阅读说明：本技术 多年冻土区杆塔基础结构、杆塔结构及施工方法 (Tower foundation structure in permafrost region, tower structure and construction method ) 是由 张晓栋 王强 万一农 孙田 赵玮 张学武 吴亚飞 田志军 徐文玺 王玉环 田升平 于 2020-06-29 设计创作，主要内容包括：本公开涉及多年冻土区杆塔基础结构、杆塔结构及施工方法,杆塔基础结构用于连接和固定杆塔,杆塔基础结构包括筒体、第一端盖、第二端盖、工质和连接结构。筒体内部沿轴向具有贯通的空腔；第一端盖设置于筒体的第一端并与筒体之间密封连接；第二端盖设置于筒体的第二端并与筒体之间密封连接,第二端盖、筒体和第一端盖共同围合形成密闭腔室；工质封闭于密闭腔室中,工质以液态和气态形式存在于密闭腔室中,工质吸收热量后能够从液态转变为气态,气态的工质在冷凝段释放热量并液化；连接结构设置于筒体的第一端,连接结构用于连接杆塔。杆塔基础结构能防止活动层冻土季节性反复冻结-融化使筒体拔出或倾斜而影响杆塔稳定。(The utility model relates to a tower foundation structure, shaft tower structure and construction method in permafrost region, tower foundation structure are used for connecting and fixed shaft tower, and tower foundation structure includes barrel, first end cover, second end cover, working medium and connection structure. A through cavity is formed in the cylinder body along the axial direction; the first end cover is arranged at the first end of the cylinder body and is in sealing connection with the cylinder body; the second end cover is arranged at the second end of the cylinder body and is in sealing connection with the cylinder body, and the second end cover, the cylinder body and the first end cover jointly enclose to form a closed chamber; the working medium is sealed in the closed chamber, the working medium exists in the closed chamber in a liquid state and a gaseous state, the working medium can be converted into a gaseous state from the liquid state after absorbing heat, and the gaseous working medium releases heat and is liquefied in the condensation section; the connecting structure is arranged at the first end of the barrel and used for connecting a tower. The tower foundation structure can prevent the stability of the tower from being influenced by the fact that the barrel is pulled out or inclined due to seasonal repeated freezing-melting of the frozen soil of the movable layer.)

多年冻土区杆塔基础结构、杆塔结构及施工方法

技术领域

本公开涉及电力杆塔基础、电气化铁路接触网支柱基础技术领域，尤其涉及一种多年冻土区杆塔基础结构、杆塔结构及施工方法。

背景技术

杆塔是架空输电线路中用来支撑输电线的支撑物，接触网支柱是电气化铁路接触悬挂的支持结构。杆塔、接触网支柱多为钢结构或预应力钢筋混凝土结构。在高原多年冻土区，上层冻土(活动层)是对气候和温度变化极为敏感的不稳定土体。在气候变化和人为因素等外界影响下，冻土受到热扰动后温度场重新分布，发生反复冻融，可能引起冻土地区杆塔基础发生严重的变形，导致倾斜甚至坍塌。因此，塔基下的冻土温度场对塔桩的承载力有显著影响，现已越来越得到重视。

在冻土区杆塔基础的建设中，钻孔灌注桩以其承载力高，适用性广，施工方法简单等优点成为输电线路杆塔基础最常用的基础形式。在冻土区，钻孔灌注桩施工对冻土的扰动影响很大，桩侧土体回冻时间长，混凝土的水化热是热扰动最主要的来源。因此，有必要对冻土地区塔桩热扰动问题进行深入研究。

发明内容

为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种多年冻土区杆塔基础结构、杆塔结构及施工方法。

第一方面，提供一种杆塔基础结构，杆塔基础结构用于连接和固定杆塔，杆塔基础结构包括筒体、第一端盖、第二端盖、工质和连接结构。筒体内部沿轴向具有贯通的空腔；第一端盖设置于筒体的第一端并与筒体之间密封连接；第二端盖设置于筒体的第二端并与筒体之间密封连接，第二端盖、筒体和第一端盖共同围合形成密闭腔室；工质封闭于密闭腔室中，工质以液态和气态形式存在于密闭腔室中，工质吸收热量后能够从液态转变为气态，气态的工质在于筒体内壁接触时能够释放热量并液化；连接结构设置于筒体的第一端，连接结构用于连接杆塔。

在第一种可能的实现方式中，连接结构固定于筒体的周面。

结合上述可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，连接结构为法兰盘，法兰盘与第一端的端面具有预定距离。

结合上述可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，法兰盘与筒体之间设置有加强筋板。

结合上述可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，还包括散热结构，散热结构设置于筒体外周且位于筒体的第一端侧。

结合上述可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，散热结构为散热翅片。

结合上述可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，还包括金属外套筒，金属外套筒的内径与筒体的外径一致，金属外套筒可拆卸地套接于筒体外。

第二方面，提供一种杆塔结构，包括杆塔段和基础段，其中，基础段为第一方面中任一说明的杆塔基础结构，杆塔段通过连接结构与杆塔基础结构同轴固定连接。

在第一种可能的实现方式中，杆塔段与杆塔基础结构之间设置有隔热层。

第三方面，提供一种杆塔基础结构施工方法，用于在多年冻土区埋设第一方面中任一说明的杆塔基础结构，杆塔基础结构施工方法包括如下过程：在地基上钻孔以获得基孔，基孔的孔径小于杆塔基础结构的直径，基孔进入多年冻土层；将杆塔基础结构压入基孔，使杆塔基础结构的第二端与基孔的底部接触。

本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：筒体内的工质使得筒体源源不断从季节性冻土层中吸收热量并向上方传递，可以使筒体及其周围的冻土保持较低的温度，防止冻土融化，因而也不会再有冻胀现象，不会发生因反复膨胀过程使筒体发生倾斜或被向上“拱出”的现象。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开一个实施例中杆塔基础结构的示意图；

图2为图1中杆塔基础结构剖面示意图；

图3为图1中杆塔基础结构的应用场景示意图；

图4为图3中A-A视图。

其中，100-筒体，110-第一端，120-第二端；200-第一端盖，210-加强筋；300-第二端盖；400-连接结构；500-散热结构；600-杆塔段；700-工质，710-气态工质，720-液态工质；a-季节性冻土层，b-多年冻土层。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。

本公开提供的杆塔基础结构主体为一根两端封闭且密闭的筒体，筒体内部的密闭空腔中充入工质。工质以液态和气态形式存在于密闭腔室中，工质吸收热量后能够从液态转变为气态，气态的工质在于筒体内壁接触时能够释放热量并液化。使用时筒体竖直设置，下段埋入冻土层以下，液态的工质在重力作用下始终位于下端。筒体的上端有一段设置在冻土层以上，因此可以向外界很好地散热。筒体的顶端设置连接结构以连接杆塔。上述结构的杆塔基础结构，能够利用工质在气液两态转换过程中的吸放热现象将冻土层中的热量转移至筒体顶端并散至周围环境中。筒体可以为金属结构，因此无需较大的横截面积(如350mm)即可具有足够的强度支撑杆塔，在安装杆塔基础结构的施工过程中只需开挖与杆塔基础结构直径相当的孔径，就无需开挖较大的孔/坑，从而减小对多年冻土层温度场的影响。

参考图1至图4，图1为本公开一个实施例中杆塔基础结构的示意图，图2为图1中杆塔基础结构剖面示意图，图3为图1中杆塔基础结构的应用场景示意图，图4为图3中A-A视图。

杆塔基础结构用于连接和固定杆塔600，杆塔600可以用来支撑接触网等电力线路。

杆塔基础结构包括筒体100、第一端盖200、第二端盖300、连接结构400、散热结构500和工质700。筒体100可以由无缝钢管制成，材质可以为Q235，可以使筒体100具备较大的强度。筒体100的内部沿轴向为贯通的空腔。钢管管壳的焊缝处外表面应进行渗透检测。筒体100外径为350mm。第一端盖200设置于筒体100的第一端110，二者之间密封连接。具体可以是第一端盖200外圆周设置外螺纹，筒体100内壁设置内螺纹，通过螺纹实现密封连接。也可以是第一端盖200直接与第一端110之间焊接连接，既能保持强度，又能具有稳定的密封性。第二端盖300设置于筒体100的第二端120，二者之间密封连接。具体可以是第二端盖300外周面设置外螺纹，筒体100内壁设置内螺纹，通过螺纹实现密封连接。也可以是第二端盖300直接与第一端110之间焊接连接，既能保持强度，又能具有稳定的密封性。

筒体100、第一端盖200和第二端盖300共同围合形成一个密闭腔室。密闭腔室内设置工质700。工质700可以为液氮或液态二氧化碳，工质700在筒体100内部可以有气态工质710和液态工质720两种存在形式。筒体100竖直设置时，工质700位于最下方，经筒体100的管壁从外界吸收热量后，部分工质会蒸发形成气态工质710。气态工质710沿着腔室上升至密闭腔室的第一端110侧，并与筒体100的管壁接触放热冷凝为液态工质720。液态工质720沿管壁流淌至最下方，并可以在吸热后再次气化上升。上述过程不断循环，能使筒体100的下部保持低温。筒体100的管壁吸收的热量可以散发至环境中。

连接结构400设置于筒体100的第一端110，用于连接杆塔。本实施例中，连接结构400为法兰盘。法兰盘套设在筒体100外周面，与筒体100之间焊接连接固定。法兰盘与第一端110的端面之间具有预定距离。理论上第一端盖200可以与连接结构400为一体结构，即，使用一个直径大于筒体100外径的圆盘与筒体100同心地焊接在筒体100端面，一并实现密封筒体100和连接杆塔的功能。连接结构400为受力件，会承受杆塔重力及杆塔的倾覆力矩，因此内部会有应力。连接结构400与筒体100之间焊接连接，筒体100也会承受上述应力。本公开中连接结构400与第一端盖200之间设置有预定距离后，能减小应力对第一端盖200与筒体100之间焊缝的影响。并且，在一些工艺中，连接结构400是先被焊接在筒体100上，再加工连接孔，第一端盖200和连接结构400为分体形式能避免加工过程的刀具作用对第一端盖200的焊缝产生影响。

连接结构400与筒体100周面之间还设置有多个加强筋210，加强筋210能增大连接结构400的强度。并且，加强筋210位于杆塔基础结构的第一端110侧，还能增大杆塔基础结构的整体表面积，相当于增大了散热表面积。

散热结构500为多个散热翅片，位于筒体100的第一端110附近的表面。散热翅片为矩形金属板，沿筒体100母线设置，多个散热翅片环绕筒体100周面设置。在一些可选实施例中，散热翅片可以与连接结构400之间接触并焊接连接，可以增大连接结构400的强度。在另一些可选实施例中，散热结构500还可以为其他结构形式，如环绕筒体100表面的螺旋翅片。在另一些可选实施例中，还可以不设置散热结构，仅依靠筒体100的表面进行散热。

冻土层包括季节性冻土层a和多年冻土层b两部分，季节性冻土层a会因温度变化反复冻融，多年冻土层b则常年保持冻结状态。杆塔基础结构安装就位时，筒体100的第二端120位于多年冻土层b中，筒体100与多年冻土层b之间冻结为一体，可以实现稳固的锚固。

土壤在冻结时会发生膨胀，膨胀过程对筒体100的作用力会对筒体100产生侧向的作用力，如果冻土反复冻融，反复的膨胀过程会使筒体100发生倾斜或被向上“拱出”。而使用本公开提供的杆塔基础结构，筒体100内的工质700使得筒体100源源不断从季节性冻土层a中吸收热量并向上方传递，可以使筒体100及其周围的冻土保持较低的温度，防止冻土融化，因而也不会再有冻胀现象。

本公开提供的杆塔结构，包括杆塔段600和前述实施例中的杆塔基础结构，杆塔段600与杆塔基础结构中的连接结构400固定连接。杆塔段600为金属杆塔，底部具有与连接结构400适配的底座，如法兰盘，并通过多组螺栓固定连接。杆塔段600与连接结构400间还可以设置隔热层/垫，防止杆塔段600的热量向下传递。

施工时，可以按照如下施工方法将杆塔基础结构固定在冻土中。

在地基上钻孔以获得基孔，基孔的孔径小于杆塔基础结构的直径，基孔进入多年冻层。如杆塔基础结构中筒体的直径为350mm，基孔的孔径可以设为330mm。将杆塔基础结构压入基孔，使杆塔基础结构的第二端与基孔的底部接触。杆塔基础结构的底端可以设置倒角或圆角，以便于压入过程中对筒体进行导向。

采用上述方法安装杆塔基础结构，基孔与杆塔基础结构之间不会存在空隙，无需回填细沙、砂浆或混凝土，没有水或水化热放热，对多年冻土层的温度场影响很小。传统钢筋混凝土材质的杆塔基础结构体积较大，施工时需要先开挖相当大的坑洞，对多年冻土层的温度场影响较大，且混凝土水化放热会对周围冻土产生更大的影响。相对于传统钢筋混凝土材质的杆塔基础结构施工，本公开的杆塔基础结构施工更简单，使用钻机钻孔完毕后，直接将成品压入基孔即可。

在一些实施例中，杆塔基础结构还包括金属外套筒(图未示)，金属外套筒的内径与筒体的外径一致，金属外套筒可拆卸地套接于筒体外。施工时，先钻比金属外套筒外径略小的基孔，再将金属外套筒压入基孔中。金属外套筒就位后将可拆卸封盖从金属外套筒中取出，再将杆塔基础结构的筒体***金属外套筒中。这种结构和方法，无需直接对杆塔基础结构的筒体施加压力，可以防止破坏筒体。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。