铁塔基础计算与优化.docx

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铁塔基础计算与优化

浅谈铁塔基础的计算与优化

丛日立赤峰华辰电力勘察设计院

【摘要】　在普通地质条件下，就台阶式铁塔基础采用深埋与浅埋基础进行计算，比较后选优；在复杂地质条件下，就台阶式和正方形两种不同形式基础进行计算，对设计的方式进行优化比较，提出了自己的观点，供参考。

【关键词】　铁塔基础　承载力深埋与浅埋地下水　台阶式基础正方形基础优化设计

铁塔基础在输电线路工程中的设计是重中之重，它均需同时满足上拔和下压的基本要求，还必须进行稳定和剪切验算及构造和配筋要求。

计算过程相对复杂，随着计算软件的开发和利用，烦琐的计算已变的程序化，但同时也产生计算的优化控制问题，计算机只会按照指定的程序运行，实际工程中地质情况复杂多变，软件的智能化远远不能满足实际的需要，这就需要设计人员合理的控制与优化。

下面就普通地质条件和复杂地质条件两个方面的优化计算进行探讨和分析。

一、在普通地质条件下，台阶式铁塔基础的深埋与浅埋

无论直线塔还是转角塔，从受压基础或者说基础受压的角度来讲，一方面线路铁塔的压力值相对地基的承载力来讲，比较容易满足承压要求，另一方面满足受拉要求的基础只要构造合理大都能满足受压要求，进一步讲转角塔的受压腿的上拔力都非常小，角度越大上拔力就越小，设计时只是考虑一下持力层和冻土层的深度影响，基础也很小，因而在此不做详述。

而受拉基础的大小深浅对整个基础起着控制作用，鉴于受拉基础的下压力较小，计算时验算一下即可，所以本文着重从基础的上拔角度进行详述，基础上拔时要求基础自重与基础上拔时带出的土体重量之和，必须大于或等于设计值，即满足基础的抗拔稳定的要求，公式如下：

N≤G/γR1+G0/γR2

式中：

N－基础上拔力标准值（kN）；

G－采用土重法计算时，为倒截锥体的土体重力标准值，采用剪切法计算时，为土体滑动面上土剪切抗力的竖向分量与土体重力之和（kN）；

G0－基础自重力标准值（kN）；

γR1－土重上拔稳定系数，按现行规范的规定采用；

γR2－基础自重上拔稳定系数，按现行规范的规定采用。

在受压时，要求轴向压力与基础水平推力产生的基地应力之和，必须小于或等于地基的需可承压力，基础底面压应力的计算，应符合下列公式的要求：

P≤f

式中：

P－作用于基础底面处的平均应压力标准值（N/m2）

f－地基承载力设计值，应按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》（GBJ7－89）的规定采用。

当偏心荷载作用时，除符合式上式要求外，尚应符合下列要求：

Pmax≤1.2f

式中：

Pmax－作用于基础底面边缘的最大压应力标准值（N/m2）。

下面以鼓型铁塔7718（18m）基础为例，在普通地质条件下（无地下水），以埋深为主控制条件，皆在刚好满足上拔力的条件下进行计算，讨论采用深埋与浅埋的优化设计结论。

1、设计条件（土重法）

A、控制气象条件如下：

气象条件

项目

温度

（℃）

风速

（m/s）

冰厚

（mm）

最低气温

-40

0

0

最大风速

-5

30

0

覆冰

-5

10

10

B、塔型：

7718（18m），使用导线LGJ-240/40,安全系数2.75，避雷线GJ-50,安全系数3.75,转角60°，根开5032m，经计算拉腿（仅考虑拉腿）标准值（单位：

kN）。

上拔力:

T=393.6，上拔力时X方向水平力:

Tx=47.6，上拔力时Y方向水平力:

Ty=2.2。

下压力:

N=89.2，下压力时X方向水平力:

Nx=10.0，下压力时Y方向水平力:

Ny=21.6。

C、地质参数:

土层数:

2第1层：

土壤类型:

回填土，土层厚:

0.5m，土壤的计算容重:

15.0kN/m3，土壤的计算浮容重:

10.0kN/m3，地基承载力标准值:

100.0kN/m2，土壤的计算上拔角:

15.0度。

第2层：

土壤类型:

粉土，土层厚:

5.0m，土壤的计算容重:

17.0kN/m3，土壤的计算浮容重:

10.0kN/m3，地基承载力标准值:

170.0kN/m2，土壤的计算上拔角:

25.0度。

混凝土的容重:

22.0kN/m3，钢筋混凝土的容重:

24.0kN/m3。

2、埋深3.2米的基础

采用台阶式基础（见图1）：

图1

⑴、上拔稳定计算:

上拔稳定设计系数:

γR1=2.5γR2=1.5

TA＜[T]（393.6kN＜399.655kN）

设计满足要求。

⑵、下压稳定计算:

P＜f（70.68kN/m2＜210.8kN/m2）

Pmax＜1.2*f（99.18kN/m2＜252.96kN/m2）设计满足要求。

单拉腿钢筋混凝土的体积：

Vt=7.26m3

单基钢筋混凝土的体积：

Vf=7.26×4=29.04m3（假设四腿等大）。

经配筋计算基础钢筋总重量：

1070（kg）。

3、埋深2.85米的基础

采用台阶式基础（见图2）：

图2

⑴、上拔稳定计算:

上拔稳定设计系数:

γR1=2.5γR2=1.5

TA<[T]（393.6kN<394.152kN）设计满足要求。

⑵、下压稳定计算:

P

Pmax<1.2*R（76.7kN/m2<234.15kN/m2）设计满足要求。

单拉腿钢筋混凝土的体积：

Vt=9.74m3

单基钢筋混凝土的体积：

Vf=9.74×4=38.96m3（假设四腿等大）。

经配筋计算基础钢筋总重量：

984（kg）。

4、埋深2.45米的基础

采用深埋台阶式基础（见图3）：

图3

⑴、上拔稳定计算:

上拔稳定设计系数:

γR1=2.5γR2=1.5

TA<[T]（393.6kN<397.81kN）

设计满足要求。

⑵、下压稳定计算:

P

Pmax<1.2*R（64.77kN/m2<221.77kN/m2）

设计满足要求。

单拉腿钢筋混凝土的体积：

Vt=13.47m3

单基钢筋混凝土的体积：

Vf=13.47×4=53.88m3（假设四腿等大）。

经配筋计算基础钢筋总重量：

698（kg）。

5、对比分析

表1　铁塔基础计算结果一览表

名　称

基础上拔抵抗力/kN

需用混凝土/m3

需用钢筋/kg

底面宽度/m

需挖深度/m

需挖土石方量/m3

图1

399.655

29.04

1070

2.8

3.20

25.1

图2

394.152

38.96

984

3.3

2.85

31.0

图3

397.81

53.88

698

3.6

2.45

31.8

通过以上几种不同埋深的基础计算对比可以得出：

⑴、在普通土质且基础上拔力基本相同的请况下，随着基础埋深的减小，混凝土的用量明显增多，由于送电线路地处偏远的特点，混凝土量增多，也就会引起水泥、沙石和水的运输增多等一系列问题，这里虽然钢筋用量逐渐减小，但减量不明显，需挖土石方量在不考虑放坡的情况下也有增多的趋势，基础底面逐渐增大，送电线路工程多在野外或山区，大面积的开挖和大量的堆积土石方，势必增加植被破坏和水土流失，对环境将造成更大的破坏，在环境保护日益受到人们关注的今天，这一点更应该引起我们的重视。

综合考虑，深度在可行的范围内，深基础比浅基础经济。

⑵、通过以上计算与分析，我们不难看出，对于正方形基础的不同埋深情况跟台阶式基础相同，这里就不在赘述。

二、在复杂地质条件下，台阶式基础和正方形基础的优化

以鼓型铁塔7735（18m）基础为例，在有地下水的地段，采用台阶与正方形基础设计的方式，分别按照深埋与浅埋两种方式进行计算，得出的基础从深度、混凝土用量、钢筋用量方面进行比较，得到优化后的基础设计。

1、设计条件（土重法）

使用导线LGJ-150/25，地线GJ-35，转角60°，上拔力327.95kN，下压力377.35kN，垂线40.1kN，根开4.9m。

有地下水，水深-1.5m，基础钢筋混凝土的容重按14kN/m3计算，地基土的浮容重按10kN/m3计算。

2、　采用深埋正方形基础（见图4）：

图4　深埋正方形基础（水）

单腿钢筋混凝土的体积：

Vt=0.8×0.8×3.8+2.6×2.6×0.5=5.81m3

单基钢筋混凝土的体积：

Vf=5.81×4=23.24m3（假设拉、压腿同体积）

单腿钢筋混凝土重（1.5m以下按含水层计算）：

Qf=1.088×22+（1.344+3.38）×14=90.08kN

铁塔的上拔力：

T=344.33kN≥327.95kN（满足上拔要求；经验算，也满足下压要求）

单基共需钢筋：

G钢=1188.87kg

3、　采用浅埋正方形基础（见图5）：

图5　浅埋正方形基础（水）

单腿钢筋混凝土的体积：

Vt=2×2×2.5+3×3×0.7=16.3m

单基钢筋混凝土的体积：

Vf=16.3×4=65.2m3（假设拉、压腿同体积）

单腿钢筋混凝土重力（1.5m以下按含水层计算）：

Qf=2×2×1.7+3×3×0.5=203.6kN

铁塔的上拔力：

T=329kN≥327.95kN（满足上拔要求；经验算，同时满足下压的要求）

单基需用钢筋：

G钢=1210.50kg

4、采用深埋台阶形基础（见图6）。

图6　深埋台阶形基础（水）

单腿钢筋混凝土的体积：

Vt=11.33m3

单基钢筋混凝土的体积：

Vf=45.32m3

T=344.43kN≥327.95kN（满足上拔要求）

单基共需钢筋：

G钢=896.84kg

5、采用浅埋台阶形基础（见图7）。

图7　浅埋台阶形基础（水）

单腿钢筋混凝土的体积：

Vt=15.86m3

单基钢筋混凝土的体积：

Vf=63.44m3

T=332.246kN≥327.95kN（满足上拔要求）

单基共需钢筋：

G钢=476kg

6、以上几种计算方法结果对比，见表2。

表2　铁塔基础计算结果一览表

名　称

基础形式

需用混凝土/m3

需用钢筋/kg

底面宽度/m

需挖深度/m

图4

深埋正方形

23.24

1188.87

2.6

4.3

图5

浅埋正方形

65.24

1210.50

3.3

3.2

图5

深埋台阶形

45.32

896.84

3.0

3.7

图6

浅埋台阶形

63.44

476

4.0

2.4

通过以上几种计算方法对比可以看出：

⑴、采用深埋正方形基础最节省混凝土，不节省钢筋，制模简单，需挖深度最深，较节省投资。

⑵、采用浅埋正方形基础，混凝土用量是深埋正方形基础的一倍左右，不节省钢筋，同等条件下不如浅埋台阶式基础，也不节省投资，所以不可取。

⑶、采用深埋台阶形基础跟深埋正方形基础各有利避，混凝土较多，制模较复杂，但节省钢筋，较节省投资。

⑷、采用浅埋台阶形基础最节省钢筋，需挖深度最浅，混凝土较多，制模较复杂，它适应于基础较难挖和地下水较高的地段，不节省投资。

如流沙地质情况下，基础埋深每增加一公分，都会对施工带来相当大的困难，挖方随着深度的增加成倍的增加，有些特殊情况下，不采取有效的施工方案根本就挖不下去，这种情况下势必要求把基础做的浅之又浅。

三、结语

在无地下水的地段同形式基础宜采用深埋式基础，就深埋正方形基础和深埋台阶形基础而言，由于正方形基础底面大直接连与主柱之上，属柔性基础，所以底板需配钢筋网进行加强，造成钢筋用量大，但混凝土用量却大为减少，而台阶式基础的自身构造使其成为一个整体，属刚性基础，底面无需配筋，较节约钢筋，但混凝土量有所增加，两者各有利弊，可根据实际请况做相应得选择。

在有地下水和较难挖的地带宜采用浅埋台阶式基础，具体情况具体对待。

【参考文献】：

1.GB50061-97,66kV及以下架空电力线路设计规范

2.DL/T5092-1999,110Kv~500kV架空电力线路设计技术规程

3.电力工程高压送电线路设计手册