1、架空输电线路铁塔基础软件在工程设计中的应用与分析,李晋珍,2,目 录 前 言 第一讲、杆塔基础软件基础类型简介 第二讲、杆塔基础软件数据内容解析 第三讲、杆塔基础软件扩充功能构想,3,前 言,架空输电线路杆塔基础设计软件作为输电线路工程设计专业的计算机辅助软件，为线路工程设计人员开展输电线路杆塔基础工程设计，提高设计进度和质量提供了极大的方便。但它仅能在关键参数数据正确的前提下保证设计计算的正确性。并不能代替用户完成一个优秀输电线路工程的杆塔基础设计。 输电线路杆塔基础设计，应从杆塔基础的理论概念入手，将概念设计贯穿于工程设计始终。设计人员切记要做一个线路杆塔基础设计的技术工作者，而不做“规程
2、程序”的“操作手”。更不做仅会死搬硬套的“搬运工”。 输电线路杆塔基础设计的技术经济指标是否合理，通常是按单公里耗量和费用控制的，除基础本身的经济性以外，还与国家的方针政策、杆塔配置、塔位环境、运输条件、施工条件等因素有关，需根据全线情况综合设计和评价考虑。,4,前 言,杆塔基础设计成果是否正确：取决于计算简图与基础施工图是否一致；在满足地基稳定和基础强度的基础上，是否充分发挥了地基和基础的特性和承载能力。是否考虑了地基土浸水、液化、滑动、扰动、沉陷、冻胀、腐蚀等对基础的影响。 杆塔基础设计成果是否安全、可靠，与地质参数的正确性，施工质量和施工人员的素质和技术水平有关；如基土土质的不确定性、开
3、挖基坑的失误、基底的扰动程度、回填土的夯实程度等。 在架空送电线路建设中，基础耗用的材料、人工及投资约占本体工程的10%20%左右。随着环境保护日益重视，基础费用所占工程总投资的比例也随之增加。因此，熟悉掌握各类型基础设计方法和灵活应用架空输电线路杆塔基础设计软件，是线路结构设计人员的重要任务之一。,5,前 言,随着国家电网低电压多回路、特高压线路的快速发展，杆塔基础的作用力越来越大；注重环保的要求越来越高。近年来，各类型基础的研究成果逐年增加。基础的类型、计算理论和方法不断的得到补充、修改和完善；本公司杆塔基础软件按最新版输电线路杆塔基础技术规定，结合一些在工程中得到验证的基础设计经验，做了
4、升级修改，基本涵盖了当前1101000kV线路工程中已采用的基础类型。本文结合软件中的基础类型特性和输入数据或参数的含义做一些介绍；供新、老用户执行新版输电线路杆塔基础技术规定，正确应用基础软件；顺利开展工程设计参考。,6,第一讲 杆塔基础类型简介,杆塔基础特点 杆塔基础分类 常用基础类型,7,杆塔基础的特点 输电线路杆塔基础不同于一般工民建的常规基础，有其固有 的特性： 输电线路杆塔基础的地质条件线形分布，同一杆塔基础因地质条件不同而不同。地质资料勘测深度和精确性比一般工民建常规结构较低。 基础承受的荷载具有双向性，既可能受拔，也可能受压。上拔荷载经常是各种输电线路杆塔基础设计的控制条件，而
5、一,第一讲 杆塔基础类型简介,般工民建结构的基础上拔荷载却是次要的，甚至没有。 塔位大多数位于平丘、高山大岭，偏离居民区和交通要道，基础材料和施工机械要求便于运输，方便施工。 4，塔位大多数位于丘陵和山地斜坡。基础应尽量减少土体开挖，保护塔基周围生态环境和土体稳定。 基坑多为人工开挖，基坑误差大，基底土容易受到扰动。,8,第一讲 杆塔基础类型简介,杆塔基础分类 按埋置深度h或相对深度h/B：分浅基础、深基础两大类； 浅基础 基础按刚度分类：分台阶式基础、板式基础；装配式基础、预制基础、筏板基础等。 按基础类型分类：分回填土、掏挖基础和半掏挖基础；嵌固式基础和锚杆基础； 深基础 按桩基数量分类：
6、分单桩、群桩基础。按直径分类：分大、中、小直径桩基础。,群桩分框架式桩、低承台桩、高承台桩、微型桩等 按复合基础类型，分桩板基础、沉井基础。 按基础埋深与侧宽分类；窄基塔浅基础和深基础。 按基础承载力：分回填土和原状土基础两大类： 回填土基础： 也称大开挖基础。它是以扰动的回填土构成抗拔土体保持基础的上拔稳定，由于扰动的回填土虽经夯,9,第一讲 杆塔基础类型简介,实亦难恢复其原有的结构强度，基坑开挖形状随土类而异，通常按土重法经验公式计算。此类基础挖方量大，其基坑开挖量是基础混凝土量的48倍甚至更多，对山区植被或平丘农田损毁较大，不利于环保；但由于其设计简单，施工方便，安全可靠，此类基础在较低
7、电压的输电线路工程中仍是最常用的基础型式，主要有台阶式基础、板式基础等。 按连接塔腿分：有整体式、单腿式两种；如钢管杆、窄基塔,筏片基础框架桩基为整体式；其它多为单腿式。 回填土基础的设计三原则： 临界深度： 土体抗拔破坏与基础的相对深度和土的物理特性有关，按照不同的相对深度有三种破坏状态：即整体剪切、局部剪切过度和局部剪切。不同土体的临界深度和计算式不同。 计算土重度 由于扰动的回填土虽经夯亦难恢复其原有的结构强度，回填,10,第一讲 杆塔基础类型简介,土的重度应取计算重度：而不是天然土重度。 计算上拔角 土体的抗拔能力与土体的粘聚力和内摩擦角有关，但基坑开挖后再次回填，破坏了土体结构；回填
8、土上拔承载力根据实验推荐了不同土质的计算上拔角；体现土体粘聚力和内摩擦角的特性： 粘性土： = 2/3 硬塑、坚硬：=1.8 可塑： =1.3：软塑：= 砂性土：= -（57）,上述三原则是回填土基础设计必须遵循的。 原状土基础 原状土基础是指利用机械或人工在天然土或岩石中直接钻、挖成所需要的基坑，将钢筋骨架和混凝土或地栓直接浇注于基坑内而成的基础。它是以处于天然结构状态的抗拔土体保持基础的上拔稳定，充分利用了原状土的力学性能，具有较强的抗拔承载能力；在下压稳定方,11,第一讲 杆塔基础类型简介,面，侧向土抗力使基础水平力对基础底板的影响降至最低，从而减小了基础底板与主柱尺寸，达到节省混凝土的
9、目的。无需支护模板，基坑土石方量相对降低，对于山区送电线路保护自然环境，保护植被，减少水土流失具有重要意义。基础类型主要有掏挖基础、半掏挖基础、人工挖孔桩基础、岩石嵌固基础、岩石直锚基础、灌注桩基础等。,掏挖基础设计原则 利用原状土体破裂面上产生剪切力的垂直分量与上拔力相平衡推导而得。不同的临界埋深计算公式不同。 新版基技规对剪切法的上拔计算公式做了如下修订： 基础极限上拔承载力有基础混凝土自重、抗拔土体圆弧滑面内抗拔土体重量及滑动面上剪切阻力的垂直分量3部分组成。较旧基技规增加,12,第一讲 杆塔基础类型简介,定条件做了修订：解决了旧版基技规存在的一些问题。 桩基础设计原则 该基础主要利用侧
10、壁极限摩阻力承受基础荷载；采用m法进行内力分析。 新版基技规主要对桩基稳定计算进行了修改；基础荷载改为标准值组合，与桩基规范2008保持一致。取消了以概率理论为基础的极限极限状态设计法，改为单一安全系数法。,了抗拔土体圆弧滑面内抗拔土体重量部分。 对抗拔土体圆弧滑动面形态参数n取值进行了调整。 对无因次系数A1和A2系数进行了修正。 窄基塔基础设计原则： 以库伦理论为依据，由基础侧面的被动土抗力、地基反力；基础侧面和底面与土壤的摩阻力的联合作用，共同来抵抗外极限倾覆力矩。新版基技规对窄基塔基础倾覆稳定计算的假,13,第一讲 杆塔基础类型简介,常规基础类型简介 台阶式基础： 该基础是国内传统的基
11、础形式之一。其特点是底板内不配置钢筋，抗压、抗弯强度大、抗剪强度小；基础底部扩展部分不得超过基础材料刚性角(台阶高宽比不小于1.0)；混凝土耗量较大，钢材耗量较小；地脚螺栓与塔脚板相连时容易校正；施工方便、工期较短。目前主要用在较低电压的输电线路工,程中和工期较短。目前主要用在较低电压的输电线路工程中和高电压输电线路工程地下水位较高地段的塔位基础，可避免在水中编排钢筋，排水过程中可快速浇注混凝土，减小施工难度，或在山区边坡安全距离紧张塔位作为重力式基础使用。,14,第一讲 杆塔基础类型简介,斜柱坡度与塔腿主材坡度一致，塔腿主材角钢直接插入底板，可减少基础柱顶水平力，降低立柱正截面强度，缩小立柱
12、断面。,板式基础 该基础型式是国内传统的基础形式之一，分直柱、斜柱式。其特点是立柱和底板均配置受力钢筋；底板或台阶宽度与高度不小于1.0不大于2.5。分直柱和斜柱板式基础。混凝土耗量较台阶式基础小，自重轻，柔性较大，抗变形能力强，不易断裂，总体抗地基变形能力强。目前主要在山地交通运输困难地区或煤田采动区。,15,第一讲 杆塔基础类型简介,掏挖基础： 掏挖式基础施工时以土代模，直接将基础的钢筋骨架和混凝土浇入掏挖成型的土胎内。由于减少了对原状土的扰动，能充分发挥地基土的承载性能，可大幅度的节约基础材料和施工费用。适用于地质条件便于掏挖成型的硬塑、可塑性粘土，并且在掏挖和混凝土浇注期间无水渗入基坑
13、的地段。,掏挖基础分全掏挖和半掏挖基础。全掏挖基础底板增大会导致主柱直径随之增加，土方量和混凝土耗量较大、半掏挖基础主柱断面可通过台阶调整，减小主柱的混凝土量，但土方开挖量较大。,16,第一讲 杆塔基础类型简介,嵌固式基础： 嵌固式基础由于可充分利用岩石的抗剪能力,使地基与基础能更好地协同工作，浇制混凝土无需模板，施工费用较低，因而可大幅度地减少材料用量。适用于覆盖层较浅或无覆盖层的多种风化程度的岩石地基，其特点是底板不配筋，基坑全部掏挖。具有较强的抗拔承载能力 。该基础型式在实践中又分为两种锥度和直柱两种形式：,锥度型坡度按1/61/8成孔，施工较为简易，但基底较宽时混凝土耗量很大；直柱型需
14、底部承圆台型，施工凿挖略有一定难度，但混凝土耗量较锥型小。,17,第一讲 杆塔基础类型简介,锚杆基础： 采用岩石钻孔机械成孔，然后将底脚螺栓或锚筋直接插入岩孔内，用细石混凝土与基岩粘结成一体。这种基础充分利用了岩石自身的强度，具有挖方和弃渣量少，材料运输量小，施工简单，施工周期短，钢材和混凝土用量少，节省投资，不破坏山区岩体和植被的完整性，防止水土流失，保护生态环境等特点。主要用在强风化,微风化的硬质岩石地基。锚杆基础分为直锚式基础和群锚式基础。,18,第一讲 杆塔基础类型简介,桩基础 基技规指出：“桩在输电线路杆塔基础中是作为特殊基础来采用的，主要用于软弱地基或采用深基础的塔位”。但近年来，
15、随着施工机械小型化，施工工艺的提高；施工成本下降，以及对环境保护的重视。在电网建设中应用范围逐步扩大。按施工方法分：机钻成孔桩和人工挖孔桩。 机钻成孔桩类型有单桩、框架桩、低、高承台群桩、微型桩,等多种形式。 人工挖孔桩是利用人工挖孔，桩径不受钻头控制，塔位不受地形限制，一般在地形复杂、场地狭窄、高差较大，基础荷载较大的塔位使用，目前已成为特高压线路工程的主要基础类型。 桩基础施工开挖量较小，施工对环境破坏小，能有效保护塔基范围的自然地貌。但耗钢量较大，成桩后需专业检测。,19,第一讲 杆塔基础类型简介,20,第一讲 杆塔基础类型简介,基础选型的主要原则： 结合工程地形、地质特点及运输条件，充
16、分发挥每种基础型式的特点，针对不同的地形、地质，选择不同的基础型式综合分析比较，科学、合理选择适宜的基础型式； 充分利用原状土地基承载力高、变形小的良好力学性能，因地制宜采用原状土基础。 对不良地基，有针对性地提出特殊的基础型式和处理措施。 在满足安全、可靠的前提下，尽量做到经济、环保。,基础优化的主要原则： 以结构受力体系最合理为优化目标进行整体优化，主要考虑充分利用基础受力体系的特点，改善基础结构形式，节约材料消耗； 在一定的基础结构受力体系下，以造价最低为优化目标进行局部优化。 以全线单公里耗量为目标，优化各类型基础配置。 积极采用新工艺、新技术，提高基础设计、施工水平和效率。,21,第
17、二讲,基础软件中的数据内容解析,铁塔基础 桩基础,22,第二讲 基础软件数据内容解析,铁塔基础程序模块 铁塔类型(分项系数) 实际是选择对应塔型的基础荷载的分项系数取值。与铁塔设计值荷载产生的基础作用力相呼应(桩基承载力为标准值)。保证与杆塔一致的安全度。,铁塔类型数据为必选，与基础对应的塔型一致。 基础作用力（kN） 分腿式基础，通常指的单腿上的基础作用力；分两组（上拔和下压）荷载及相应的水平力。 杆塔的基础作用力通常按对应塔型的最大呼称高、控制工况下各腿的最大上拔和下压荷载计取，但为基础的经济性，有时也按呼高分等级计取。,23,第二讲 基础软件数据内容解析,小；根开越大，共同土体越小，甚至
18、为零。上拔土体的承载力越大。一般工程设计中，取的是塔腿的最大根开的基础作用力和最小根开的相邻距离。看是矛盾，但可保证不同呼高的某一塔型采用同一基础的安全可靠度。对桩基而言，最小根开需保证桩间距3d的安全距离。,对整体式基础（如筏片基础、框架桩、窄基塔、钢管塔基础等），需按所有腿的同一控制工况下的各腿基础实际作用力计取； 相邻腿的最小根开 分腿式相邻基础，同时受拔时，如根开较小，存在一上拔土体相互重叠的问题。称之为共同土体，其大小与基础相邻的距离有关；根开越小，共同土体越大；上拔土体承载力越,24,第二讲 基础软件数据内容解析,地质条件 为方便用户正确填写地质参数，程序作了简捷的输入界面；用序号
19、信息代表不同的地质参数。用户需根据不同的基础类型对应选择或输入。 地质参数的正确与否，直接影响基础设计成果。设计者应根据地质报告和基技规的有关规定归纳、分析、判断，合理选取。参数过于保守会导致基础耗量较大、反之，基础耗量虽小，但会导致基础的不安全性,基础材料 混凝土强度等级（标号） 基础混凝土强度最小等级，按基础类型取值： 普通基础：C20； 嵌固式基础：C25、 直锚或承台式直锚基础：C30 普通桩基：C25；微型桩：C15 腐蚀地区的最小混凝土等级： 弱腐蚀地区：C30；桩基：C35 中腐蚀地区：C35； 强腐蚀地区：C40,25,第二讲 基础软件数据内容解析,钢筋强度、价格及优缺点：,2
20、6,第二讲 基础软件数据内容解析,不同钢筋级别主筋和箍筋组合的基础耗量和费用对比： 立柱和桩最小主筋直径：12 mm 底板最小主筋直径： 10 mm 岩石基础最小锚筋直径：16 mm 基础最小尺寸 最小埋深：500 mm；冻土地区应大于最大冻结深度； 立柱最小宽度：400 mm； 底板最小厚度: 200 mm,非高低立柱的露头一般取200 mm；常年内涝积水地段应高出5年一遇洪水位； 原状土基础埋深应扣除非原状土厚度：300500 mm 基础几何尺寸优化组合 在同等承载上拔力的情况下，基础立柱断面、高度和底板台阶宽度、高度及数量存在一最佳优化组合:程序按最小造价为目标进行了优化，但不一定是最优
21、；因为材料价格和施工施工费用变化的，用户需,27,第二讲 基础软件数据内容解析,选适当的基础埋深；增加立柱断面； 选适当的立柱断面和高度，调整底板的厚度； 最后再考虑增加台阶数量。因为断面混凝土耗量是平方级的。断面尺寸越大，同等厚度下，混凝土耗量越大。 其它基础优化与此道理相同，不在多叙。,注意随时进行调整。其次，基础本身价格最优，不一定满足施工或地形、地质条件、环境保护的要求；需根据工程实际进行调整。 用户自身进行调整基础承载力时，以台阶式为例：建议按以下步骤调整基础尺寸： 首先选取立柱最佳断面；调整立柱高度：加大基础埋深。但注意极限埋深，当大于极限埋深时，效果不是很明显；,28,第二讲 基
22、础软件数据内容解析,注意四腿的轴向力方向(即拔力或压力）；按程序坐标轴所示填写；切勿填错，导致计算结果失误。 地质参数： 极限侧摩阻力是影响桩基稳定承载力的主要地质参数；可根据地质报告选取；或按桩基规范查取；取值应慎重。 几何尺寸 桩径最小值：300 mm 桩最小埋深：6000 mm,桩基础程序模块 基础作用力（kN） 桩基础作用力分别按设计值和标准值计取；标准值用于桩基的稳定计算；设计值用于桩或承台等结构的强度计算； 基础作用力的设计值和标准值最好按杆塔电算结果计取。当无相关资料时，可按程序提供换算经验系数互换。 框架桩按四个塔腿填写，,29,第二讲 基础软件数据内容解析,桩的长径比： 30
23、 承台最小厚度：300 bmm 低承台桩最小埋深：600 mm 连梁高度：0.81.0桩径 连梁宽度：0.61.0桩径； 扩底桩扩底直径与桩径之比不应大于3； 扩底桩扩底端侧面斜率根据土质按规范计取；,基础几何尺寸优化组合 桩体积是桩长和桩半径的平方关系；等长的情况下，桩径越大，极限摩阻力随之提高；混凝土增量较快，钢筋直径和数量可能减少，但受最小配筋率控制时，钢材量可能增加；等径的情况下；桩长越大，极限摩阻力影响较小，混凝土增量较小；钢材量可能增加，存在一优化组合；需多方案比较。,30,第三讲,杆塔基础软件扩充功能构想,特殊地段基础 复合基础类型 基础防护设计 基础设计工作平台,31,第三讲
24、杆塔基础软件扩充功能构想,特殊地段基础软件开发 国家电网根据最新研究成果，最近编制了架空输电线路“风积沙地区”、“戈壁碎石土地基”、“冻土地区”等特殊地质条件的基础设计技术规定。其基础类型已通过试验验证。本公司正在开发这些基础设计程序；进一步扩大基础软件的应用范围，待规定正式颁发后，供广大用户试用。 筏片基础原称联合基础,新版基技规虽未纳入具体计算规定；但保留了该基础形式，我们将在原有基础软件的基础上，结合新版基技规设计指导原则，进行补充和完善。 复合基础计算研究与软件开发 近年来，各设计单位研究、探讨了各种复合型基础；如嵌固直锚复合基础、板桩复合基础、,32,第三讲 杆塔基础软件扩充功能构想
25、,复合沉井基础等。将结合研究成果和实际应用情况逐步开发。 基础防护设计软件开发 基面处理和环境保护日益受到设计单位的重视，基面防护设计工作量不断增加，如基面护坡、植被保护、基面排水等；该类软件也在研发过程中，希望用户提出意见加以补充。,33,第三讲 杆塔基础软件扩充功能构想,基础设计工作平台软件 目前绝大部分输电线路杆塔基础软件仅适用特定基础类型的计算和绘制。而一个线路工程基础设计的技术经济指标，除评审基础类型外，是以单公里耗量和费用考核评价的。如台阶式基础混凝土耗量大，钢材耗量少；板式基础混凝土耗量小、钢材耗量大；存在一个全线基础类型及数量的优化组合；,其次，随着全方位长短腿和高低柱基础推广，需结合塔基平面配置不同高度基础设计； 同一塔基面可能根据地形和地质条件需不同类型的基础优化组合； 总之，需上升到整个一条线路基础工程设计的工作平台。我们将开展这一方面的研究和探讨，欢迎给位同行提供建议和指导。,本此介绍结束，谢谢,The end thank you！,
