温度应力和外荷载对输电铁塔基础立柱开裂的影响及防范措施研究

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随着输电线路电压等级不断提高,对输电结构的承载能力提出了更严格的要求。输电铁塔作为特高压输电线路中的重要结构,塔上部荷载大,基础承受着上部的全部的荷载,荷载直接作用于立柱,立柱起着将上部荷载安全地传递到地基作用,特高压输电线路中已有一些工程的基础立柱出现了开裂的现象。本文将从温度应力和外部荷载两个方面分析基础立柱裂缝成因,开展理论分析和数值模拟并提出相应的抗裂措施。主要研究内容与成果包括如下三个方面:(1)从混凝土温度场与温度应力基本理论出发,考虑龄期、养护温度、浇筑温度和混凝土徐变等对基础立柱水化热温度应力影响,编制相应的APDL计算程序对输电铁塔基础立柱水化放热过程中温度场与温度应力进行数值模拟,得到了基础立柱温度场温度应力场分布情况,由于散热条件不同,基础立柱中心和边缘温差较大,温度最大值和应力最大值均出现在立柱中心位置,在浇筑完成的28天后放热基本完成立柱温度与环境温度趋于一致。在三种生热函数下,龄期内立柱内的最大拉应力均小于混凝土的抗拉强度,因此温度应力导致立柱开裂的可能性不大。配筋能够改善基础立柱的导热性能,配置适当的温度钢筋能够增强立柱的抗裂性能,并对基础立柱温度裂缝提出针对性的综合预防措施。(2)计算中考虑混凝土与钢筋的本构关系,结合ABAQUS仿真计算,分析基础立柱在拉压荷载作用下损伤发展的过程。当立柱受压时,荷载通过法兰盘底面直接作用于立柱混凝土表面,立柱混凝土上表面与法兰连接处存在应力集中,随着荷载增加,混凝土内部微观裂缝不断扩展,裂缝从法兰盘边缘的混凝土一直延伸到基础立柱侧边,最终构件失效;在上拔荷载作用下,荷载通过锚杆方向向下传递且由近端向远端逐渐减小,由于锚杆与混凝土的变形不协调,故两者之间产生相对位移,锚杆顶端附近混凝土损伤较大,锚杆周围产生裂缝,随着上拔荷载的增加,锚杆与混凝土的粘结作用失效,直至锚杆拔出。(3)采用复合箍筋加固基础立柱能够约束混凝土的横向变形,抑制混凝土的裂缝开展,使得圣维南区应力场均匀化,有效的提高立柱的承载能力、刚度和延性,抑制损伤的发展,减少混凝土裂缝。对于在外层箍筋中心点布置菱形箍筋的构造措施,当立柱宽高比为1:2时,通过对比间距、直径等因素对混凝土立柱承载力和损伤的影响,从而给出间距100mm、直径12mm的菱形箍筋最佳布置措施。
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