谢子璐， 乾增珍， 牟冬辉， 张皓宇

(中国地质大学(北京)工程技术学院， 北京 100089)

输电线路杆塔钢管插入式基础是一种将输电杆塔塔腿主材直接插入基础混凝土柱体的开挖类基础，包括地面下的预制钢筋混凝土基座、插入基座中的钢管及锚固盘、连接上部结构使用的法兰和地脚螺栓等连接部件。荷载直接通过插入钢管与混凝土的黏结作用以及锚固盘和承剪连接件等部件的挤压作用传递给基础，由于混凝土基座内的钢管与塔腿方向一致，使得基础钢管基本处在单轴受压或受拉状态，水平力和弯矩很小，大大提升了基础的抗滑移和抗倾覆稳定性[1-4]。

得益于机械化、模块化施工技术的发展，钢管插入式基础在中外已经有了较广泛的应用[5-6]，很多学者也对这一基础形式开展了大量研究。高志林等[7]结合220 kV舟山与大陆联网跨越工程中螺头水道特大跨越段的工程实践，分析了特大荷载作用下钢管插入式基础的受力性能，认为插入钢管外设置锚板可有效传递基础的上拔荷载，同时调整立柱配筋也可有效控制混凝土裂缝开展范围；Qian等[8]通过32组钢管插入式基础的上拔现场试验，确定出钢管插入式基础在承受上拔荷载时的荷载-位移曲线可分为初始直线段、曲线段和最终直线段三部分，并通过正交试验法，得出影响钢管插入式基础抗拔承载力最主要的因素是钢管截面形式，纵筋配筋率和混凝土强度次之；童瑞铭等[9]针对输电线路杆塔钢管插入式基础柱体结构设计方法与参数取值不明确的问题，开展了现场真型试验，提出了基础配骨率和位置系数的合理取值；张波[10]通过3组共12个插入式钢管基础构件的拉、压加载试验研究，提出该基础的破坏形式可分为插入主材钢管屈服、插入主材钢管被拔出、承压板、锚材等锚固件破坏、基身混凝土破坏和地基隆起剪切破坏五种类型，并对基础施工提出了一些建议。近年来对于输电线路杆塔基础的研究，主要集中于嵌岩桩等直柱式桩基础的受力性能[11]以及特殊地质地貌的基础安全性[12-13]，对于钢管插入式基础在上拔工况下的受力性能研究较为少见，且鲜见有针对锚固盘应力分布的研究。此外，对于受力性能较为优越的三角形截面锚固盘也缺少针对性研究。

基于此，现针对一种新型三角锚固盘钢管插入式基础，利用数值模拟软件建立力学计算模型，并进行抗拔承载性能分析，改变锚固盘尺寸、混凝土强度、钢管截面尺寸以及混凝土柱尺寸，分析各参数对基础抗拔承载性能、初始刚度和延性的影响，以期为三角锚固盘钢管插入式基础的设计和验算提供参考。

1 计算模型建立与验证

1.1 试件设计

如图1所示，三角锚固盘钢管插入式基础由一根外径为D、壁厚为t的钢管主材、三个锚固盘、一个底盘、宽度为B的混凝土基座和钢筋组成。包含柱形的底座和矩形截面的混凝土柱，锚固盘焊接在钢管主材上，整体置于钢筋笼中，然后浇筑混凝土成型。使用截面为三角形的锚固盘代替矩形截面锚固盘，在总用钢量不变的情况下增大了锚固盘与钢管主材的接触面积，减小了接触部分的剪应力集中；同时，三角形截面更符合锚固盘在传递荷载时受到混凝土基座反作用力的剪力分布规律，能够使钢材的使用更加合理。锚固盘的尺寸由平行于钢管主材的直角边tp和垂直于钢管主材的直角边长bw控制。由于锚固盘的间距以及钢管长度在满足基本设计要求的前提下对基础整体抗拔承载能力影响不大[7]，所以将这些参数设为定值。

为研究不同参数对三角锚固盘钢管插入式基础抗拔承载能力的影响，改变锚固盘长度、混凝土强度、锚固盘厚度、钢管截面尺寸和混凝土基座尺寸，利用有限元软件建立相应模型，共建立7组共20个试件，与试件STC-1进行对比分析，各试件的详细参数如表1所示。

图1 三角锚固盘钢管插入式基础示意图Fig.1 Schematic diagram of triangle anchor plate plug-in steel tube concret basis

表1 各试件详细参数

1.2 材料模型

混凝土材料使用多线性等向强化模型，参考文献[14]中的式(1)～式(5)计算应力-应变曲线，不考虑曲线下降段。

σ=(1-dc)Ecε

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：σ为混凝土应力；ε为混凝土应变；dc为混凝土单轴受压损伤演化系数；ρc为混凝土受压应力比值；x为当前混凝土应变与压应变峰值的比值；n为混凝土损伤系数；Ec为混凝土弹性模量；fc,r为混凝土单轴抗压强度；εc,r为fc,r对应的峰值压应变。

钢管主材、锚固盘和钢筋均参考文献[15]的建议使用多线性随动强化模型，本构关系如图2所示。

fy为钢材的屈服强度；εy屈服应变；εs为钢材进入强化阶段对 应的应变；fu和εu分别为钢材的极限强度和极限应变图2 钢材本构模型Fig.2 Constitutive model of steel

1.3 单元选择

混凝土部分采用SOLID65单元，钢材部分采用SOLID185单元，钢筋采用PIPE59单元，所建立的有限元模型如图3所示。

将模型划分为规则六面体网格，在钢材和混凝土接触的部分将网格加密，使用分离法[16]建立钢筋单元，在钢管和锚固盘与混凝土的接触面之间使用CONTA173和TARGE170单元建立接触对，法向可传递接触压力，切向剪切应力达到临界值可相对滑动，摩擦因数取0.6[17]。建立单元网格图如图4所示。

1.4 边界条件及荷载施加

在模型底面施加全方向约束，在基座下半部分圆柱外表面施加径向约束，在对称面施加对称约束，在钢管顶部以25 kN每步施加共2 500 kN上拔荷载。

图3 有限元模型Fig.3 Finite element model

图4 单元网格图Fig.4 Meshing of model

1.5 计算结果验证

Qian等[8]针对矩形截面钢管插入式基础进行了32组真型试验，取31号试件按本文方法建立有限元模型进行抗拔对比分析，数值模拟和真型试验所得到的桩顶荷载-位移曲线如图5所示。由表2可知，有限元模型的抗拔承载能力略小于现场试验，二者弹性极限荷载误差为2.9%，抗拔极限荷载误差为3.2%，总体曲线吻合较好，说明所采用的数值模拟方法和有限元模型具有合理性，可以拟合实际工程。

表2 模拟结果对比Table 2 Compairson of simulation result

图5 荷载-位移曲线对比Fig.5 Comparison of load displacement curves

2 结果分析

2.1 与矩形截面锚固盘对比

STC-0和STC-1试件的用钢量、材料属性和钢管尺寸都相同，仅将锚固件截面形式由矩形改为三角形，并以相同的荷载步施加上拔荷载，二者荷载位移曲线对比如图6所示。

试件STC-1的弹性极限荷载为1 704 kN，相比于STC-0提高了13.3%。二者初始刚度相差不大， 而STC-1的延性系数明显小于STC-0。

图7为二者在弹性极限状态时4个锚固盘内壁的应力分布状态。

由图7可以观察到，在相同的上拔荷载作用下，STC-0的锚固盘内壁出现了较大的应力集中，大部分钢材已经屈服，混凝土对钢管的锚固作用减小，上拔位移增长加快，基础的荷载-位移曲线开始进入曲线段；而STC-1的锚固盘只有一小部分发生了塑性变形，绝大多数材料仍处于弹性状态，荷载-位移曲线进入曲线段的原因则是混凝土开始出现塑性变形。这说明三角形锚固盘能够很好地改善锚固盘的应力集中情况，更充分地发挥钢材的承载能力。此外，二者抗拔极限荷载相差不大，是因为上拔荷载达到2 000 kN左右时，基座混凝土已经发生破坏，失去对钢管的锚固作用，钢管被拔出。

图6 试件STC-0和STC-1荷载-位移曲线Fig.6 Load displacement curves of STC-0 and STC-1

图7 锚固盘应力分布Fig.7 Stress distribution of anchorage plate

2.2 锚固盘长度的影响

改变锚固盘长度bw，在钢管顶部施加上拔荷载，所得到的荷载-位移曲线如图8(a)所示。由图8(a)可以看出，随着锚固盘长度的增加，基础的弹性极限荷载和抗拔极限荷载都有升高的趋势。当锚固盘长度从20 mm增加至35、50、65 mm时，弹性极限荷载分别增加了15.7%、73.3%、78%，抗拔极限荷载分别增加了36.0%、86.0%、91.1%。初始刚度和延性系数都有所增大。图8(b)为不同锚固件长度试件的极限荷载变化趋势，当锚固盘长度小于50 mm时，基础承载力随锚固盘长度增加而显著提高；当锚固盘长度大于50 mm时，继续增加锚固盘长度，基础的弹性极限荷载和抗拔极限荷载的提高都十分微小。当锚固盘长度增加时，锚固盘与上部混凝土的接触面积增加，一方面可以减小接触部分的应力，使混凝土较难被压碎，另一方面也可以将荷载更好地从钢管主材传递至混凝土基座。而当锚固盘长度继续增大时，边缘部分钢材的弯矩和应力几乎为0，对荷载的传递帮助不大。

图8 不同锚固盘长度试件的荷载位移曲线与极限荷载对比Fig.8 Load displacement curves and boad comparison of specimens with different anchorage plate lengths

2.3 锚固盘厚度的影响

改变锚固盘厚度进行上拔荷载加载得到的荷载-位移曲线如图9所示。由图9可知，当锚固盘厚度从10 mm增加至20 mm时，弹性极限荷载提高了3.3%，继续增加至30 mm时，弹性极限荷载几乎没有变化。延性系数和初始刚度同样符合这种规律。结合上述对锚固盘长度的影响分析可以看出，锚固盘的尺寸存在一个最佳数值，当混凝土先于锚固盘的屈服发生破坏时，继续增加锚固盘尺寸对基础承载力的提升意义不大。

2.4 混凝土强度的影响

改变混凝土强度fcu，在钢管顶部施加上拔荷载，得到的荷载-位移曲线如图10所示。由图10可以看出，混凝土强度从C20增加至C55时，弹性极限荷载分别增加了14.7%、35.1%、55.4%和91.7%；抗拔极限荷载分别增加了22.3%、37.2%、51.8%和94.3%。

图9 不同锚固盘厚度试件荷载位移曲线与极限荷载对比Fig.9 Load displacement curves and load comparison of specimens with different anchorage plate thickness

图10 不同混凝土强度试件荷载位移曲线与极限荷载对比Fig.10 Load displacement curves and load comparison of specimens with different concret strength

随着混凝土强度的提高，试件的初始刚度也有上升的趋势，延性系数则先减小后增大。强度更高的混凝土可以承受更多来自锚固盘的荷载。当混凝土强度足够高时，如STC-11试件，荷载位移曲线表现为类似钢材受拉屈服的曲线特征，即曲线段斜率突然减小后再增加，说明这时基础的破坏主要以锚固件钢管主材的屈服为主。图11为不同混凝土强度试件的极限荷载变化趋势，可知基础的弹性极限荷载和抗拔极限荷载都随混凝土强度的增加而增加。

试件STC-18～STC-20为不同混凝土强度下矩形截面锚固盘的钢管插入式基础，与对应混凝土强度的三角形截面锚固盘基础进行对比，如图13所示，混凝土强度越高，两种截面锚固盘基础的承载力差距越大，说明在使用高强度混凝土时，三角形截面锚固盘的优势更为显著，更能充分地发挥钢材的承载能力。

2.5 钢管截面的影响

改变钢管截面面积施加上拔荷载得到的荷载-位移曲线如图13所。当钢管截面从110 mm×6 mm增加值273 mm×12 mm时，弹性极限荷载分别提高了77.1%、186.0%、和231.2%；抗拔极限荷载分别提高了65.1%、166.0%和229.8%；基础的初始刚度提高，延性系数则有所下降。增加钢管的截面面积能直接减小截面上的应力，当截面面积较小时，如试件STC-12，荷载—位移曲线和钢管屈服曲线类似，说明此时基础的破坏形式是钢管主材屈服；当截面面积较大时，如试件STC-14，荷载—位移曲线则较为光滑，说明此时基础破坏的形式是基座混凝土的破坏。

图11 不同混凝土强度试件荷载位移曲线与极限荷载比Fig.11 Load displacement curves and load comparison of specimens with different concret strength

图12 不同混凝土强度和锚固盘截面试件弹性 极限荷载对比Fig.12 Comparison of elastic load of specimens with different concrete strength and anchorage plate section

D为钢管主材外径；t为钢管主材厚度图13 不同钢管截面试件荷载-位移曲线与极限荷载比Fig.13 Load displacement curves and load comparison of specimens with different steel cube cross section

图14为不同钢管截面试件的极限荷载变化趋势，可知基础的弹性极限荷载和抗拔极限荷载都随钢管截面面积的增加而增加。当钢管截面从162 mm×7 mm增加至220 mm×10 mm时，承载力变化最大；从220 mm×10 mm增加至273 mm×12 mm时，承载力变化则最小。

图14 不同钢管截面试件荷载对比Fig.14 Load comparison of specimens with different

2.6 混凝土柱截面的影响

改变混凝土柱截面面积，在钢管顶部施加上拔荷载，得到的荷载-位移曲线如图15(a)所示。图15(b)为不同混凝土柱截面试件的极限荷载变化趋势。可知，当混凝土柱宽度从500 mm增加到700 mm时，试件的弹性极限荷载和抗拔极限荷载以及初始刚度都有所增加，但增幅相对较小，对基础承载力的影响十分有限。

2.7 不同参数构件模拟结果

所有试件的抗拔承载性能相关参数如表2所示。由表2可知，相同条件下，使用三角截面锚固盘的钢管插入式基础初始刚度总体要大于使用矩形截面锚固盘的，延性系数则较小；在合适的范围内，提高锚固件的长度可以提高基础的初始刚度和延性系数；使用高强度的混凝土可以有效提高基础的承载力，减小弹性阶段的变形，但会使塑性变形能力变差；增大钢管截面面积，基础承载力和初始刚度越高，同时会减弱基础的变形能力；在混凝土强度不高的情况下，锚固盘厚度对基础承载性能影响不大，但应保证锚固盘边界部分的屈服晚于基座混凝土的破坏，以保证锚固作用；提高混凝土柱的尺寸可以增大基础的极限承载能力，提高初始刚度，同时减小延性系数，但在不改变纵筋配筋率的情况下对基础的承载性能影响不大。

图15 不同混凝土柱截面试件荷载对比Fig.15 Load displacement curves and load comparison of specimens with different concrete column sections

表3 各试件抗拔性能参数Table 3 Pullout performance parameters of each specimen

3 结论

研究了锚固盘尺寸、混凝土强度、钢管截面、混凝土柱截面等因素对三角截面锚固盘钢管插入式基础抗拔承载性能的影响，并与矩形截面锚固盘钢管插入式基础进行对比，结论如下。

(1)采用的数值模拟方法、材料模型能够较好地模拟三角截面钢管插入式基础的抗拔受力性能。

(2)对于同等条件的钢管插入式基础，使用三角截面锚固盘能够有效提高基础抗拔承载力，尤其在使用高强度混凝土时，能够更充分地发挥钢材的承载能力。

(3)提高混凝土强度、钢管截面面积、混凝土柱截面面积均能提高基础抗拔承载力，同时也会提高初始刚度。延性系数则随混凝土强度的提高先减小后增大，随钢管截面面积的增大而减小。

(4)在一定范围内增大锚固盘长度可以增强基础的抗拔承载能力，提高初始刚度和延性系数，最佳的锚固盘长度取决于基座混凝土强度。在混凝土强度不高的情况下，锚固盘厚度对基础承载性能影响不大，但应保证锚固盘边界部分的屈服不先于基座混凝土的破坏，以保证锚固作用。