输电铁塔与基础两种连接方式的对比分析

陈相家，宋卓彦，何春晖，王 龙，杨博杰，何树生

（国网山东省电力公司经济技术研究院，山东 济南 250013）

0 引言

目前，输电线路铁塔与基础的连接方式主要有地脚螺栓连接和插入角钢连接两种。

地脚螺栓连接也称为塔脚板式连接，一般在基础主柱中预埋4根或多根同规格、等长度的地脚螺栓连接件（端部采取锚固措施），通过塔脚板与铁塔进行连接。该连接方式适用于直柱板式基础、台阶式基础、掏挖基础、桩基础、岩石嵌固基础、岩石锚杆基础和联合基础等多种基础型式。地脚螺栓推荐用材料主要有Q235碳素钢、35号优质碳素钢、40Cr合金结构钢和42CrMo合金结构钢等[1]。常见的地脚螺栓构造型式有棘爪型和双头型等。

插入角钢连接通过预埋角钢短构件，上端连接塔腿主材，下端插入基础主柱，将铁塔与基础进行连接，适用于斜柱式基础（又称插入式基础）。文献[2]对插入式基础的计算方法做出了详细规定，国内外都曾有大量应用，尤其在220 kV及以上电压等级输电线路工程直线塔中应用较为广泛。

本文从技术、经济、安全和效率4个方面对两种连接方式进行对比分析。

1 技术分析

1.1 设计方面

1.1.1 受力分析

由于自立式输电铁塔与基础的连接方式为点状连接，上部荷载作用到基础上的荷载为上拔力、下压力及其相应的水平分力。按目前常规自立式铁塔基础作用力试算，作用于基础顶面的水平合力约为上拔力的15%～24%。相较于地脚螺栓连接，插入角钢连接中插入角钢坡度、基础主柱坡度与塔腿主材坡度保持一致，基础的轴力直接沿主柱轴线传至基底中心，可有效减小水平力对主柱、底板产生的弯矩。经试算，根据不同塔腿坡度所采用的斜柱式基础使得与基础轴线垂直的水平力减少50%～90%，而斜柱轴向基础作用力仅增大1%～5%，从而大大改善了基础主柱、底板的受力情况，提高了基础抗倾覆性能[3]。两种连接方式受力对比情况如表1所示。

表1 两种连接方式受力对比情况

由表1可知，插入式基础受力连续，水平分力较小，可有效减小基础的倾覆弯矩，基础受力更优。

1.1.2 适用范围

1）杆塔型式。地脚螺栓连接适用于角钢塔、钢管塔和钢管杆等多种杆塔型式，直线塔和转角塔也适用。插入角钢连接仅适用于角钢塔，不能用于钢管杆基础的设计。

2）基础型式。地脚螺栓连接适用于直柱板式基础、直柱台阶式基础、掏挖基础、桩基础、岩石嵌固基础、岩石锚杆基础和联合基础等多种基础型式，在斜柱式基础中也有工程应用。插入角钢连接仅适用于斜柱式基础。

3）地质条件。地脚螺栓连接适用于平地、丘陵、山地、河网、泥沼和沿海滩涂等地质条件，在采动影响区等不良地质条件下尤其适用。插入角钢连接不适用于采空区等不良地质条件和沿海台风地区[4]。

1.1.3 工程抢修

按现行规范，基础可靠度抗力分项系数大于铁塔，铁塔产生破坏时，基础及地脚螺栓一般不易被破坏，利用原基础及地脚螺栓可以重新立塔，有利于工程抢修，缩短抢修工期。

当采用插入角钢连接时，由于插入角钢与主材连在一起，插入角钢也会产生变形，不能被修复，导致整个基础直接作废，需重新浇筑基础，造成抢修工期较长。插入角钢基础破坏情况如图1所示。

图1 插入角钢基础破坏图

1.2 施工方面

1.2.1 施工精度

根据文献[5]的要求，铁塔塔脚板底板上螺栓孔直径为地脚螺栓直径的1.25倍，因此，地脚螺栓连接安装时有一定的调节范围，施工精度易满足。

当采用插入角钢连接时，由于插入角钢需要和塔腿主材坡度一致，施工单位需要对角钢正侧面坡比、角钢顶棱对棱根开、基础顶面角钢棱对棱根开、基础根开和角钢外露长度等尺寸做到精准施工。如果施工精度不能满足要求，可能会出现强行组装的情况，使插入角钢与塔腿主材连接处出现应力集中现象，造成永久性安全隐患。

1.2.2 施工技术

目前，地脚螺栓连接施工技术更为成熟，也更符合施工人员的施工习惯，不同技术水平的施工队伍均可正常开展工作。而插入角钢连接对施工队伍的技术水平要求较高，一些小型施工队伍由于经验不足，开展工作相对困难。

1.2.3 施工质量

如果地下水位较高，在基础开挖时，坑壁容易坍塌，基坑成型难度较大，一般基坑面积远大于基础底板面积。若地下水控制不到位，极易造成基础整体偏移。此时，当基础采用地脚螺栓连接时，可通过在地脚螺栓上加垫板或垫片的方法，实现基础的纠偏。但当基础采用插入角钢连接时，基础纠偏非常困难，若出现不纠偏或纠偏不到位就强行铁塔组立，会对铁塔造成永久性安全隐患。

1.3 技术分析小结

通过对地脚螺栓连接和插入角钢连接两种连接方式的技术分析，结论如下：

1）设计方面。地脚螺栓连接具有适用范围广泛、有利于工程抢修、设计效率高和设计技术成熟等优点，但地脚螺栓连接基础受力不连续、倾覆弯矩大。插入角钢连接基础受力连续、倾覆弯矩小，但存在适用范围受限、工程抢修困难、抢修时间长和设计水平要求高等缺点。

2）施工方面。地脚螺栓连接具有施工精度易满足、基础倾斜时易纠偏和施工技术成熟等优点。插入角钢连接存在基础施工质量受地质条件制约、施工精度要求高和施工技术操作复杂等缺点。

2 经济性分析

现通过对220 kV电压等级的直线塔和转角塔分别进行杆塔及基础本体造价对比分析。

杆塔模块选取常用的双回路2E3和2E5模块，直线塔选用常用的2型直线塔，转角塔选用常用的2型转角塔。

基础地质条件选用常见的平原地质条件，粉质黏土、可塑、无地下水。

技经造价定额选取C25商品混凝土价格为510 元／m3，C15 商品混凝土价格为 490 元／m3，钢筋价格为 3700元／t，地脚螺栓价格为 6500元／t，塔材价格为9213元／t，插入角钢价格同塔材，以上均为含税价。

2.1 铁塔本体造价对比分析

直线塔2E3-SZ2塔重及本体造价对比见表2。

表2 直线塔2E3-SZ2塔重及本体造价对比表

由表2可知，对于直线塔2E3-SZ2，地脚螺栓连接较插入角钢连接塔重增加1.5%～2.0%，本体造价增加1.5%～2.0%。

转角塔2E5-SJ2塔重及本体造价对比见表3。

表3 转角塔2E5-SJ2塔重及本体造价对比表

由表3可知，对于转角塔2E5-SJ2，地脚螺栓连接较插入角钢连接塔重增加2.5%～3.0%，本体造价增加2.5%～3.0%。

2.2 基础本体造价对比分析

本次计算岩土地质条件取粉质黏土可塑（上拔角取20°），地下水位取无水，岩土地质条件参数见表4。

表4 地质条件参数表

直线塔2E3-SZ2基础本体造价对比见表5。

由表5可知，地脚螺栓连接较插入角钢连接，基础混凝土量相差不大，但基础钢筋量相差较大，基础本体造价增加约2.39%。

表5 直线塔2E3-SZ2基础本体造价对比情况

转角塔2E5-SJ2基础本体造价对比如表6所示。由表6可知，地脚螺栓连接较插入角钢连接，基础混凝土量略高，基础钢筋量增加较多，基础本体造价增加约6.37%。

表6 转角塔2E5-SJ2基础本体造价对比情况

2.3 总造价对比分析

结合国网公司通用造价和工程经验，选取转角塔比例20%，杆塔占总造价比例30%，基础占总造价比例25%，将上述计算结果，折合到总体造价中，得出结论：对于常规220 kV双回路输电线路工程，地脚螺栓连接较插入角钢连接，工程总造价增加约1.4%。

3 安全性分析

从管理、施工和运行3个方面对两种连接方式的安全性进行分析。

3.1 管理安全

2017年，国网公司先后印发了基建安质〔2017〕57号《国网基建部关于加强输电线路工程地脚螺栓管控的通知》、基建技术〔2017〕92号《国网基建部关于进一步规范输电线路杆塔设计地脚螺栓选用要求的通知》、国家电网基建〔2018〕387号《国家电网公司关于印发 〈输电线路工程地脚螺栓全过程管控办法〉（试行）的通知》，对规范地脚螺栓连接过程管控起到了重要作用。

由于插入角钢连接在实际工程中应用较少，至今未对插入角钢连接单独下发相关文件，对插入角钢连接的管控相对欠缺。

3.2 施工安全

地脚螺栓连接存在地脚螺栓规格或材质用错、螺杆和螺帽不匹配和螺帽紧固不到位等问题。

插入角钢连接存在施工精度不能满足要求的风险，存在不能纠偏或纠偏不到位的风险，存在施工队伍经验不足的风险，存在山区长短腿基础根开控制困难的风险，存在转角塔基础预偏控制困难的风险，存在不同加工单位生产的插入角钢和铁塔不匹配的风险。

3.3 运行安全

插入角钢与基础主柱交叉处因为冻融循环、风振等原因，镀锌层易受损伤，导致插入角钢腐蚀，存在运行安全隐患。

4 效率分析

从管理、设计、施工和物资采购4个方面对两种连接方式进行效率分析。

4.1 管理效率

地脚螺栓现均由甲方采购，建议插入角钢也采用甲方采购方式，两者在管理效率上没有明显区别。

4.2 设计效率

对于通用设计中没有插入角钢连接铁塔加工图的杆塔、新设计杆塔和需验算杆塔，插入角钢连接只有等杆塔加工图纸确定后，才能进行基础设计，与常规的出图及施工时序相反，造成交图时间延后等问题。而地脚螺栓连接不受杆塔加工图纸的限制，因此，地脚螺栓连接设计效率更高。

4.3 施工工期

直线塔的施工对于有经验的施工队伍，两者施工工期基本一样。但对于转角塔，插入角钢连接由于操作复杂，施工工期较长。尤其对于经验不足的施工单位，插入角钢连接的施工周期更长、效率更低。

4.4 物资采购

当地脚螺栓采用性能等级为4.6级和5.6级时，采购周期同插入角钢相当；当地脚螺栓采用性能等级为 8.8 级（40Cr、42CrMo）时，地脚螺栓采购、加工、实验周期相对较长。

5 结语

本文针对地脚螺栓连接和插入角钢连接两种输电线路铁塔与基础的连接方式，在技术、经济、安全、效率等方面进行了比较，尽管插入角钢连接较地脚螺栓连接基础受力更优且在经济性上具有微弱优势，但综合考虑安全、质量、技术和效率等方面，地脚螺栓连接较插入角钢连接具有明显优势，更适合工程推广应用。