刘鸣，李永诰

(枣庄力源电力设计有限公司，山东省 枣庄市，277101)

0 引言

位于煤炭基地采空区的输电铁塔受地表的沉降和变形作用，输电铁塔中将产生附加应力，严重时将损坏铁塔，影响输电线路安全。因此，研究地表变形对输电铁塔内力和变形的影响规律，对输电铁塔的建设和安全性评估具有重要的意义［1-2］。本文以双回路直线型钢管角钢组合型输电铁塔为研究对象，采用数值分析方法，利用通用有限元软件ANSYS，研究地表变形对铁塔结构内力和变形的影响规律，获得塔架的破坏形态、杆件承载力与位移变化关系，同时提出了防控措施。

1 输电铁塔有限元模型

本塔型为钢管、角钢混合结构，塔身构件均为钢管，横担构件均为等边角钢，全高50 m。塔体弦杆和横担弦杆均为Q345B钢，腹杆均采用Q235钢，导线型号4×JLB20A-500/45，地线型号 LGJ-95/55，设计风速40 m/s。模型的弹性模量2.06×1011Pa，泊松比为 0.3，钢材质量密度为 7.85 ×103kg/m3［1-4］。

整个铁塔采用梁-杆混合单元，梁单元采用Beam189，杆单元采用 Link8。其中，主材(弦杆)和斜材(腹杆)采用梁单元，横担的次生斜腹件采用杆单元Link8［5-7］。铁塔的有限元模型如图1所示。

2 塔体地表位移的最不利工况

基础发生不均匀沉降时候，可能发生2种情况:(1)杆塔具有刚体特性，刚体随基础发生整体转动和移动;(2)由于地层移动使得杆塔本身的杆件应力增大，这会影响铁塔的承载力。本文主要针对第2种情况进行有限元计算和分析。设X向为沿线路走向方向，Y向为垂直于线路方向，支座反力方向的Z向垂直向上为正方向。铁塔支座节点如图2所示，采用非线性方法［5］分析单支座位移的情况。

(1)工况Ⅰ:单支座下沉(节点2出现下沉)。在进行单支座位移加载时，2号节点位移引起的塔身反应较大，直接影响到塔架的第1个横隔。使横隔在支座下沉50 mm时达到屈服，支座反力激增明显，如图3所示。下沉支座及其对角支座杆件均受拉力，另一对角支座承受压力，节点5、8为沿对角线方向的一对称支座，故受力图相同，ANSYS计算收敛出现困难，加载到150 mm时，反力值开始下降，说明有部分杆件达到其结构极限承载力［1］。

(2)工况Ⅱ:单支座沿垂直于输电线路方向外移。2号支座节点沿垂直于输电线路方向外移，当2号塔腿向外滑移不到150 mm时，在塔腿支座边缘处首先出现第1次屈服，由于塔腿垂直于输电线路方向外移，因此外移支座承受拉力。另外，另一对角线上的支座承受压力，在整个塔体的变坡度横隔处，杆件发生屈服现象严重，但在变坡度横隔处向上，塔体应力不再受到塔腿基础滑移的影响。外移到250 mm时，支座节点11反力出现拐点，如图4所示，说明此时有较多杆件发生破坏，结构内力重分布［1］。

(3)工况Ⅲ:单支座沿平行于线路方向外移。塔架的2号塔腿平行于线路方向外移，当位移加载至150 mm时，靠近变坡度处的部分杆件开始进入塑性流动阶段，坡度的第1横担上的杆件也受到了较为明显的应力影响，这与竖向位移加载的响应不同。支座反力变化如图5所示，在Z方向的反力可以看到有一明显的拐点，变形较大杆件主要集中在与外移支座相连的杆件［1］。

图3 支座反力曲线(工况Ⅰ)Fig.3 Inverse restriction force of support for scheme I

3 输电铁塔地基沉降防控方案

(1)修改线路规划。合理选择输电线路路径，认真做好调查研究，设计公司积极与地方电力公司及规划部门进行协调，尽力避免线路通过地质恶劣区域及采空区。对于输电线路跨越地带，线路路径还应当避开土地容易流失、河岸受冲刷、崩塌滑坡、地震断裂及其他影响安全运行的地带。

(2)线路设计采用单柱式钢管塔。由于单柱钢管塔有一个单独基础，其独立基础就相当于钢筋混凝土筏板基础的效果。

图4 支座反力曲线(工况Ⅱ)Fig.4 Inverse restriction force of support for scheme II

(3)铁塔选型。选用独立式的刚性铁塔，不能采用拉线铁塔。拉线铁塔主要靠拉线支撑，一旦铁塔柱身基础发生下沉，拉线随即退出工作，极易倒塔，所以不能采用对地基下沉非常敏感的拉线铁塔，而应采用抵御下沉能力较强的四腿刚性铁塔。

(4)直线、耐张及转角塔之间应留有1～2 m的裕度，以防地基均匀及不均匀沉降时，对地距离不够。

(5)采空区所使用的直线及直线型耐张塔可抵抗由于地基不均匀下沉对铁塔产生的次应力，以及引发线路偏移所产生的角度张力，一般可将水平档距减小10%。采空区所使用的转角塔，应减小5°，以抵抗由于地基不均匀沉降而引发塔身上的次生应力［8］。

图5 支座反力曲线(工况Ⅲ)Fig.5 Inverse restriction force of support for scheme Ⅲ

(6)带电扶正塔身。当铁塔基础沉降不大时候，采用在基础上加垫块的方法，将塔腿部分用钢板垫起，从而以钢板厚度弥补基础沉降的高度。当下降较多时，基础不宜使用此种方案。采用钢板垫起的方案应注意所有处在采空区地段的铁塔基础主柱上的地脚螺栓的外露丝扣长度，均应加长100～200 mm。一旦发生地基下沉而引起基础不均匀沉降时，采取增插钢板扶正铁塔的方法。调整钢插板尺寸同塔脚板尺寸。钢插板厚度为 8、10、12、14、16、20 mm，插板多层使用时可垂直调向进行插垫［8-10］。

(7)地质复杂地区设计选用联合筏板基础。杆塔设计应用最多的是台阶式独立基础，由于铁塔4个塔腿可能沉降不同，会造成铁塔不同程度的倾斜。采用钢筋混凝土筏板基础，可以有效减轻地基的不均匀沉降。

4 结语

在进行单支座位移加载时，2号支座节点下沉位移引起的塔身反应较大，直接影响到塔架的第1个横隔，这是很危险的工况。为增强铁塔自身的抗地表变形能力，除需着力加大靠近塔腿处的杆件强度外，变坡度处的横隔杆件也应加强，横隔在塔架中能起到明显的抗扭和抗变形作用。

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