鐵塔基礎計算與優(yōu)化

1、淺談鐵塔基礎的計算與優(yōu)化叢日立 赤峰華辰電力勘察設計院【摘要】 在普通地質條件下，就臺階式鐵塔基礎采用深埋與淺埋基礎進 行計算，比較后選優(yōu)；在復雜地質條件下，就臺階式和正方形兩種不同形式基礎 進行計算，對設計的方式進行優(yōu)化比較，提出了自己的觀點，供參考?！娟P鍵詞】 鐵塔基礎 承載力 深埋與淺埋 地下水 臺階式基礎 正方形基礎優(yōu)化設計鐵塔基礎在輸電線路工程屮的設計是重屮之重，它均需同時滿足 上拔和下壓的基本要求，還必須進行穩(wěn)定和剪切驗算及構造和配筋要 求。計算過程相對復雜，隨著計算軟件的開發(fā)和利用，煩瑣的計算已 變的程序化，但同時也產(chǎn)生計算的優(yōu)化控制問題，計算機只會按照指 定的程序運行，實際工程

2、中地質情況復雜多變，軟件的智能化遠遠不 能滿足實際的需要，這就需要設計人員合理的控制與優(yōu)化。下面就普 通地質條件和復雜地質條件兩個方面的優(yōu)化計算進行探討和分析。 一、在普通地質條件下，臺階式鐵塔基礎的深埋與淺埋 無論直線塔還是轉角塔，從受壓基礎或者說基礎受壓的角度來 講，一方面線路鐵塔的壓力值相對地基的承載力來講，比較容易滿足 承壓要求，另一方而滿足受拉要求的基礎只要構造合理大都能滿足受 壓要求，進一步講轉角塔的受壓腿的上拔力都非常小，角度越大上拔 力就越小，設計吋只是考慮一下持力層和凍土層的深度影響，基礎也 很小，因而在此不做詳述。而受拉基礎的大小深淺對整個基礎起著控 制作用，鑒于受拉基礎的

3、下壓力較小，計算時驗算一下即可，所以本 文著重從基礎的上拔角度進行詳述，基礎上拔時要求基礎自重與基礎 上拔吋帶出的土體重量之和，必須大于或等于設計值，即滿足基礎的 抗拔穩(wěn)定的要求，公式如下：nwg/y r1+ go/ y r2式屮：n基礎上拔力標準值(kn)；g釆用土重法計算時，為倒截錐體的土體重力標準值，采用 剪切法計算吋，為土體滑動面上土剪切抗力的豎向分量與土體重力之 和(kn)；go 基礎口重力標準值(kn)；yri-土重上拔穩(wěn)定系數(shù)，按現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)定采用；vr2-基礎自重上拔穩(wěn)定系數(shù)，按現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)定采用。在受壓吋，要求軸向壓力與基礎水平推力產(chǎn)生的基地應力之和， 必須小于或等于地基的需

4、可承壓力，基礎底血壓應力的計算，應符合 下列公式的要求：pwf式中：p 作用于基礎底面處的平均應壓力標準值(n/m2)f地基承載力設計值，應按現(xiàn)行國家標準建筑地基基 礎設計規(guī)范(gbj789)的規(guī)定采用。當偏心荷載作用時，除符合式上式要求外，尚應符合下列要求：pmaxwl. 2f式中：pmax 作用丁基礎底而邊緣的最大壓應力標準值(n/m2)。下而以鼓型鐵塔7718（18m）基礎為例，在普通地質條件下（無地 下水），以埋深為主控制條件，皆在剛好滿足上拔力的條件下進行計 算，討論采用深埋與淺埋的優(yōu)化設計結論。k設計條件（土重法）a、控制氣象條件如下:氣象條件溫度風速冰厚項口(°c)(m

5、/s)(mm)最低氣溫-4000最大風速-5300覆冰-51010b、塔型:7718 （18m）,使用導線lgj-240/40,安全系數(shù)2.75, 避雷線gj-50,安全系數(shù)3. 75,轉角60° ,根開5032m,經(jīng)計算拉腿 （僅考慮拉腿）標準值（單位：kn）。上拔力：t二393.6,上拔力時x方向水平力:tx二47.6,上拔力時y 方向水平力：ty=2.2。下壓力：n二89. 2,下壓力時x方向水平力:nx二10.0,下壓力時 y方向水平力：ny二21.6。c、地質參數(shù)：土層數(shù)：2第1層： 土壤類型：回填土，土層厚：0.5<n, 土壤的計算容重： 15.0 kn/m3, 土

6、壤的計算浮容重:10.0 kn/m3，地基承載力標準值： 100.0 kn/m2, 土壤的計算上拔角：15.0度。第2層：土壤類型：粉土，土層厚：5. om, 土壤的計算容重：17.0kn/m3, 土壤的計算浮容重：10.0 kn/m3,地基承載力標準值:170.0 kn/m2, 土壤的計算上拔角：25.0度。混凝土的容重:22.0 kn/m3,鋼筋混凝土的容重:24.0 kn/m3。2、埋深32米的基礎采用臺階式基礎（見圖1）：眄400 /00扌600屮400才400 阿 t 2800 .圖1、上拔穩(wěn)定計算：上拔穩(wěn)定設計系數(shù)：y ri 2. 5 y r2 - 1-5ta<t ( 393

7、.6 kn<399. 655 kn )設計滿足要求。、下壓穩(wěn)定計算：p<f ( 70. 68 kn/m2<210. 8 kn/m2 )pmaxv1.2*f (99. 18 kn/m2<252. 96 kn/m2)設計滿足要求。單拉腿鋼筋混凝土的體積：vt=7. 26m3單基鋼筋混凝土的體積：vf=7. 26x4=29. 04n?(假設四腿等大)。經(jīng)配筋計算基礎鋼筋總重i： 1070 (kg)o3、埋深2. 85米的基礎采用臺階式基礎(見圖2)：o eo|400 *4dd 扌 500700 丁 500 嚴,4dd 扌.3300.、上拔穩(wěn)定計算：上拔穩(wěn)定設計系數(shù)：y r1=

8、 2. 5 y r2 = 1. 5ta < t ( 393. 6 kn < 394. 152 kn )設計滿足要求。、下壓穩(wěn)定計算：p < r (60.61 kn/m2 < 195. 13 kn/m2 )pmax<l. 2*r (76. 7kn/m2<234. 15kn/m2)設計滿足要求。單拉腿鋼筋混凝土的體積：vt=9. 74m3單基鋼筋混凝土的體積：v尸9. 74x4=38. 96m3(假設四腿等大)。經(jīng)配筋計算基礎鋼筋總重量：984 (kg)o4、埋深2. 45米的基礎采用深埋臺階式基礎(見圖3)：9cu1.400 | 500 | 600 扌 600

9、 孑 6嘰 * 500 (400.3600、上拔穩(wěn)定計算:上拔穩(wěn)定設計系數(shù)：y ri 2. 5 y r2 - 1.5ta < t( 393.6 kn < 397.81 kn )設計滿足要求。、下壓穩(wěn)定計算:p < r ( 54.0 kn/m2 < 184. 81 kn/m2 )pmax 12*r( 64. 77 kn/m2 < 221. 77 kn/m2 )設計滿足要求。單拉腿鋼筋混凝土的體積：vt=13.47m3單基鋼筋混凝土的體積:vf=13. 47x4=53. 88n?(假設u!腿等大)。經(jīng)配筋計算基礎鋼筋總重量：698 (kg)o5、對比分析表1鐵塔基礎計

10、算結果一覽表名稱基礎上拔抵抗力/kn需用混凝|t/m3需用鋼筋/kg底而寬度/m需挖深度/m需挖土石方量/ m3圖1399.65529. 0410702.83.2025. 1圖2394.15238. 969843.32.8531.0圖3397. 8153. 886983.62.4531.8通過以上幾種不同埋深的基礎計算對比可以得出:、在普通土質且基礎上拔力基本相同的請況下，隨著基礎埋深 的減小，混凝土的用量明顯增多，由于送電線路地處偏遠的特點，混 凝土量增多，也就會引起水泥、沙石和水的運輸增多等一系列問題， 這里雖然鋼筋用量逐漸減小，但減量不明顯，需挖土石方量在不考慮 放坡的情況下也有增多的趨

11、勢，基礎底面逐漸增大，送電線路工程多 在野外或山區(qū)，大面積的開挖和大量的堆積土石方，勢必增加植被破 壞和水土流失，對環(huán)境將造成更大的破壞，在環(huán)境保護日益受到人們 關注的今天，這一點更應該引起我們的重視。綜合考慮，深度在可行 的范圍內(nèi)，深基礎比淺基礎經(jīng)濟。、通過以上計算與分析，我們不難看出，對于正方形基礎的不 同埋深情況跟臺階式基礎相同，這里就不在贅述。二、在復雜地質條件下，臺階式基礎和正方形基礎的優(yōu)化以鼓型鐵塔7735(18m)基礎為例，在有地下水的地段，采用臺階 與止方形基礎設計的方式，分別按照深埋與淺埋兩種方式進行計算， 得出的基礎從深度、混凝土用量、鋼筋用量方面進行比較，得到優(yōu)化 后的基

12、礎設計。1、設計條件（土重法）使用導線lgj-150/25,地線gj-35,轉角60。,上拔力327. 95kn,下壓力377. 35kn,垂線40. lkn,根開4. 9m。有地下 水，水深-1.5m,基礎鋼筋混凝土的容重按14kn/m3計算，地基 土的浮容重按10kn/m3計算。2、采用深埋正方形基礎（見圖4）：圖4深埋止方形基礎（水）單腿鋼筋混凝土的體積:vt=0. 8x0. 8x3. 8+2. 6x2. 6x0. 5=5. 81m3單基鋼筋混凝土的體積：vf=5. 81x4=23. 24m3（假設拉、壓腿同體積）單腿鋼筋混凝土重（15m以下按含水層計算）:qf二1. 088x22+（1

13、. 344+3. 38） x 14=90. 08kn鐵塔的上拔力：t=344. 33kn327. 95kn（滿足上拔要求；經(jīng)驗算,也滿足下壓要求）單基共需鋼筋:g鋼二1188. 87kg3、采用淺埋正方形基礎（見圖5）：3 m0. 2m0- 8m0. 7m圖5淺埋正方形基礎（水）單腿鋼筋混凝土的體積：vt二2x2x2. 5+3x3x0. 7=16. 3m單基鋼筋混凝土的體積：vf二16.3x4二65.2m3（假設拉、壓腿同 體積）單腿鋼筋混凝土重力（1. 5m以下按含水層計算）:qf=2x2x 1. 7+3x3x0. 5=203. 6kn鐵塔的上拔力：t二329kn$32795kn（滿足上拔要

14、求；經(jīng)驗算，同時滿足下壓的要 求）單基需用鋼筋:g鋼=1210. 50kg4、采用深埋臺階形基礎（見圖6）。,400 + 400 * 500 彳 700+ 500 f 400 + 400 :3300屮圖6深埋臺階形基礎（水） 單腿鋼筋混凝土的休積：vt=ll. 33m3 單基鋼筋混凝土的體積：vf二45. 32m3 t=344. 43kn2327. 95kn（滿足上拔要求） 單基共需鋼筋：g鋼二896.84血5、采用淺埋臺階形基礎（見圖7）。g/0d /00 t 500 屮 600 屮 500 才400 /00 l4000圖7淺埋臺階形基礎（水）單腿鋼筋混凝土的體積：vt=15. 86m3單基

15、鋼筋混凝土的體積：vf=63. 44m3t二332.246 kn 327. 95kn(滿足上拔要求)單基共需鋼筋：g鋼二476kg6、以上幾種計算方法結果對比，見表2。表2鐵塔基礎計算結果一覽表名稱基礎形式需用混凝土/m3需用鋼筋/kg底面寬度/m需挖深度/m圖4深埋正方形23. 241188.872.64.3圖5淺埋正方形65. 241210.503.33.2圖5深埋臺階形45. 32896. 843.03.7圖6淺埋臺階形63.444764.02.4通過以上幾種計算方法對比可以看出:、采用深埋正方形基礎最節(jié)省混凝土，不節(jié)省鋼筋，制模簡單, 需挖深度最深，較節(jié)省投資。(2)、采用淺埋正方形基

16、礎，混凝土用量是深埋正方形基礎的一倍 左右，不節(jié)省鋼筋，同等條件下不如淺埋臺階式基礎，也不節(jié)省投資, 所以不可取。、采用深埋臺階形基礎跟深埋正方形基礎各有利避，混凝土較 多，制模較復雜，但節(jié)省鋼筋，較節(jié)省投資。、采用淺埋臺階形基礎最節(jié)省鋼筋，需挖深度最淺，混凝土較 多，制模較復雜，它適應于基礎較難挖和地下水較高的地段，不節(jié)省 投資。如流沙地質情況下，基礎埋深每增加一公分，都會對施工帶來 相當大的困難，挖方隨著深度的增加成倍的增加，有些特殊情況下， 不采取有效的施工方案根本就挖不下去，這種情況下勢必要求把基礎 做的淺之又淺。三、結語在無地下水的地段同形式基礎宜采用深埋式基礎，就深埋正方形 基礎和深埋臺階形基礎而言，由于正方形基礎底面大直