田龙龙，张亚华，何大海

（1.山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013；2.广东电网高州供电局，广东 高州 525200）

0 引言

输电铁塔基础是否稳固直接关乎着输电线路能否安全运行。依据规范，基础的荷载随着设计风速的提高将大幅提升，而一些重要的输电线路由于设计时间早，其设计风速取值低于现行规范的要求，基础存在抗拔承载力不足的风险。由于在原基础上加固的办法具有投资省、不需要停电等优点[1]，本文针对原输电铁塔基础的塔脚进行有限元验算，得到地脚螺栓、塔脚板的受力特征及破坏形式，并对输电铁塔浅基础的地脚螺栓加固方案进行分析，探讨增加辅助地脚螺栓后基础的受力情况，为后续输电铁塔基础加固工程设计提供一定的参考。

1 有限元模型

1.1 地脚螺栓加固方案

地脚螺栓加固方案工程中通常采用新增辅助地脚螺栓来弥补原地脚螺栓锚固强度不足的缺陷。新增设的地脚螺栓一般设置在原来基础主柱外围，并锚固在增大截面后的新增主柱里面。

在原塔脚板的外侧增设L型与原底板同厚度的底板。为使新旧地脚螺栓同时受力，设置Q345−30加劲肋压住原底板，该加劲肋一端焊接在新底板上，另一端压住原底板。为保证L型底板与原塔脚板底板能够顺利拼装且紧密连接，需视间隙大小而在加劲肋下塞入匹配的垫片。原塔脚板、新增L型底板及新增加劲肋如图1所示。

图1 原塔脚板、新增L型底板及新增加劲肋

本文设计3种地脚螺栓加固方案。方案一设置两块L型底板及4根地脚螺栓，方案二设置两块L型底板及6根地脚螺栓，方案三设置一块L型底板及两根地脚螺栓，不同方案的加固方式如图2所示。

图2 地脚螺栓加固方案

1.2 有限元模型

利用有限元软件ABAQUS进行数值分析，基础采用的混凝土和主柱钢筋设置为嵌固，形成阶梯模型[2−4]。阶梯基础有限元参数如表1所示。

表1 阶梯基础有限元参数

地脚螺栓采用四面体单元，基础与地脚螺栓接触部分采用四面体单元，其余部分采用六面体单元，塔脚板采用六面体单元，地脚螺栓和基础采用tie绑定方式，荷载通过耦合点施加到靴板上。

进行有限元分析时忽略焊接质量及焊接残余应力对加劲肋与新增L型底板连接的影响[5−6]。地脚螺栓加固方案的有限元模型如图3所示。

图3 地脚螺栓加固方案的有限元模型

2 地脚螺栓及塔脚板加固有限元分析

原基础塔脚板承受1200 kN的上拔荷载时未发生破坏，地脚螺栓发生颈缩破坏，需要对地脚螺栓进行加固，对加固后的有限元模型施加上拔荷载，上拔荷载从1000 kN开始施加，每荷载步增加100 kN，施加到1700 kN结束。

2.1 地脚螺栓加固方案一

采用方案一加固后，上拔荷载为1600 kN及1700 kN时塔脚板及新增L型底板的受力、位移及塑性变形云图如图4所示。

图4 加固方案一塔脚板的有限元分析云图

加固后，新增的L型底板与原基础协同受力作用良好，原塔脚板受力较大的位置与加固前相同，是靴板的短肢处。加固后塔脚板的竖向位移减小明显，1700 kN时最大竖向位移为2.1 mm，远小于加固前1200 kN时的5.8 mm，位移较大的位置与受力较大的位置一致。荷载从1600 kN增加到1700 kN时靴板短肢处与底板接触位置的塑性变形区域明显扩大，短肢处靴板应力达到材料的屈服强度345 MPa。

上拔荷载为1600 kN及1700 kN时地脚螺栓的受力、位移及塑性变形云图如图5所示。

图5 加固方案一地脚螺栓的有限元分析云图

加固后，新增的螺栓与原基础螺栓协同受力作用良好，原地脚螺栓受力较大的位置与加固前相同，均为板的短肢夹角处的地脚螺栓。加固后地脚螺栓的竖向位移明显减小，1 700 kN时最大竖向位移为1.7 mm，远小于加固前1 200 kN时的5.5 mm，位移较大的地脚螺栓与受力较大的螺栓一致。荷载为1 600 kN时受力最大的原地脚螺栓开始出现颈缩屈服现象，荷载增加到1 700 kN时新增地脚螺栓与另外两根原地脚螺栓发生颈缩屈服现象。

2.2 地脚螺栓加固方案二

采用方案二加固后，塔脚板的竖向位移明显减小，1700 kN时最大竖向位移为1.7 mm，小于方案一的2.1 mm，位移较大的位置与方案一相同。

加固后地脚螺栓的竖向位移明显减小，1 700 kN时最大竖向位移为1.4 mm，小于方案一的1.7 mm，位移较大的地脚螺栓与方案一的螺栓相同。荷载为1 600 kN时受力最大的原地脚螺栓开始出现颈缩屈服现象，荷载增加到1 700 kN时部分新增地脚螺栓与另外两根原地脚螺栓发生颈缩屈服现象。

相比方案一，方案二增加了两根地脚螺栓，竖向位移进一步减小，但是新增的地脚螺栓受力不大，没有出现颈缩屈服的现象，地脚螺栓的承载力没有明显变化。

2.3 地脚螺栓加固方案三

采用方案三加固后，上拔荷载为1 700 kN时模型未有明显屈服现象，分析上拔荷载为1 500 kN及1 600 kN时塔脚板及新增L型底板的受力、位移及塑性变形云图，塔脚板的竖向位移明显减小，1 600 kN时最大竖向位移为1.6 mm，与方案一1 600 kN时的最大竖向位移基本一致，位移较大的位置与方案一相同。荷载从1 500 kN增加到1 600 kN时靴板短肢处与底板接触位置的塑性变形区域明显扩大，短肢处靴板应力达到材料的屈服强度345 MPa。加固后荷载为1 600 kN时地脚螺栓最大竖向位移为1.5 mm，大于方案一1 600 kN时的最大竖向位移1.3 mm，位移较大的地脚螺栓与方案一相同。荷载为1 500 kN时受力最大的原地脚螺栓开始出现颈缩屈服现象，荷载增加到1 600 kN时部分新增地脚螺栓与另外两根原地脚螺栓发生颈缩屈服现象。

通过分析，方案三在承载力和竖向位移与前两种方案相差不大的情况下，只采用了一块L型底板和两根地脚螺栓，节约材料且施工方便。本文所述工程建议采用第三种加固方案。

3 结语

地脚螺栓加固后上拔承载力有较大提升，加固后的破坏形式表现为靴板屈曲、地脚螺栓颈缩屈服。实际输电线路工程中，基础形式多样，本文所提出的加固方案及模拟结果都是针对浅基础进行的。此外，仍要进行大量现场试验和实测数据来完善输电铁塔基础加固的相关技术。