时横隔杆件受压

由图6可知：工况4引起塔腿上侧横隔杆件内力增长最快，基础支座位移每增加10 mm，横隔杆件内力增长11.6%临界承载力值，当支座水平位移施加至21 mm时先于其他塔材失效。

塔腿和斜材受力与单腿沉降(工况1)类似，同一对角线上塔腿A、D受拉，另一对角线上塔腿B、C受压。塔腿及斜材内力增长较小，塔腿B在水平位移为122 mm时失效，与塔腿B相连的斜材在位移为140 mm时失效。

工况6表示支座B、D同时发生+X方向水平位移，即双支座水平外移，造成输电铁塔与X方向平行的两个桁架平面上根开同时增大，两个平面内的横隔杆件几乎同时失效。

由图6可知：塔腿上侧横隔杆件内力发展与工况4很接近，失效位移为21 mm。该工况使得4个塔腿均受压，但内力变化很小，水平位移每增加10 mm，塔腿内力仅增长0.3%临界承载力值。斜材因根开增大而受拉力，几乎不发生失效。

2.2.2　根开减小(工况5、工况7)

工况5(单支座水平内移)作用下，底部塔材受力状态与工况4(单支座水平外移)恰好相反。由图5可知：根开减小引起斜材内力增长较大，位移增加10 mm，其内力增长8.8%临界承载力值，支座D水平位移加载至36 mm时，与塔腿D相连斜材最先失效。位移继续施加至110 mm时塔腿D失效。塔腿上侧横隔杆件因受拉力，几乎不发生失效。

工况7(双支座水平内移)作用下，位移施加至50 mm时，斜材内力达到强度设计值，最先失效。塔腿及上侧横隔杆件受拉力，几乎不发生失效。

2.3　顺线路方向位移工况

顺线路方向4个位移工况(工况8—工况11)对底部塔材内力发展的影响规律与横线路方向位移工况类似。初始受力状态下(即未施加位移工况时)，输电铁塔受90°大风影响，横担方向斜材及横隔杆件参与抵抗风荷载引起的侧向压力，其初始受力比顺线路方向塔材大。所以，顺线路方向位移工况作用下，塔材内力增长虽与横线路方向工况相似，但该方向塔材内力余度更大，失效位移也更大。

3　塔材失效位移结果分析

3.1　塔腿失效位移

各地基及基础变位工况作用下塔腿达到其临界承载力的支座位移如图8所示，图8中没有柱状图的工况(标记为“N”，下同)表示此工况作用下塔材内力变化很小，失效位移值很大。由图8可知：工况1(支座D下沉)的失效位移最小，说明单支座沉降引起的塔腿内力增长最大，是塔腿失效的最不利工况；工况4、5、8和工况9(支座在X方向上水平移动)的失效位移均为110 mm左右，说明输电铁塔基础支座发生水平位移引起的塔腿内力增长程度很相似。

图8　各地基及基础变位工况作用下塔腿失效位移

3.2　横隔杆件失效位移

各地基及基础变位工况作用下塔腿上侧横隔面杆件达到其临界承载力的支座位移如图9所示。由图9可知：所有工况中有7个工况的位移限值小于100 mm，说明塔腿上侧横隔面是整塔最薄弱部分，塔腿根部支座位移均引起横隔杆件的快速失效；根开增大工况(工况4、6、8和工况10)的横隔杆件失效位移均比相应根开减小工况(工况5、7、9和工况11)小很多，说明根开增大对塔腿上侧横隔面极为不利。

图9　各地基及基础变位工况作用下横隔杆件失效位移

3.3　斜材失效位移

各地基及基础变位工况作用下斜材件达到其临界承载力的失效位移如图10所示。由图10可知：工况1(支座D下沉)的位移限值最小，说明单只塔腿基础支座沉降对塔腿影响最大；根开减小工况(工况5、7、9和工况11)的斜材失效位移均比根开增大工况(工况4、6、8和工况10)小很多，说明根开减小对斜材极为不利，与横隔杆件不利工况相反。

图10　各地基及基础变位工况作用下塔腿斜材失效位移

4　横担端部位移结果分析

对比各地基及基础变位工况作用下输电铁塔右侧底部横担挂点处的位移变化情况，分析各位移工况对塔身变形的影响规律。

各工况作用下横担端部X方向位移变化如图11所示。工况2造成塔身朝横线路方向(X方向)倾斜，引起横担端部X方向位移增长最快，支座位移每增加10 mm，横担位移增加26 mm。工况1(单腿沉降)其次，横担位移增大速率为工况2的一半，其余位移工况引起横担X方向变化均较小。

图11　横担端部X方向位移变化

与工况2类似，工况3造成塔身朝顺线路方向(Y方向)倾斜，引起横担处Y方向位移变化最大，其变化速率与工况2作用时X方向位移变化速率相等，工况1(单腿沉降)的影响亦为其一半。各地基及基础变位工况作用下横担端部Y方向位移变化如图12所示。

图12　横担端部Y方向位移变化

各地基及基础变位工况作用下横担端部Z方向位移变化如图13所示。工况2(X方向倾斜)造成横担Z方向位移变化最大，其次为工况3(Y方向倾斜)和工况1(单腿沉降)，其余工况影响较小。支座位移工况增加10 mm时，三者引起横担处Z向位移分别增大9.3，5.9 mm和4.6 mm，其余工况均为0.5 mm左右。

图13　横担端部Z方向位移变化

综上所述，引起横担位移变化最大的支座位移主要是工况1、工况2和工况3，即不均匀沉降和塔身倾斜，输电铁塔设计和防护中需注意横担位移过大所造成的导线拉断、挂点破坏等事故。结合前述塔材内力变化规律，该三种工况还能造成底部塔材较快失效，是所有工况中最不利的，其中工况1最危险。

5　结　论

基于软件分析和结果对比，可以得出以下结论：

1)单只塔腿基础支座沉降是最不利工况，能引起塔腿及斜材最先失效，且其对塔身变形的影响亦较大。

2)塔腿上侧横隔面是塔身最薄弱部分，塔腿根部支座位移均引起横隔杆件的快速失效。其中，塔腿基础支座水平外移(根开增大)是引起塔腿上侧横隔面杆件失效的最不利工况。

3)塔腿基础支座水平内移(根开减小)易造成斜材受到较大压力而失效，是引起塔腿斜材失效不利工况。

4)塔身倾斜造成横担位移变化最大，引起的导线拉断、挂点破坏等事故在实际工程中需注意。塔身朝横线路、顺线路方向发生倾斜引起的塔材内力变化相似。

本文研究成果可供我国软土区域输电线路工程的设计和防护参考。

参考文献

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SIMULATION ANALYSIS ON THE EFFECTS OF FOUNDATION DISPLACEMENT ON THE MECHANICAL CHARACTERISTICS OF TRANSMISSION TOWER

Huang Feilong1　Zhang Dachang1　Ding Zhifeng2　Zhu Haifeng2　Li Buhui3

(1.Department of Civil Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing, 211816, China;2. State Grid Jiangsu Electric Power Company Economic Research Institute, Nanjing 210008, China;3. Department of Civil and Transportation Engineering, Hehai University, Nanjing, 210012, China)

ABSTRACT：In order to investigate the influence on internal forces and deformation of transmission tower with foundation displacements, the finite element model of SJ3 transmission tower in 220 kV transmission line was established and analyzed by SAP 2000. Based on the analysis, the deformation of tower body and the failure process of tower materials with different displacement conditions were studied under the 90° wind load, ice load and conductor load. Besides, the internal force variation and displacement limitations of tower members with different displacement conditions were determined. The results showed that the horizontals of the tower bottom were the weakest part of the whole tower, nearly all the displacement conditions could cause the faliure of tabula members. The support settlement influenced the internal forces of tower legs mostly. Outer horizontal movements of supports influenced the internal forces of the bottom tabula members mostly. Inner movements was the most dangerous in all displacement conditions.

KEY WORDS：transmission tower; foundation displacements; member’s internal force; failure mode

第一作者：黄飞龙，男，1989年出生，硕士研究生。

Email: [e-mail]

收稿日期：2016-03-11

DOI：10.13206/j.gjg201609008

*江苏省人力资源和社会保障厅2013年“六大人才高峰”(B类)前瞻性联合研究项目(BY2014005-11)。