《大跨越输电塔钢管混凝土插入式塔腿结构设计与优化研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大跨越输电塔钢管混凝土插入式塔腿结构设计与优化研究（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 大跨越输电塔钢管混凝土插入式塔腿结构设计与优化研究 张树林，王静峰，程安乐，徐智东，孟宪乔 （.中国能源建设集团安徽省电力设计院有限公司，安徽 合肥 3060；.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 30009）0 引言近年来，随着电网的发展，长距离的特高压输电线路不断增加。在架设线路的过程中偶尔会出现跨越江河湖泊的情况，因此大跨越输电塔得到了越来越多的应用1。但随着跨越档距越来越大，输电塔的高度也在不断攀升，导致铁塔所受外荷载显著提升，为柱脚节点的设计优化带来了新的考验。插入式柱脚不但能承受柱的轴力和柱端的剪力，而且还能承受柱端弯距，抗震性能良好。同时，钢管混凝土构件因其便捷的施工
2、工艺、优异的承载性能和良好的抗震性能2，往往作为主要的承力构件或重要节点出现在高层建筑、重载桥梁和大跨结构中。因此目前钢管混凝土插入式柱脚节点在工程实际中应用较为广泛，部分学者也开展了相关研究。王金等3和张建伟等4分别对不同埋深和不同配筋基础的插入式钢管柱脚进行了锚固试验研究，明晰了不同埋深和配筋对基础锚固承载力和延性性能的影响。黄庆辉等5针对插入式节点影响基础钢筋布置的缺点，提出了一种新型的节点形式，即用锚栓连接钢管混凝土柱与基础，进行了低周反复荷载试验，验证了节点的安全性能。徐永基等6对钢管混凝土柱外包式柱脚节点进行了试验研究及理论分析，通过两个钢管混凝土外包柱脚节点的低周反复载荷试验，初
3、步揭示了其传力机理，提出了相关的构造措施。然而，现有关于插入式钢管混凝土柱脚的研究主要集中在高层建筑和工业厂房中，针对大跨越钢管塔架结构中的大型插入式塔腿的研究仍较为罕见。因此，本文基于白浙线800kV 直流与500kV 交流同塔大跨越输电塔设计方案，建立了精细化的有限元模型，研究轴压荷载下钢管与混凝土的内力分布，以及不同构造对基础构件协同工作的影响，最后提出了相应的设计参考。1 工程概况白鹤滩-浙江800kV 特高压直流输电工程起于四川省凉山州的布拖换流站，途经四川省、重庆市、湖北省、安徽省、浙江省，落点为浙江省杭州市的余杭区梅家河换流站。规模为新建单回双极800kV特高压直流输电线路，推荐
4、方案线路长度约2140.2km（含大跨越）。本大跨越工程直线跨越塔采用钢管混凝土塔，主管中灌注混凝土，拟定混凝土灌注高达155m，杆塔总高度347m，跨越档距达2354m，杆塔塔高和负荷位居特高压输电线路杆塔之首，也是钢管混凝土结构在特高压工程中的首次应用。该大跨越工程塔腿采用钢管混凝土构件与基础可采用插入式连接，插入钢管内应浇筑混凝土，并沿插入钢管管身纵向设置锚固环板、锚固环板宜加劲，插入钢管底部可设置端板。具体布置如图1所示。图1 设置加劲焊接锚固环板的插入钢管结构简图2 有限元模型建立为深入研究钢管混凝土插入式塔腿受力机理，本节基于实际工程设计方案建立了精细化的有限元分析模型，具体材料和
5、几何参数如下。2.1 材料本构钢材及钢筋的本构均采用双折线模型。假设钢材及钢筋在受压受拉时的本构关系相同，能够较好模拟其实际的材料特性。混凝土采用塑性损伤本构进行模拟7。式中：x=/0、y=/fc、=Asfy/(Acfc)，和 分别表示核心混凝土的应力和应变；fc为混凝土圆柱体轴心抗压强度，fc=0.79fcu,k；0=c+8000.210-6，c表示混凝土峰值应变； 为钢管的约束效应系数，c=(1300+12.5fc)10-6，值取2。2.2 几何模型该塔腿模型主要由钢管、管内混凝土、混凝土基础模型、钢筋网和锚固墩等部分组成，其中钢管及锚固板采用壳单元，钢筋网采用梁单元进行模拟，混凝土基础、
6、管内混凝土和锚固墩采用实体单元进行建模。钢管、锚固板和加劲肋采用布尔运算组合为一个构件；钢筋网内置于混凝土基础中；钢管与混凝土间采用“面面接触”；桩底约束所有方向自由度以模拟插入式的固接约束，轴向荷载通过耦合点加载到基础顶面，模型示意如图2所示。图2 塔腿基础模型示意3 数值分析3.1 锚固内环板为研究轴压荷载下，基础的传力路径、荷载分配方式以及不同构造下对基础构件协同工作的影响，分别建立了无内部锚固环板和带内部锚固环板插入式塔腿模型。采用集中荷载的形式逐级施加在基础顶面，无内环板模型荷载自10000kN 逐级增至40000kN，带内部锚固环板模型荷载自10000kN 逐级增至150000kN
7、。有限元计算结果如表1 和图3所示。表1 塔腿荷载分配图3 轴压力荷载下基础内力分布计算结果表明，与无内环板钢管混凝土插入式塔腿相比，带内环板模型的混凝土承担荷载占比最大由25.75%提升至61.50%，提幅度达240%。同时，随着带内环板钢管混凝土插入式塔腿所受荷载由10000kN 提升至150000kN 后，混凝土所占荷载比重由61.50%提升至64.70%。可见，在内环板的作用下钢管与混凝土的粘结作用明显提升，进而增强了钢管混凝土的协同作用，使得钢管内混凝土受压性能充分发挥，混凝土所占荷载比重不断攀升。这是因为，由于外包混凝土及钢管外锚板的存在，钢管伸入混凝土段与混凝土协同变形，刚度激增
8、，伸出段的有效长度降低，而由于管内未布置内锚板，混凝土与钢管的粘结力在长期荷载下水平较低，钢管与混凝土的相互作用水平低导致了混凝土的有限长度低，刚度较小，共同作用下承担的荷载较低。因此，内环板的构造可以有效改善内部混凝土的受力状态，同时有效的避免由于外环板的存在导致钢管刚度增大而产生的应力集中问题。3.2 锚固比为进一步探究钢管混凝土插入柱脚节点钢管与管内混凝土的相互作用机理，本节开展了大量的参数分析，通过改变锚固方式来控制第一锚固板与顶面的距离，利用这种方法设计了九个构件，控制锚固长度。A 组为内部钢管的锚固板减少，外部锚固板不变，设计了A01A0 5 五个构件，锚固比从1:1 至1:5。B
9、 组为外部钢管的锚固板减少，内部锚固板不变。设计了B01B04 四个构件，锚固比从1:1至4:1，具体参数如表2所示。表2 参数分析的构件设计图4 绘制了不同试件在各级荷载状态下的内力分布结果，计算结果表明：图4 各构件轴压力荷载下基础内力分布随着内部锚固环板的锚固长度由1.1m 增加到2.2m、3.3m、4.4m 和5.5m，核心混凝土所受荷载占比由60%左右分别降低到50%、45%、39%和37%左右，下降幅度分别为16%、25%、35%和38%。可见，钢管内部锚固板对内力的分布结果有较大的影响，随着内部锚固环板距离的增加，内部混凝土受力不断减少，这是由于缺少了内部钢管锚固板的作用，核心混
10、凝土所受约束效应较弱，轴向的线性刚度降低，分配的轴力随之降低；当外部锚固环板的锚固长度由1.1m 分别提升至2.2m、3.3m 和4.4m后，核心混凝土所受荷载占比仍保持在65%附近，波动范围较小。可见，外部锚固环板的锚固长度不会影响钢管与混凝土的内力分布，这是由于所研究的内力分布处于钢管混凝土柱脚的未埋入处，当内部的相互作用被保证，外部锚固长度的提高不会影响锚固上部的内力分配。4 结论本文根据白鹤滩-浙江800kV 特高压输电线路池州长江大跨越输电塔柱脚设计方案，建立了精细化的钢管混凝土插入式塔腿有限元模型，明晰了锚固环板对插入式塔腿受力机理的影响规律。与无内环板钢管混凝土插入式柱脚相比，带内环板钢管混凝土柱脚内核心混凝土承担荷载占比最大由25.75%增大到64.50%，提升了2.4倍。可见，内环锚固板的存在显著改善了核心混凝土的受力性能，使插入柱脚的抗压承载力得到较大改善。外部锚固环板锚固比不变时，内部锚固板的锚固比从1 降低到1/2、1/3、1/4 和1/5 后，核心混凝土所受荷载占比分别降低了16%、25%、35%和38%。而内部锚固环板锚固比不变时，随着外部锚固环板锚固比的降低，核心混凝土所受荷载占比基本不变。可见，随着内部锚固环板间距的增大，核心混凝土所受约束效应不断减小，承载性能不断降低，而外部锚固环板间距对核心混凝土受力性能并无影响。 -全文完-
