输电线路基础作用力取值探讨

徐 彬，冯 衡，曾二贤

(中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071）

0 引言

输电线路基础作为上部杆塔结构的支撑物，对于整个输电线路的安全至关重要。行业内一般将上部杆塔结构传递给基础的荷载区分为“杆塔作用力”和“基础作用力”。前者指在计算杆塔底部反力时，风荷载调整系数与杆塔结构计算时取值一致；后者则将风荷载调整系数进行折减，所得到的杆塔底部反力即基础作用力小于杆塔作用力。在工程实践中，近年来出现了一些争议，主要集中在基础以及塔座板、地脚螺栓设计时，取哪种作用力更合适，给工程设计人员带来了较大的困扰。

针对上述问题，本文首先对历年来各版本相关标准中基础作用力的规定进行了梳理，然后通过风洞试验开展了研究，结合现行行业标准DL/T 5210—2014《架空输电线路基础设计技术规程》[1](以下简称《14版电力规程》)的修编工作，对基础作用力的取值进行了探讨，有关结论可为标准修编提供参考。

1 基础作用力历史沿革及现状

基础作用力作为重要的输入荷载，直接影响着基础的设计。如前所述，不同的作用力的区别主要体现在杆塔风荷载调整系数(又称“风振系数”)取值的差异。为便于分析问题的来龙去脉，本文对历年来各版本相关标准中基础作用力的规定进行梳理。

1)原行业标准SDJ 3—1979《架空送电线路设计技术规定》[2]第63条规定，60 m 以上的杆塔，应考虑阵风的振动作用，塔(杆)身风荷载应乘以风振系数。铁塔的风振系数取 1.5，拉线杆塔取 1.25，未对基础作用力进行规定。

2)原行业标准SDGJ 62—1984《送电线路基础设计技术规定》[3]第1.7条规定：“基础的设计荷载取用杆塔传至基础的静态作用力，除高度在50 m以上的杆塔，在基础作用力中应遵照《SDJ 3—1979》考虑阵风动力影响外，其他情况以及在安装和断线情况下的冲击影响均不必考虑。”，其条文说明中指出：“阵风对基础和地基土的动力影响，迄今还是一个不太清楚的问题，从1983年水电部组织编写的《全国倒塔事故调查说明》可以看出，在风灾倒塔记录中，均没有发现基础损坏的记录。因此，在《送电线路基础设计技术规定》(以下简称“《规定》”)中，原则上基础可不考虑阵风动力的影响。但对于50 m以上杆塔的基础，在以往工程中已考虑了阵风的动力影响。因此，《规定》对50 m以上杆塔的基础，按电力规划设计院(84)水电电规送字第6号文《关于线路基础设计中阵风动力作用问题的补充规定》执行。”

3)原行业标准SDGJ 94—90《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》[4]第2.19条规定，杆塔身风荷载用于计算基础时，风压调整系数应按表1取值。SDGJ 94—90条文说明指出，表1摘自电力规划设计院(84)水电电规送字第6号文《关于线路基础设计中阵风动力作用问题的补充规定》。

表1 SDGJ 94—90风压调整系数

4)原行业标准DLT 5092—1999《110～500 kV架空送电线路设计技术规程》[5]第12.1.13条规定：“杆塔风荷载调整系数，对基础，当杆塔全高超过50 m时，应取1.0；全高超过50 m时，应取1.3”。对基础的βZ值是参考化工塔架的设计经验，取对杆塔效应的50%，即βB=(βP-1)/2+1，考虑到使用上方便，取对50 m以下杆塔为1.0；对50 m及以上杆塔为1.3。

5)DL/T 5219—2005原行业标准《架空送电线路基础设计技术规定》[6]第5.0.13条规定，基础设计(包括地脚螺栓、插入角钢设计)时，基础作用力计算应计入杆塔风荷载调整系数。当杆塔全高不超过50 m时，取风荷载调整系数为1.3；当杆塔全高不大于50 m时，取风荷载调整系数为1.0。

6)《14版电力规程》基本维持DL/T 5219—2005条文，仅将50 m高度修订为60 m高度。

7)现行国家标准GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》[7]第10.1.20条及条文说明，参考化工塔架的设计经验，计算基础作用力时的风荷载调整系数取对杆塔风荷载调整系数的50%，即β基=(β杆塔-1)/2+1，考虑到使用上方便，取对60 m以下杆塔不小于1.0；对60 m及以上杆塔不小于1.3。

由上述各个版本的相关标准规范来看，其整体思路是对于高塔(50 m以上或60 m以上)适当考虑风荷载调整系数，对于矮塔则不考虑。多本标准提到参考化工塔架的设计经验，原国家标准《高耸结构设计规范》GBJ 135—90[8]在编制过程中，对于基础作用力的问题进行了研究，指出石油化工塔基础的风振系数可乘以折减系数0.9，其理由为：设计基础可以考虑塔结构风振系数沿高度从上到下的衰减及塔结构和基础连接的螺栓松弛，垫板受力不均匀而部分消失；又考虑规范修订的结果不宜大变化，因此提出设计石油化工塔基础风振系数乘以折减系数0.9。而多本标准中提出的“杆塔效应折减50%”未找到出处。

国外相关标准规范以及国内其他行业标准规范均未见“杆塔作用力”与“基础作用力”的区别，而均采用“杆塔作用力”。1980年国际大电网会议对铁塔基础的动态特性开展了讨论，指出波动荷载作用下，地基抗力响应没那么快，建议动荷载的峰值不要超过静荷载极限的一定的百分比，且浅基础要大于桩基础，地基抗力对于短时的极值作用力来说，可以提高。

2 基础风洞试验研究

2.1 基础风洞试验模型

为研究输电线路杆塔风荷载调整系数在基础设计中的取值，以某典型直线塔和基础为例，建立了铁塔-基础-地基耦合体系的气弹性试验模型；根据结构相似准则和流体相似准则确定了铁塔模型的几何缩尺比、风速缩尺比，时间、频率、抗弯刚度、抗压刚度等一系列试验重要参数的相似比，并按照缩尺比选定了缩尺模型的截面形式和制作材料；同时，为保证杆件间牢固的连接，又将部分节点板替换成了由 3D打印的节点套筒；采用弹簧片和阻尼器替代真实地基土进行模拟，输电塔及基础整体模型如图1所示。

图1 输电塔及基础整体模型图

气弹性模型的试验在紊流风场中进行，其中单塔气弹模型紊流试验分别在0°、45°、60°、90°这4个风向角和理论风速分别为10 m/s、12.5 m/s、13.5 m/s这3个风速下进行。除进行输电塔-基础-地基耦合体系气弹模型风洞试验外，还设计实施了刚性支座的输电塔气弹风洞试验作为对照试验。

2.2 基础风洞试验结果

通过上述风洞试验研究，结果表明行业中设计人员习惯描述的“杆塔作用力”与“基础作用力”两者并没有区别，即基础设计时的风荷载调整系数与上部杆塔风荷载调整系数基本一致。同时对于90度风向角下输电线路直线塔基础设计的风荷载调整系数，如果采用现行国家标准GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》[7]推荐值，其加权平均值较风洞试验结果大17%，采用随机振动理论计算值，其加权平均值较风洞试验结果大5%。对于0度风向角下输电线路直线塔基础设计的风荷载调整系数，如果采用GB 50545—2010推荐值，其加权平均值较风洞试验结果大23%，如果采用随机振动理论计算值，其加权平均值较风洞试验结果大9%[9]。

因此，对于采用GB 50545—2010推荐值和随机振动理论计算的杆塔风荷载调整系数进行基础设计时，取0.5的折减系数相对于风洞试验结果来看是安全的，但是如果直接采用风洞试验的结果来设计，不宜再进行任何形式的折减。

3 基础作用力取值讨论及建议

3.1 基础作用力取值讨论

从国内外相关标准规范的比较和风洞试验的结果来看，除电力行业标准以外，其他相关标准规范未见“杆塔作用力”与“基础作用力”的区别，而采用“杆塔作用力”；而多本行业标准中提出的“杆塔效应折减50%”未找到相关出处，也未能通过理论推导得出。虽然风洞试验结果表明取0.5的折减系数也是安全的，但试验样本仍然偏少。

另一方面，在往复周期荷载如风荷载、地震荷载作用下，除软土和松散沙类土以外，基础的动强度有所提高，但风荷载作用下的相关研究较少，难以给出定量的提高系数。

综合来看，上部结构传递到基础顶面的作用力是客观存在的、唯一的，在计算上部结构与基础的连接，以及基础本身时，作用力没有区别，但是在考虑基础与地基相互作用时，瞬时或短时的作用引起的地基响应有所不同，表现在地基承载力上就是加载过程中地基的动强度有所提高。由此可见在计算上部结构构件、塔座板、地脚螺栓、插入式角钢、基础配筋，都应该采用 “杆塔作用力”，在计算涉及地基的承载力时，作用力也应该是“杆塔作用力”，只不过相应的地基承载力可以提高，可以体现在地基的安全系数上。

考虑输电线路勘测水平、施工条件、场地差异、野外环境变化等实际情况，基础设计 “精细化”很难做到，也没有必要，因此国外线路行业的基础设计采用“杆塔作用力”，并通过安全系数控制地基基础的安全水平，是合情合理的。我国输电线路行业在基础设计时，长期以来习惯上是将“杆塔作用力”进行折减，变成“基础作用力”，而地基的承载力的取值方式与建筑地基基础保持一致，与实际情况不符。

杆塔作用力与基础作用力测算对比详见表2所列。

表2 杆塔作用力与基础作用力比较

3.2 基础作用力取值建议

根据测算结果，对于直线塔，杆塔作用力/基础作用力=1.1～1.2；对于转角塔，杆塔作用力/基础作用力=1.0～1.05。考虑到对风振系数进行折减的方式概念不清晰，依据文件匮乏，故建议不再提基础作用力的概念，统一为杆塔作用力。但为保持修改前后安全度水平的一致性，可在安全系数中统一考虑其影响。推荐直线塔在现有规程安全系数的基础上除以1.1，耐张塔维持不变。

输电线路一般把基础设计的安全系数按照杆塔类型来区分，直线塔小，耐张塔大，考虑到基础作用力的荷载组成，直线塔永久荷载占比小，风荷载占比大，耐张塔尤其是大转角的耐张塔，作用力张力占比较大。因此从荷载来看，这样取值对于基础设计也是比较合理的，活荷载占比大的塔型，安全系数取小值，反之取大值，符合地基承载力动荷载强化提高的特性。

4 结论

国内各个版本的相关标准规范来看，其整体思路是对于高塔(50 m以上或60 m以上)适当考虑风荷载调整系数，对于矮塔则不考虑。国外相关标准规范以及国内其他行业标准规范均未见“杆塔作用力”与“基础作用力”的区别，而均采用“杆塔作用力”。

风洞试验结果表明，行业中设计人员习惯描述的“杆塔作用力”与“基础作用力”两者并没有区别，即基础设计时的风荷载调整系数与上部杆塔风荷载调整系数基本一致。对于采用GB 50545—2010推荐值和随机振动理论计算的杆塔风荷载调整系数进行基础设计时，取0.5的折减系数相对于风洞试验结果来看是安全的，但是如果直接采用风洞试验的结果来设计，不宜再进行任何形式的折减。

考虑到对风振系数进行折减的方式概念不清晰，依据文件匮乏，故建议不再提基础作用力的概念，统一为杆塔作用力。但为保持修改前后安全度水平的一致性，可在安全系数中统一考虑其影响。推荐直线塔在现有规程安全系数的基础上除以1.1，耐张塔维持不变。