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摘要：输电线路铁塔基础的受力状况及工作环境不利，存在的安全隐患和影响耐久性的现象较普遍。有环境条件、荷载条件等客观原因，也有施工和设计不到位的人为原因。本文对混凝土基础裂缝出现及扩展原因进行了分析，并结合角钢插入式基础拉拔试验的破坏过程和破坏形态，提出了改进基础设计的构造措施。
关键词：输电线路；铁塔；基础设计；基础裂缝
Abstract：Transmission line towers based on force status and work environment is unfavorable to the existence of safety hazards and affect the durability of the more common phenomenon. Environmental conditions, loading conditions and objective reasons, but also man-made causes of construction and design are not in place. The concrete foundation cracks and expansion analysis, combined with angle plug-in basic drawing test failure process and failure modes of structural measures to improve the basic design.
Keywords: transmission lines; Tower; the basis of design; the basis of crack
中图分类号：TM621.5 文献标识码： A文章编号：2095-2104（2012）
0 引言
输电线路铁塔是重要的工程结构，其基础多采用主角钢下端加一定锚固件，直接埋入基础混凝土的做法，称为斜插式基础，其受力性能与经济性都优于传统的地脚螺栓直柱式基础。输电线路铁塔要承受风荷载、覆冰及断线事故等危险工况。输电线路多地处野外，狂风使主塔及基础受荷反复变化，容易导致混凝土基础裂缝开展，影响结构的耐久性，更重要的是反复的拉压会破坏插入角钢与混凝土基础之间的粘结，严重者会引起劈裂裂缝，危及结构安全。本文对某220kV输电线路铁塔基础混凝土裂缝进行了检测与加固工作。本次检测段线路总长70km，加固了其中的72基铁塔基础，每个铁塔下有4个混凝土基础短柱，尺寸为800mm×800mm，高1.2m，混凝土设计强度等级为C20。加固效果固然好，也没有影响电网运行，但工作量大，施工线路长，现场条件艰苦，用于检测和加固的费用也较多。针对铁塔基础容易出现的裂缝问题，在设计和施工中采取措施，保证铁塔基础的耐久性同时降低加固维修费用是完全可以实现的。
1 混凝土基础裂缝产生及扩展原因
混凝土是由水泥、砂、石材用水拌和硬化后形成的人工石材。浇注混凝土时的泌水作用会引起沉缩，硬化过程中由于水泥浆水化造成的化学收缩和干缩受到骨料的限制，会在界面引起结合破坏，形成随机分布的界面裂缝。混凝土中孔隙和界面初始微裂缝等缺陷是混凝土受力破坏的起源。这是正常的初始裂缝。另外，还有人为因素造成的先天缺陷：施工过程中的配合比不准，搅拌振捣不充分，养护不良等，会导致混凝土不匀质，离析，干缩大等原因产生的原始裂缝；箍筋位置、间距、绑扎等达不到设计要求，导致承载力低于设计值。尤其是第一根箍筋距离基础项面达130～450mm，使拔出端混凝土失去任何约束。还有环境因素的影響：土壤、地下水中的SO42+含量高，在混凝土中与水泥水化产物反应形成钙钒石结晶膨胀，使已经存在的裂缝进一步扩展。
先天缺陷在恶劣的环境条件下，加上突遇强大荷载(主要是风荷载)的反复作用，由塔腿主角钢通过粘结和锚固传入混凝土基础的拉压力不定，使基础混凝土中已经存在的初始裂缝扩展、增大。产生的裂缝中，轻微裂缝(宽度小于0.5mm)不会影响混凝土基础的承载力，属于非结构性裂缝，但由于环境因素的影响，可能继续发展成为结构性裂缝；结构裂缝开展宽度大于l.0mm，往往深及埋入的主角钢表面，延续至一定埋深范围。输电线路工程中基础混凝土最大裂缝宽度达5.0mm，开裂主要形式为基础项面裂缝及侧面纵向裂缝，大部分基础的破损属于结构性裂缝。裂缝出现已有相当长的时间，而且还在继续发展，对线路的安全运行构成严重隐患。该线路采用地脚螺栓连接塔腿和基础，在基墩顶面出现环状裂纹并径向延展至侧面。
2 角钢抗拔试验破坏过程
进行角钢插入式基础的抗拔试验，试验中观察到角钢拔出破坏过程：(1)混凝土基础的横截面首先出现裂缝，这是因为混凝土的抗拉强度不高，其轴心抗拉强度只有其立方体抗压强度的1／17～1／8，在设计轴心抗拉结构构件时，不考虑混凝土的抗力，原因就在于此。(2)当拉拔力达到一定值时，角钢外露处混凝土表面开裂。裂缝由角钢肢尖和肢背处开展并向外延伸，见图1。该试验l9个试件基本遵循这个规律，说明在角钢肢尖和肢背处有应力集中的现象。(3)随着拉拔力的增大，角钢与混凝土之间的粘结由外端向埋深里端逐渐破坏，基础顶面的裂缝纵向发展并延伸至侧表面。最后无附加锚固件的破坏形式为角钢拔出，附加了可靠锚固件的试件破坏形式变为角钢拉断。
对于受拉引起的基础横向裂缝，影响最大裂缝宽度的主要因素有角钢的应力、有效配筋率、钢筋的直径等，当承载力要求很高时，横向裂缝很难满足耐久性要求，必要时可以施加预应力。
研究埋入型钢或钢筋在拉拔力作用下，对周围混凝土的应力和变形状况的影响也十分必要。荣冠等进行了锚杆(圆钢和螺纹钢)埋入混凝土中的拉拔试验，除了常规的在锚杆上布置应变片测不同埋置深度的应力外，还在混凝土中埋设了应变砖，试验采用拉拔一卸载3个循环进行。该试验虽然不是角钢的抗拔试验，但基本原理类似，在拉拔力作用时由埋入材料通过粘结传至周围混凝土的状态接近，试验反映不同深度锚杆周边混凝土应力有如下规律：(1)以锚杆为中心在水平方向和垂直方向均随距离增加，混凝土应力值迅速减小；(2)除表面应力有水平向为受压，垂直向受拉趋势外，其他位置受拉、受压规律不明显；(3)随着循环荷载次数增加，混凝土应力减小并趋于稳定，原因为粘结面在多次荷载作用下破裂使荷载往深部传递，同时浅部混凝土损伤而造成应力松弛。混凝土的变形及破坏情况为：锚杆与顶部混凝土表面出现明显滑移并有环状破裂，随着循环次数增加进一步出现放射状径向裂纹。锚杆的拉拔破坏过程与角钢抗拔试验的破坏过程类似，其规律和结论可以借鉴。
3 构造优化方案
裂缝控制措施中施工质量的因素比较容易解决，从设计上加强控制是根本。有人已经提出了原设计中需要改进的地方，建议将内部开口的复合箍筋改为十字交叉的封闭箍。但笔者认为这种改进不能阻止裂缝在基础顶面的开展，而基础顶面裂缝是导致侧面裂缝的源头，而且基础顶面裂缝引起的混凝土碳化和钢材的锈蚀尤其严重。
由以上两个拉拔实验的破坏过程可以发现，无论是锚杆还是角钢，受拉时相对于顶部混凝土表面会产生滑移并有径向裂纹，呈放射状发展。如果在拔出端的混凝土基础顶面预铺钢筋网，当拔出端混凝土出现开裂趋势时，钢筋网立即参与受力，钢筋的强度远高于混凝土。更重要的是所设钢筋网与抗拔试验中基础顶面的裂缝相交，钢筋网的存在拉住了基础顶面裂缝的开展，可以大大延缓纵向劈裂的发生，这一作用可以大大提高角钢与混凝土的粘结延性。
角钢插入式基础中预埋角钢周围混凝土厚度远大于地脚螺栓基础中预埋螺栓周围的混凝土，而且更便于铺设钢筋网，控制基础裂缝更有优势。
钢筋网片的设置如图2所示，施工时注意控制钢筋网保护层厚度50mm，不宜太大，否则控裂效果不明显；也不宜太小，铁塔基础的工作环境一般较差，而且基础混凝土强度等级不高。钢筋网最好和基础纵筋连接。
220kV输电线路工程混凝土基础的开裂主要形式为侧面纵向裂缝，这些裂缝是由基础顶部产生向深部及侧面延伸所致，如果在基础顶部预设双向钢筋网片，及时控制拉拔和受压反复作用产生的径向放射状裂缝，侧面纵向裂缝是可以避免或者减轻的。
为了防止裂缝在荷载很大时继续开展至侧面，第二道防线可以加密基础的箍筋。研究表明，横向配筋率不能明显提高钢骨与混凝土滑移前的粘结强度，但能改善滑移后的粘结性能。基础顶端的钢筋网和基础周边的箍筋形成一体可以分担主角钢拉压时传递到混凝土上的力，同时可以约束混凝土的开裂变形。
4 结束语
针对人为因素，对于现在广泛采用的角钢斜插式基础，在实验室模拟铁塔基础受力工况，观察破坏发生的全过程，针对影响粘结和耐久性的裂缝开展现象，提出在基础顶部适当位置铺设钢筋网片，并加密箍筋的方法控制裂缝开展，优化设计。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：输电线路；铁塔；基础设计；基础裂缝
Abstract：Transmission line towers based on force status and work environment is unfavorable to the existence of safety hazards and affect the durability of the more common phenomenon. Environmental conditions, loading conditions and objective reasons, but also man-made causes of construction and design are not in place. The concrete foundation cracks and expansion analysis, combined with angle plug-in basic drawing test failure process and failure modes of structural measures to improve the basic design.
Keywords: transmission lines; Tower; the basis of design; the basis of crack
中图分类号：TM621.5 文献标识码： A文章编号：2095-2104（2012）
0 引言
输电线路铁塔是重要的工程结构，其基础多采用主角钢下端加一定锚固件，直接埋入基础混凝土的做法，称为斜插式基础，其受力性能与经济性都优于传统的地脚螺栓直柱式基础。输电线路铁塔要承受风荷载、覆冰及断线事故等危险工况。输电线路多地处野外，狂风使主塔及基础受荷反复变化，容易导致混凝土基础裂缝开展，影响结构的耐久性，更重要的是反复的拉压会破坏插入角钢与混凝土基础之间的粘结，严重者会引起劈裂裂缝，危及结构安全。本文对某220kV输电线路铁塔基础混凝土裂缝进行了检测与加固工作。本次检测段线路总长70km，加固了其中的72基铁塔基础，每个铁塔下有4个混凝土基础短柱，尺寸为800mm×800mm，高1.2m，混凝土设计强度等级为C20。加固效果固然好，也没有影响电网运行，但工作量大，施工线路长，现场条件艰苦，用于检测和加固的费用也较多。针对铁塔基础容易出现的裂缝问题，在设计和施工中采取措施，保证铁塔基础的耐久性同时降低加固维修费用是完全可以实现的。
1 混凝土基础裂缝产生及扩展原因
混凝土是由水泥、砂、石材用水拌和硬化后形成的人工石材。浇注混凝土时的泌水作用会引起沉缩，硬化过程中由于水泥浆水化造成的化学收缩和干缩受到骨料的限制，会在界面引起结合破坏，形成随机分布的界面裂缝。混凝土中孔隙和界面初始微裂缝等缺陷是混凝土受力破坏的起源。这是正常的初始裂缝。另外，还有人为因素造成的先天缺陷：施工过程中的配合比不准，搅拌振捣不充分，养护不良等，会导致混凝土不匀质，离析，干缩大等原因产生的原始裂缝；箍筋位置、间距、绑扎等达不到设计要求，导致承载力低于设计值。尤其是第一根箍筋距离基础项面达130～450mm，使拔出端混凝土失去任何约束。还有环境因素的影響：土壤、地下水中的SO42+含量高，在混凝土中与水泥水化产物反应形成钙钒石结晶膨胀，使已经存在的裂缝进一步扩展。
先天缺陷在恶劣的环境条件下，加上突遇强大荷载(主要是风荷载)的反复作用，由塔腿主角钢通过粘结和锚固传入混凝土基础的拉压力不定，使基础混凝土中已经存在的初始裂缝扩展、增大。产生的裂缝中，轻微裂缝(宽度小于0.5mm)不会影响混凝土基础的承载力，属于非结构性裂缝，但由于环境因素的影响，可能继续发展成为结构性裂缝；结构裂缝开展宽度大于l.0mm，往往深及埋入的主角钢表面，延续至一定埋深范围。输电线路工程中基础混凝土最大裂缝宽度达5.0mm，开裂主要形式为基础项面裂缝及侧面纵向裂缝，大部分基础的破损属于结构性裂缝。裂缝出现已有相当长的时间，而且还在继续发展，对线路的安全运行构成严重隐患。该线路采用地脚螺栓连接塔腿和基础，在基墩顶面出现环状裂纹并径向延展至侧面。
2 角钢抗拔试验破坏过程
进行角钢插入式基础的抗拔试验，试验中观察到角钢拔出破坏过程：(1)混凝土基础的横截面首先出现裂缝，这是因为混凝土的抗拉强度不高，其轴心抗拉强度只有其立方体抗压强度的1／17～1／8，在设计轴心抗拉结构构件时，不考虑混凝土的抗力，原因就在于此。(2)当拉拔力达到一定值时，角钢外露处混凝土表面开裂。裂缝由角钢肢尖和肢背处开展并向外延伸，见图1。该试验l9个试件基本遵循这个规律，说明在角钢肢尖和肢背处有应力集中的现象。(3)随着拉拔力的增大，角钢与混凝土之间的粘结由外端向埋深里端逐渐破坏，基础顶面的裂缝纵向发展并延伸至侧表面。最后无附加锚固件的破坏形式为角钢拔出，附加了可靠锚固件的试件破坏形式变为角钢拉断。
对于受拉引起的基础横向裂缝，影响最大裂缝宽度的主要因素有角钢的应力、有效配筋率、钢筋的直径等，当承载力要求很高时，横向裂缝很难满足耐久性要求，必要时可以施加预应力。
研究埋入型钢或钢筋在拉拔力作用下，对周围混凝土的应力和变形状况的影响也十分必要。荣冠等进行了锚杆(圆钢和螺纹钢)埋入混凝土中的拉拔试验，除了常规的在锚杆上布置应变片测不同埋置深度的应力外，还在混凝土中埋设了应变砖，试验采用拉拔一卸载3个循环进行。该试验虽然不是角钢的抗拔试验，但基本原理类似，在拉拔力作用时由埋入材料通过粘结传至周围混凝土的状态接近，试验反映不同深度锚杆周边混凝土应力有如下规律：(1)以锚杆为中心在水平方向和垂直方向均随距离增加，混凝土应力值迅速减小；(2)除表面应力有水平向为受压，垂直向受拉趋势外，其他位置受拉、受压规律不明显；(3)随着循环荷载次数增加，混凝土应力减小并趋于稳定，原因为粘结面在多次荷载作用下破裂使荷载往深部传递，同时浅部混凝土损伤而造成应力松弛。混凝土的变形及破坏情况为：锚杆与顶部混凝土表面出现明显滑移并有环状破裂，随着循环次数增加进一步出现放射状径向裂纹。锚杆的拉拔破坏过程与角钢抗拔试验的破坏过程类似，其规律和结论可以借鉴。
3 构造优化方案
裂缝控制措施中施工质量的因素比较容易解决，从设计上加强控制是根本。有人已经提出了原设计中需要改进的地方，建议将内部开口的复合箍筋改为十字交叉的封闭箍。但笔者认为这种改进不能阻止裂缝在基础顶面的开展，而基础顶面裂缝是导致侧面裂缝的源头，而且基础顶面裂缝引起的混凝土碳化和钢材的锈蚀尤其严重。
由以上两个拉拔实验的破坏过程可以发现，无论是锚杆还是角钢，受拉时相对于顶部混凝土表面会产生滑移并有径向裂纹，呈放射状发展。如果在拔出端的混凝土基础顶面预铺钢筋网，当拔出端混凝土出现开裂趋势时，钢筋网立即参与受力，钢筋的强度远高于混凝土。更重要的是所设钢筋网与抗拔试验中基础顶面的裂缝相交，钢筋网的存在拉住了基础顶面裂缝的开展，可以大大延缓纵向劈裂的发生，这一作用可以大大提高角钢与混凝土的粘结延性。
角钢插入式基础中预埋角钢周围混凝土厚度远大于地脚螺栓基础中预埋螺栓周围的混凝土，而且更便于铺设钢筋网，控制基础裂缝更有优势。
钢筋网片的设置如图2所示，施工时注意控制钢筋网保护层厚度50mm，不宜太大，否则控裂效果不明显；也不宜太小，铁塔基础的工作环境一般较差，而且基础混凝土强度等级不高。钢筋网最好和基础纵筋连接。
220kV输电线路工程混凝土基础的开裂主要形式为侧面纵向裂缝，这些裂缝是由基础顶部产生向深部及侧面延伸所致，如果在基础顶部预设双向钢筋网片，及时控制拉拔和受压反复作用产生的径向放射状裂缝，侧面纵向裂缝是可以避免或者减轻的。
为了防止裂缝在荷载很大时继续开展至侧面，第二道防线可以加密基础的箍筋。研究表明，横向配筋率不能明显提高钢骨与混凝土滑移前的粘结强度，但能改善滑移后的粘结性能。基础顶端的钢筋网和基础周边的箍筋形成一体可以分担主角钢拉压时传递到混凝土上的力，同时可以约束混凝土的开裂变形。
4 结束语
针对人为因素，对于现在广泛采用的角钢斜插式基础，在实验室模拟铁塔基础受力工况，观察破坏发生的全过程，针对影响粘结和耐久性的裂缝开展现象，提出在基础顶部适当位置铺设钢筋网片，并加密箍筋的方法控制裂缝开展，优化设计。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。