一种杆塔刚性基础的优化设计方法

摘要

一种杆塔刚性基础的优化设计方法，在新配方的矿物掺合料混凝土的力学性能的基础上，按照现有有限元分析方法，计算杆塔基础及周围土体的应力分布；采用本发明提供的矿物掺合料混凝土力学参数及输电线路杆塔基础优化设计方法，在上拔力作用工况下进行土体抗剪承载力验算与基础抗剪承载力验算；在下压力工况下进行基础底面抗拉承载力验算与基础抗剪承载力验算；在基础混凝土用量最少的条件下确定基础最优刚性角。本发明方法能综合考虑多工况下基础的安全性，提出一种简单易行的杆塔刚性基础的优化设计方法，通过优化基础刚性角节省了杆塔基础混凝土用量。

说明书

技术领域

本发明属于电力工程施工技术领域，特别涉及一种杆塔刚性基础的优化设计方法。

背景技术

输电线路的杆塔基础（英文名称foundation）是指埋设在地下，与杆塔底部连接，稳定承受所作用荷载的一种结构。

输电线路的杆塔基础在设计和施工环节与一般的建筑、桥梁等结构相比具有自身的特点。就设计环节而言，上拔载荷经常是各种输电线路杆塔基础设计的控制条件，而对建筑物和桥梁来说，上拔力却是相对次要的因素；施工环节中，由于一条线路上可能使用许多基本相同的杆塔，但它们的基础则因土质不同而不同，由于输电线路杆塔基础所在的地质勘测无论在精度上和详细程度上都无法跟建筑和桥梁相比，这就给施工环节和后续的运行带来诸多的不安全因素。因此，电力工业的杆塔基础应该具有其独特的分析和设计方法，才能保证线路建设的经济性，线路运行的稳定性和安全性。

杆塔基础根据杆塔类型、地形、地质及施工条件的不同，一般采用以下几种类型：

(1)、现场浇制的混凝土和钢筋混凝土基础：适用在施工季节砂石和劳动力条件较好的情况下。

(2)、预制钢筋混凝土基础：这种基础适合于缺少砂石、水源的塔位或者需要在冬季施工而不宜在现场浇制基础时采用。预制钢筋混凝土基础的单件重量要适应于至塔位的运输条件，因此预制基础的部件大小和组合方式有所不同。

(3)、金属基础：这种基础适合于高山地区交通运输条件极为困难的塔位。

(4)、灌注桩式基础：灌注桩式基础可分为等径灌注桩和扩底短桩两种。当塔位处于河滩时，考虑到河床冲刷及防止漂浮物对铁塔影响，常采用等径灌注桩深埋基础。扩底短桩基础最适用于粘性土或其他坚实土壤的塔位。

然而，针对钢筋混凝土材料的杆塔基础的设计和施工方法在一般的基础工程教科书中都只是顺带一提，并无法满足实际工程的需求。由基础设计规范中给出的承载能力计算经验公式计算得到结果不够准确，且过于保守，虽然在绝大部分工程中保证了安全性，但是造成了资源的浪费。

因此，现有的杆塔基础的设计亟需进一步优化。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种简单、易行、准确、安全可靠、节省混凝土用量的杆塔刚性基础的优化设计方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种杆塔刚性基础的优化设计方法，具体包括以下步骤，

（1）、在新配方的矿物掺合料混凝土的力学性能的基础上，对所建立的刚性基础及周围土体的有限元模型分别定义材料属性并施加边界条件后进行静力分析，得到刚性基础及周围土体的应力分布；

（2）、对步骤（1）的分析结果进行安全性评判：在上拔力工况下进行土体抗剪承载力验算与基础抗剪承载力验算；在下压力工况下进行基础底面抗拉承载力验算与基础抗剪承载力验算；

（3）、在基础混凝土用量最少条件下确定基础的最优刚性角：若满足步骤（2）中所有的评判准则，则调整基础刚性角，直到刚好不满足步骤（2）中的部分或全部评判准则；若部分或全部不满足评判准则，则调整基础刚性角，直到刚好满足步骤（2）中的全部评判准则，此时基础的刚性角则为杆塔基础的最优刚性角。

所述步骤（1）中刚性基础及周围土体的有限元建模与静力分析软件选用ANSYS、PATRAN/NASTRAN或ABAQUS。

所述的安全性评判准则包括在上拔力工况下土体抗剪承载力与基础抗剪承载力评判准则以及在下压力工况下基础底面抗拉承载力与基础抗剪承载力评判准则。

对于土体抗剪承载力与基础抗剪承载力的验算，包括以下步骤：

①、由有限元静力分析可得土体最大主应力与最小主应力；

②、由最大主应力与最小主应力计算土体等效剪应力，并由等效剪应力确定土体发生剪切破坏的危险区域；

由最大主应力、最小主应力以及壤摩擦角以及粘聚力c可得等效剪应力为：

土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力，是土的重要力学性质之一；地基在外荷载作用下将产生剪应力和剪切变形，土具有抵抗这种剪应力的能力，并随剪应力的增加而增大，当这种剪阻力达到某一极限值时，土体就要发生剪切破坏，这个极限值就是土的抗剪强度；

式中，为土的抗剪强度，为剪切滑动面上的法向应力，为土的粘聚力，为土的内摩擦角；

通过比较剪切面上的等效剪切应力与相应面上的抗剪强度来确定土体是否破坏；根据莫尔-库伦准则，若土体会发生剪切破坏，若土体处于极限平衡状态，若土体不会发生剪切破坏。

对于基础底面抗拉承载力与基础抗剪承载力的验算，采用与混凝土抗剪与抗拉强度设计值进行比较，若小于该强度设计值，则说明该工况下满足基础的抗剪与抗拉承载力设计要求，反之，若大于该强度设计值，则说明该工况下不满足基础的抗剪与抗拉承载力设计要求。

采用上述技术方案，本发明的有益效果为：

1、本发明利用新配方的矿物掺合料混凝土的力学性能，综合考虑多工况下基础及周围土体的安全性，是一种简单、易行、准确的刚性基础优化方法，具有重要的工程应用价值；

2、本发明在保证基础安全性的同时节省混凝土用量，具有很好的经济效益。

附图说明

图1是本发明中安全性评判流程图。

具体实施方式

本发明的一种杆塔刚性基础的优化设计方法，具体包括以下步骤：

（1）、在新配方的矿物掺合料混凝土的力学性能的基础上，对所建立的刚性基础及周围土体的有限元模型分别定义材料属性并施加边界条件后进行静力分析，得到刚性基础及周围土体的应力分布；

步骤（1）中刚性基础及周围土体的有限元建模与静力分析软件选用ANSYS、PATRAN/NASTRAN或ABAQUS。这些软件均为均为市售产品。

（2）、如图1所示，对步骤（1）的分析结果进行安全性评判：在上拔力工况下进行土体抗剪承载力验算与基础抗剪承载力验算；在下压力工况下进行基础底面抗拉承载力验算与基础抗剪承载力验算；验算结果如表1所示；

安全性评判准则包括在上拔力工况下土体抗剪承载力与基础抗剪承载力评判准则以及在下压力工况下基础底面抗拉承载力与基础抗剪承载力评判准则。

对于土体抗剪承载力与基础抗剪承载力的验算，包括以下步骤：

①、由有限元静力分析可得土体最大主应力与最小主应力；

②、由最大主应力与最小主应力计算土体等效剪应力，并由等效剪应力确定土体发生剪切破坏的危险区域；

由最大主应力、最小主应力以及壤摩擦角以及粘聚力c可得等效剪应力为：

土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力，是土的重要力学性质之一；地基在外荷载作用下将产生剪应力和剪切变形，土具有抵抗这种剪应力的能力，并随剪应力的增加而增大，当这种剪阻力达到某一极限值时，土体就要发生剪切破坏，这个极限值就是土的抗剪强度；

式中，为土的抗剪强度，为剪切滑动面上的法向应力，为土的粘聚力，为土的内摩擦角；

通过比较剪切面上的等效剪切应力与相应面上的抗剪强度来确定土体是否破坏；根据莫尔-库伦准则，若土体会发生剪切破坏（>0，土体破坏），若土体处于极限平衡状态（=0，极限平衡），若土体不会发生剪切破坏（<0，土体安全）。

对于基础底面抗拉承载力与基础抗剪承载力的验算，采用与混凝土抗剪与抗拉强度设计值进行比较，若小于该强度设计值，则说明该工况下满足基础的抗剪与抗拉承载力设计要求，反之，若大于该强度设计值，则说明该工况下不满足基础的抗剪与抗拉承载力设计要求。

（3）、在基础混凝土用量最少条件下确定基础的最优刚性角：若满足步骤（2）中所有的评判准则，则调整基础刚性角，直到刚好不满足步骤（2）中的部分或全部评判准则；若部分或全部不满足评判准则，则调整基础刚性角，直到刚好满足步骤（2）中的全部评判准则，此时基础的刚性角则为杆塔基础的最优刚性角。

本实施例不失一般性，在本例中仅采用基础底面积与埋深不变，通过改变基础高度的方法来改变刚性角。

由表1可知，采用本发明的优化方法对该基础进行优化后，基础刚性角由45°增加到55°，且优化后基础可节省20.8%的混凝土用量。

表1 各优化方案的承载力以及混凝土节省量对比

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。