張樹林，王靜峰，程安樂，徐智東，孟憲喬 （.中國能源建設(shè)集團(tuán)安徽省電力設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 3060；.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 30009）

0 引言

近年來，隨著電網(wǎng)的發(fā)展，長距離的特高壓輸電線路不斷增加。在架設(shè)線路的過程中偶爾會(huì)出現(xiàn)跨越江河湖泊的情況，因此大跨越輸電塔得到了越來越多的應(yīng)用[1]。但隨著跨越檔距越來越大，輸電塔的高度也在不斷攀升，導(dǎo)致鐵塔所受外荷載顯著提升，為柱腳節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)優(yōu)化帶來了新的考驗(yàn)。

插入式柱腳不但能承受柱的軸力和柱端的剪力，而且還能承受柱端彎距，抗震性能良好。同時(shí)，鋼管混凝土構(gòu)件因其便捷的施工工藝、優(yōu)異的承載性能和良好的抗震性能[2]，往往作為主要的承力構(gòu)件或重要節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)在高層建筑、重載橋梁和大跨結(jié)構(gòu)中。因此目前鋼管混凝土插入式柱腳節(jié)點(diǎn)在工程實(shí)際中應(yīng)用較為廣泛，部分學(xué)者也開展了相關(guān)研究。王金等[3]和張建偉等[4]分別對(duì)不同埋深和不同配筋基礎(chǔ)的插入式鋼管柱腳進(jìn)行了錨固試驗(yàn)研究，明晰了不同埋深和配筋對(duì)基礎(chǔ)錨固承載力和延性性能的影響。黃慶輝等[5]針對(duì)插入式節(jié)點(diǎn)影響基礎(chǔ)鋼筋布置的缺點(diǎn)，提出了一種新型的節(jié)點(diǎn)形式，即用錨栓連接鋼管混凝土柱與基礎(chǔ)，進(jìn)行了低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，驗(yàn)證了節(jié)點(diǎn)的安全性能。徐永基等[6]對(duì)鋼管混凝土柱外包式柱腳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究及理論分析，通過兩個(gè)鋼管混凝土外包柱腳節(jié)點(diǎn)的低周反復(fù)載荷試驗(yàn)，初步揭示了其傳力機(jī)理，提出了相關(guān)的構(gòu)造措施。

然而，現(xiàn)有關(guān)于插入式鋼管混凝土柱腳的研究主要集中在高層建筑和工業(yè)廠房中，針對(duì)大跨越鋼管塔架結(jié)構(gòu)中的大型插入式塔腿的研究仍較為罕見。因此，本文基于白浙線±800kV 直流與500kV 交流同塔大跨越輸電塔設(shè)計(jì)方案，建立了精細(xì)化的有限元模型，研究軸壓荷載下鋼管與混凝土的內(nèi)力分布，以及不同構(gòu)造對(duì)基礎(chǔ)構(gòu)件協(xié)同工作的影響，最后提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)參考。

1 工程概況

白鶴灘-浙江±800kV 特高壓直流輸電工程起于四川省涼山州的布拖換流站，途經(jīng)四川省、重慶市、湖北省、安徽省、浙江省，落點(diǎn)為浙江省杭州市的余杭區(qū)梅家河換流站。規(guī)模為新建單回雙極±800kV特高壓直流輸電線路，推薦方案線路長度約2140.2km（含大跨越）。本大跨越工程直線跨越塔采用鋼管混凝土塔，主管中灌注混凝土，擬定混凝土灌注高達(dá)155m，桿塔總高度347m，跨越檔距達(dá)2354m，桿塔塔高和負(fù)荷位居特高壓輸電線路桿塔之首，也是鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在特高壓工程中的首次應(yīng)用。

該大跨越工程塔腿采用鋼管混凝土構(gòu)件與基礎(chǔ)可采用插入式連接，插入鋼管內(nèi)應(yīng)澆筑混凝土，并沿插入鋼管管身縱向設(shè)置錨固環(huán)板、錨固環(huán)板宜加勁，插入鋼管底部可設(shè)置端板。具體布置如圖1所示。

圖1 設(shè)置加勁焊接錨固環(huán)板的插入鋼管結(jié)構(gòu)簡圖

2 有限元模型建立

為深入研究鋼管混凝土插入式塔腿受力機(jī)理，本節(jié)基于實(shí)際工程設(shè)計(jì)方案建立了精細(xì)化的有限元分析模型，具體材料和幾何參數(shù)如下。

2.1 材料本構(gòu)

鋼材及鋼筋的本構(gòu)均采用雙折線模型。假設(shè)鋼材及鋼筋在受壓受拉時(shí)的本構(gòu)關(guān)系相同，能夠較好模擬其實(shí)際的材料特性。

混凝土采用塑性損傷本構(gòu)進(jìn)行模擬[7]。

式中：x=ε/ε0、y=σ/fc、ξ=Asfy/(Acfc)，σ和ε 分別表示核心混凝土的應(yīng)力和應(yīng)變；fc為混凝土圓柱體軸心抗壓強(qiáng)度，fc=0.79fcu,k；ε0=εc+800ξ0.2×10-6，εc表示混凝土峰值應(yīng)變；ξ 為鋼管的約束效應(yīng)系數(shù)，εc=(1300+12.5fc)×10-6，η值取2。

2.2 幾何模型

該塔腿模型主要由鋼管、管內(nèi)混凝土、混凝土基礎(chǔ)模型、鋼筋網(wǎng)和錨固墩等部分組成，其中鋼管及錨固板采用殼單元，鋼筋網(wǎng)采用梁單元進(jìn)行模擬，混凝土基礎(chǔ)、管內(nèi)混凝土和錨固墩采用實(shí)體單元進(jìn)行建模。鋼管、錨固板和加勁肋采用布爾運(yùn)算組合為一個(gè)構(gòu)件；鋼筋網(wǎng)內(nèi)置于混凝土基礎(chǔ)中；鋼管與混凝土間采用“面面接觸”；樁底約束所有方向自由度以模擬插入式的固接約束，軸向荷載通過耦合點(diǎn)加載到基礎(chǔ)頂面，模型示意如圖2所示。

圖2 塔腿基礎(chǔ)模型示意

3 數(shù)值分析

3.1 錨固內(nèi)環(huán)板

為研究軸壓荷載下，基礎(chǔ)的傳力路徑、荷載分配方式以及不同構(gòu)造下對(duì)基礎(chǔ)構(gòu)件協(xié)同工作的影響，分別建立了無內(nèi)部錨固環(huán)板和帶內(nèi)部錨固環(huán)板插入式塔腿模型。采用集中荷載的形式逐級(jí)施加在基礎(chǔ)頂面，無內(nèi)環(huán)板模型荷載自10000kN 逐級(jí)增至40000kN，帶內(nèi)部錨固環(huán)板模型荷載自10000kN 逐級(jí)增至150000kN。有限元計(jì)算結(jié)果如表1 和圖3所示。

表1 塔腿荷載分配

圖3 軸壓力荷載下基礎(chǔ)內(nèi)力分布

計(jì)算結(jié)果表明，與無內(nèi)環(huán)板鋼管混凝土插入式塔腿相比，帶內(nèi)環(huán)板模型的混凝土承擔(dān)荷載占比最大由25.75%提升至61.50%，提幅度達(dá)240%。同時(shí)，隨著帶內(nèi)環(huán)板鋼管混凝土插入式塔腿所受荷載由10000kN 提升至150000kN 后，混凝土所占荷載比重由61.50%提升至64.70%?？梢?，在內(nèi)環(huán)板的作用下鋼管與混凝土的粘結(jié)作用明顯提升，進(jìn)而增強(qiáng)了鋼管混凝土的協(xié)同作用，使得鋼管內(nèi)混凝土受壓性能充分發(fā)揮，混凝土所占荷載比重不斷攀升。這是因?yàn)椋捎谕獍炷良颁摴芡忮^板的存在，鋼管伸入混凝土段與混凝土協(xié)同變形，剛度激增，伸出段的有效長度降低，而由于管內(nèi)未布置內(nèi)錨板，混凝土與鋼管的粘結(jié)力在長期荷載下水平較低，鋼管與混凝土的相互作用水平低導(dǎo)致了混凝土的有限長度低，剛度較小，共同作用下承擔(dān)的荷載較低。因此，內(nèi)環(huán)板的構(gòu)造可以有效改善內(nèi)部混凝土的受力狀態(tài)，同時(shí)有效的避免由于外環(huán)板的存在導(dǎo)致鋼管剛度增大而產(chǎn)生的應(yīng)力集中問題。

3.2 錨固比

為進(jìn)一步探究鋼管混凝土插入柱腳節(jié)點(diǎn)鋼管與管內(nèi)混凝土的相互作用機(jī)理，本節(jié)開展了大量的參數(shù)分析，通過改變錨固方式來控制第一錨固板與頂面的距離，利用這種方法設(shè)計(jì)了九個(gè)構(gòu)件，控制錨固長度。A 組為內(nèi)部鋼管的錨固板減少，外部錨固板不變，設(shè)計(jì)了A01～A0 5 五個(gè)構(gòu)件，錨固比從1:1 至1:5。B 組為外部鋼管的錨固板減少，內(nèi)部錨固板不變。設(shè)計(jì)了B01～B04 四個(gè)構(gòu)件，錨固比從1:1至4:1，具體參數(shù)如表2所示。

表2 參數(shù)分析的構(gòu)件設(shè)計(jì)

圖4 繪制了不同試件在各級(jí)荷載狀態(tài)下的內(nèi)力分布結(jié)果，計(jì)算結(jié)果表明：

圖4 各構(gòu)件軸壓力荷載下基礎(chǔ)內(nèi)力分布

①隨著內(nèi)部錨固環(huán)板的錨固長度由1.1m 增加到2.2m、3.3m、4.4m 和5.5m，核心混凝土所受荷載占比由60%左右分別降低到50%、45%、39%和37%左右，下降幅度分別為16%、25%、35%和38%?？梢?，鋼管內(nèi)部錨固板對(duì)內(nèi)力的分布結(jié)果有較大的影響，隨著內(nèi)部錨固環(huán)板距離的增加，內(nèi)部混凝土受力不斷減少，這是由于缺少了內(nèi)部鋼管錨固板的作用，核心混凝土所受約束效應(yīng)較弱，軸向的線性剛度降低，分配的軸力隨之降低；

②當(dāng)外部錨固環(huán)板的錨固長度由1.1m 分別提升至2.2m、3.3m 和4.4m后，核心混凝土所受荷載占比仍保持在65%附近，波動(dòng)范圍較小?？梢?，外部錨固環(huán)板的錨固長度不會(huì)影響鋼管與混凝土的內(nèi)力分布，這是由于所研究的內(nèi)力分布處于鋼管混凝土柱腳的未埋入處，當(dāng)內(nèi)部的相互作用被保證，外部錨固長度的提高不會(huì)影響錨固上部的內(nèi)力分配。

4 結(jié)論

本文根據(jù)白鶴灘-浙江±800kV 特高壓輸電線路池州長江大跨越輸電塔柱腳設(shè)計(jì)方案，建立了精細(xì)化的鋼管混凝土插入式塔腿有限元模型，明晰了錨固環(huán)板對(duì)插入式塔腿受力機(jī)理的影響規(guī)律。

①與無內(nèi)環(huán)板鋼管混凝土插入式柱腳相比，帶內(nèi)環(huán)板鋼管混凝土柱腳內(nèi)核心混凝土承擔(dān)荷載占比最大由25.75%增大到64.50%，提升了2.4倍?？梢姡瑑?nèi)環(huán)錨固板的存在顯著改善了核心混凝土的受力性能，使插入柱腳的抗壓承載力得到較大改善。

②外部錨固環(huán)板錨固比不變時(shí)，內(nèi)部錨固板的錨固比從1 降低到1/2、1/3、1/4 和1/5 后，核心混凝土所受荷載占比分別降低了16%、25%、35%和38%。而內(nèi)部錨固環(huán)板錨固比不變時(shí)，隨著外部錨固環(huán)板錨固比的降低，核心混凝土所受荷載占比基本不變。可見，隨著內(nèi)部錨固環(huán)板間距的增大，核心混凝土所受約束效應(yīng)不斷減小，承載性能不斷降低，而外部錨固環(huán)板間距對(duì)核心混凝土受力性能并無影響。