提高大型基础界面延性的群锚构造及混凝土参数修正方法

1.本发明涉及提高大型基础界面延性的群锚构造及其参数确定方法，属于铁塔钢筋混凝土基础结构技术领域。


背景技术：

2.锚栓通过塔脚板与上部杆塔结构相连接，锚栓连接是基础与杆塔结构的连接最普遍方式。由于锚板周围钢筋混凝土抗拉、抗剪不足，因此常出现内部裂纹甚至扩展至表面，严重影响基础的力学性能和长期服役寿命。
3.锚栓通常设计为等长，锚栓在混凝土基础之间的力学传递以及变形具有非常明显的不均匀特性，这种不均匀的分布规律，导致基础的局部位置出现应力集中区域。
4.国内结构设计规范对于混凝土裂缝的控制方法基本采用限制最大裂缝宽度的方法。现行结构设计规范(gb50010-2010)中规定的裂缝宽度计算公式是在大量试验数据的基础上根据综合理论得出的半经验半理论公式。该公式关于短期荷载作用下裂缝宽度的要求过于严格，而规范中未考虑纤维作用以及疲劳荷载和长期效应的影响。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决目前锚栓的设计导致基础的局部位置出现应力集中区域的技术问题，为了克服现有技术中存在的该不足，本发明采用以下技术方案。
6.提供一种提高大型基础界面延性的群锚构造，所述群锚构造垂直置于基础内部，所述群锚构造包括上侧锚板、下侧锚板、锚栓、笼式桁架以及x形基础抗剪臂，所述上侧锚板、下侧锚板、锚栓、笼式桁架以及x形基础抗剪臂通过浇筑纤维混凝土形成一体化结构；
7.上侧锚板和下侧锚板分别位于顶部和底部；所述上下侧锚板和下侧锚板之间设置锚栓，所述锚栓通过螺母连接于锚板上；
8.所述上侧锚板和下侧锚板分别连接笼式桁架，且笼式桁架位于所述锚栓的内侧，所述笼式桁架包括内侧节点和外侧节点以及桁架结构，所述内侧节点、外侧节点以及桁架结构成空间三棱锥形状；
9.所述上侧锚板和下侧锚板的外周分别设置x形基础抗剪臂，所述x形基础抗剪臂包括向外周延伸的上肢臂和下肢臂，所述上肢臂和下肢臂呈现设定夹角，所述上肢臂和下肢臂相交的位置位于锚板上的外周位置，所述上肢臂和下肢臂的末端分别设置环形靴板段。
10.进一步地，所述笼式桁架的外侧节点根据锚栓设置于锚板上的锚栓孔间隔布置，内侧节点为锚板中心。
11.进一步地，所述锚栓包括外侧长锚栓和内侧短锚栓，所述笼式桁架的外侧节点根据短锚栓设置于锚板上的锚栓孔间隔布置，内侧节点为锚板中心。
12.再进一步地，所述外侧长锚栓和内侧短锚栓呈均匀内外两层等圆布置于锚板上。
13.进一步地，所述纤维混凝土采用pva高韧性纤维，纤维体积掺量为2％，并采用细石混凝土，拌合均匀发挥纤维桥连作用。
14.第二方面，本发明针对目前混凝土裂缝的参数计算方法未考虑纤维作用以及疲劳荷载和长期效应的影响，提供提高大型基础界面延性的群锚构造的混凝土参数修正方法，所述提高大型基础界面延性的群锚构造采用如以上技术方案任意一种可能的实施方式所提供的提高大型基础界面延性的群锚构造，所述参数修正方法包括：
15.裂缝平均宽度计算公式修正为：
[0016][0017]
其中wm为裂缝平均宽度，为裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数，σs为按荷载准永久组合计算的钢筋混凝土构件纵向受拉钢筋应力；es为钢筋弹性模量，为混凝土应变，lm为平均裂缝间距。
[0018]
平均裂缝间距修正为：
[0019][0020]
其中cs为锚栓外边缘到受拉区混凝土边缘距离，ρ
te
为有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率，d
eq
为受拉区纵向钢筋的等效直径。
[0021]
其他实施例中平均裂缝间距修正为：
[0022][0023]
长期裂缝扩大系数修正为：
[0024][0025]
其中a、b为材料系数，τs为短期裂缝扩大系数。
[0026]
短期裂缝扩大系数τs的计算公式如下：
[0027][0028]
其中为平均值，σ为标准方差。
[0029]
本发明所取得的有益技术效果：
[0030]
本发明通过提高大型基础界面延性的群锚构造，改善锚栓的内力分布，采用x形基础抗剪臂可以预防性降低基础开裂概率，或减小开裂程度。纤维混凝土发挥纤维桥连作用，提高基体抗裂强度及变形能力，改善开裂模式；采用笼式桁架连接短锚栓与锚板，可降低锚板上下混凝土的应力集中。
[0031]
具体实施例中采用长短布局及不同材质锚栓可以改善原有抗拔机制并节约高性能材料。
[0032]
在上述措施综合作用下，大大降低了基础外部宏观裂纹以及由此带来的锈蚀冻涨等病害，提高了基础耐久性能和使用寿命。
[0033]
同时本发明给出纤维混凝土裂缝修正算法，并考虑了纤维增韧效果，长期裂纹扩展效应，疲劳效应，通过修正来更合理指导基础设计。
附图说明
[0034]
图1是具体实施例提供的群锚构造俯视图；
[0035]
图2是具体实施例提供的群锚构造正视图；
[0036]
图3是具体实施例提供的群锚构造侧视图；
[0037]
图4是具体实施例提供的群锚构造中笼式桁架结构示意图一；
[0038]
图5是具体实施例提供的群锚构造中笼式桁架结构示意图二；
[0039]
图中标号分别代表：1.基础，2.锚栓，21长锚栓，22短锚栓，3.锚板，31.上侧锚板，32.下侧锚板，4.笼式桁架，5.x形基础抗剪臂，51.上肢臂，52.下肢臂，53.靴板段，6.纤维混凝土。
具体实施方式
[0040]
下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。
[0041]
实施例：如图1所示，一种提高大型基础界面延性的群锚构造，群锚构造垂直置于基础内部，包括：锚栓2，锚板3(包括上侧锚板31和下侧锚板32)，笼式桁架4，x形基础抗剪臂5以及纤维混凝土6。
[0042]
上侧锚板31和下侧锚板32位于基础1顶部和底部，并由高强度的锚栓2通过螺母连接。笼式桁架4与锚板3通过焊接相连；锚板3位于x形基础抗剪臂5中部。锚栓2、上侧锚板31和下侧锚板32、笼式桁架4和x形基础抗剪臂5通过浇筑纤维混凝土6成为一体。
[0043]
具体实施例中，群锚构造的设计具体包括：
[0044]
1)锚栓设计
[0045]
锚栓包括外侧长锚栓21和内侧短锚栓22，外侧长锚栓材质优选42crmo材质，内侧短锚栓材质选用q345材质，长锚栓锚固长度不低于35倍的螺栓直径。
[0046]
根据杆塔基础上拔力，按照《架空输电线路基础设计技术规程》(dl/t 5219-2014)对地脚螺栓群抗拔承载力进行验算，确定长锚栓规格及个数。
[0047]
2)构造要求
[0048]
地脚螺栓间距不应小于其直径的4倍。锚板外径尺寸按照地脚螺栓孔1.5倍的边距控制，厚度不低于30mm。
[0049]
笼式桁架高度为1m，上侧桁架采用q235钢材，直径为30mm，下侧桁架采用q345钢材，直径为50mm。笼式桁架以空间三棱锥为主要形状，外部节点根据短锚栓孔间隔布置，内侧节点为锚板中心。为提高锚板的抗变形能力并改善锚板附近混凝土应力集中将笼式桁架顶部各节点与锚板通过焊接相连。在上拔荷载作用下，上侧锚板31下方混凝土变形受到锚栓的拉力较大，而随着深度增加锚栓中部混凝土变形较小，从而导致上侧锚板31下方一定范围内形成碗形裂纹。因此，上侧笼式桁架布置于上侧锚板31下方，防止上侧锚板31下侧混凝土因拉力过大而产生裂纹。与此同时，下侧锚板32位移较小但应力很大，因此其上方混凝土变形受到锚板的压力较大，而锚栓中部的混凝土应力和变形较小，从而导致锚板上方一定范围内形成裂纹。因此，下侧笼式桁架布置于下侧锚板32上方，以此来防止上侧锚板31、下侧锚板32附近应力集中。
[0050]
x形基础抗剪臂5长度为1m，按照环形梁构造配筋，主筋选用φ16热成型钢，箍筋选用φ8@200。x形基础抗剪臂采用环形钢筋骨架，参考环形梁配筋，整体有上肢臂51和下支臂52，上肢臂51和下支臂52末端为靴板段53，上肢臂51和下支臂52以及靴板段53均采用钢筋结构，纤维增强型混凝土外力(拉力)由纤维混凝土和钢筋共同组成，由此可以有效降低钢
筋应力进而可以较为准确预测裂纹扩展规律。
[0051]
锚板在周期性荷载作用下在其45
°
方向上容易产生的裂纹扩展路径，因此x形抗剪臂提前布置在该处，可将应力扩展，预防性降低开裂概率和开裂程度。锚板位于x形基础抗剪臂中部，通过浇筑纤维混凝土形成刚性连接。
[0052]
纤维混凝土6采用pva高韧性纤维，纤维体积掺量为2％，并采用细石混凝土，拌合均匀发挥纤维桥连作用，不仅提高基体抗裂强度，而且在开裂后仍然保持一定的抗拉工作区间，同时改传统的主裂纹扩展为多裂缝开裂模式。从抗裂以及施工方面考虑，在锚板外侧1米范围内浇筑，加强振捣并及时监测。
[0053]
3)锚板设计
[0054]
本实施例中，锚板上沿环向等间距布置内外两层等圆设置的外侧圆孔和内侧圆孔，锚栓采用长短结合的组合形式均匀布置，外侧长锚栓21与外侧圆孔相对应，内侧短锚栓22与内侧圆孔相对应。在双层结构中，由于外侧长锚栓21能够发挥更大抗弯作用，因此采用外长内短的方式布置，同时外侧长锚栓21也采用强度更高的材料来更多承担力学传递及抗弯作用。该布置形式可改善锚栓力学分布。其中长锚栓21贯穿上下侧锚板32并由螺母固定于锚板3上，而短锚栓22通过螺栓分别与上侧锚板31和下侧锚板32相连。
[0055]
锚板为100mm厚的高强度钢板，锚板直径3200mm，外侧圆孔中心至锚板几何中心距离为1225mm，内侧圆孔中心至锚板几何中心距离为850mm，内外圆孔直径均为80mm。沿环向等间距布置内外两层等圆孔。外侧圆孔24个，内侧圆孔为16个。
[0056]
(2)加工及安装方案
[0057]
1)按照设计尺寸将锚板与笼式桁架相互连接，桁架与锚板焊接为整体。
[0058]
2)用锚板和地脚螺栓群组装为整体。
[0059]
3)在基础钢筋绑扎过程中，将整个螺栓群固定就位。地脚螺栓固定就位精度满足《110kv～750kv架空输电线路施工及验收规范》要求。
[0060]
4)现场绑扎x形基础抗剪臂，并通过绑扎与地脚螺栓、锚板临时固定。
[0061]
5)浇筑基础纤维混凝土。
[0062]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
[0063]
基于以上实施例提供的提高大型基础界面延性的群锚构造，本发明具体实施例还提供了提高大型基础界面延性的群锚构造的混凝土参数修正方法，包括：
[0064]
修正了长期裂纹扩大系数，受力特征系数α
cr
也相应进行修正。
[0065]
引入纤维应变：通常情况下，钢筋平均拉应变远远超过混凝土平均拉应变，所以常忽略混凝土平均拉应变，但当混凝土加入纤维后，混凝土基体的延性大大增强，最高可以达到原来的200倍。因此混凝土应变不能忽略，裂缝平均宽度计算公式修正为
[0066][0067]
wm裂缝平均宽度，mm；
[0068]
lm平均裂缝间距，mm。
[0069]
裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数；f
tk
为混凝土轴
心抗拉强度标准值；ρ
te
为按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率。
[0070]
σs为按荷载准永久组合计算的钢筋混凝土构件纵向受拉钢筋应力；es为钢筋弹性模量，n/mm2。
[0071]
混凝土应变。
[0072]
平均裂缝间距修正为：
[0073][0074]cs
—锚栓外边缘到受拉区混凝土边缘距离，mm。cs《20mm时取20mm，cs》65mm时取65mm，20≤cs≤65时cs按实际取值；
[0075]
ρ
te
—按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率；ρ
te
＝as/a
te
；其中as为受拉区纵向普通钢筋截面面积，a
te
为有效受拉混凝土截面面积，对轴心受拉构件取构件截面面积。当ρ
te
《0.01时,取ρ
te
＝0.01；
[0076]deq
—受拉区纵向钢筋的等效直径；
[0077]
规范中系数为1.9和0.08，但锚栓相当于高强度钢筋，根据《长期荷载作用下配置500mpa级钢砼受弯构件裂缝宽度及挠度试验研究》，该系数应该降低。
[0078]
平均裂缝间距与钢筋直径、配筋率和混凝土保护层厚度有较明显的关系，保护层厚度相同时，平均裂缝间距与大致成线性关系，同样不变，平均裂缝间距随cs增大而增大，也大致成线性关系。
[0079]
可以根据试验数据，对锚栓混凝土基础平均裂缝间距公式进行了修正，根据滑移理论考虑了纤维混凝土本身的变形，通过回归分析得到新的平均裂缝间距按照如下公式修正，如：
[0080][0081]
循环荷载修正：在长时间的疲劳荷载作用下，钢筋混泥土损伤后，裂纹会经历萌生，扩展以及断裂。其中，钢筋混凝土表面裂缝开展速度先快后慢，即在早期疲劳荷载对裂纹影响较大，进入稳定阶段后循环次数对影响相对减小。因此引入疲劳荷载扩大系数并采用对数形式表达，反映了疲劳荷载对裂纹影响。
[0082][0083]
为考虑循环影响后的平均裂缝间距，n循环次数，n疲劳寿命。
[0084]
a、b为材料系数。
[0085]
长期裂缝扩大系数以及受力特征系数修正：
[0086]
首先计算短期裂缝扩大系数，短期裂缝宽度除以相应构件的短期平均裂缝宽度得到随机变量根据该量的统计学分布，得到平均值(如：1.0)，标准方差σ(如：0.498)。若按95％的保证率考虑，计算短期裂缝扩大系数。
[0087]
[0088]
然后，根据试验得到的长期裂缝宽度除以相应构件的短期平均裂缝宽度得到随机变量根据统计结果计算其平均值a和标准方差b。在95％保证率条件下长期裂缝扩大系数
[0089][0090]
同时混凝土的受力特征系数α
cr
也相应进行修正，即
[0091][0092]
其中，τ
l
τi等于
[0093]
α0—裂缝间混凝土伸长对裂缝宽度的影响系数，取为0.85；
[0094]
β——与构件受力状态有关的系数，
[0095]
ψ—上述两个扩大系数相乘时的组合系数，取0.9；
[0096]
α
cr
为构件受力特征系数
[0097]
修正后系数长期最大裂缝宽度为：
[0098][0099]
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。