宝子们别慌！整体基础作用力输入，三分钟给你盘明白

▲ 江湖救急！联合基础作用力怎么输入？

导读： 单塔腿基础输入两组力就够，整体基础却要同时承受四个塔腿的力——同一工况、四个腿，怎么搞？本文手把手教你从工况选取到简化输入，盘清 SmartFoundation 整体基础作用力输入的来龙去脉。

01 问题源起：为什么整体基础让人头大？

Why It's Confusing

宝子们平时设计输电铁塔基础，一般只需要输入两组工况的作用力：最大上拔力工况和最大下压力工况。为啥？因为咱们设计的是单个塔腿的基础，各个塔腿之间各管各的、互不干扰，输入这两组力就能包络住单腿基础所有工况下的受力情况了。

但整体基础不一样啊！它同时承受的是铁塔四个塔腿对基础的作用力，而且要求各个塔腿的作用力都属于同一工况。这就和单腿基础输入作用力的方式有本质区别了——也是大家最困惑的地方。

一句话总结：整体基础 = 四个塔腿 × 同一工况，不是简单的"四倍单腿力"。

02 整体基础设计的作用力工况选取

Load Case Selection

既然要求各个塔腿的作用力都属于同一工况，那问题来了：选哪些工况来设计整体基础？

有宝子可能会问：我直接取最大上拔力工况下的4个塔腿作用力，和最大下压力工况下的4个塔腿作用力来设计整体基础，行不行？

——且慢，咱们先看看国网典设怎么说。

国网典设的启示：220-GC21GQ模块

参考22年版国网杆塔典设模块 220-GC21GQ，咱们来看看4柱窄基组合钢管杆的基础设计作用力是怎么给的。

▲ 国网典设模块说明

以 220-GC21GQ-J2 为例，表格中给出了两组力：基础作用力和主柱作用力。

▲ 220-GC21GQ-J2 基础作用力

注意表格下方的小字注释：

"窄基组合钢管杆通常采用联合基础，其中基础作用力用于联合基础设计，主柱作用力用于立柱设计。"

这段话信息量很大：

·主柱作用力 → 用于立柱设计，承受的是单腿作用力，可以理解为最大上拔力工况和最大下压力工况这两组力。

·基础作用力 → 用于联合基础（整体基础）设计，是所有工况中四个塔腿对基础产生整体最大弯矩的一组力。

重点来了： 整体基础设计的作用力至少要包括 3组工况：          最大上拔力工况 + 最大下压力工况 + 整体最大弯矩工况

03 SmartTower 基础作用力提取

Extracting Forces from SmartTower

整体基础设计要求各个塔腿的作用力必须是同一工况的，所以需要从 SmartTower 的计算成果文件 .CSE 里把各腿同一工况下的作用力提取出来。

下面以铁塔 110-ED21S-J4 为例，手把手教你操作。

▲ 110-ED21S-J4 铁塔

Step 1： 从 SmartTower 的基础作用力表中，找到最大上拔力工况和最大下压力工况的编号。

▲ SmartTower基础作用力表 - 工况编号

可以看到，最大上拔力工况编号为 2，最大下压力工况编号为 9。

Step 2： 用文本编辑器打开 110-ED21S-J4.CSE，找到整体最大弯矩工况（CSE文件中仅输出了所有工况的合力和弯矩，需要人工导出，再找出整体最大弯矩工况）

▲ CSE文件中查找整体最大弯矩工况

这里可以看到整体最大弯矩工况也是 2。

Step 3： 在 .CSE 文件的这个位置，提取各腿在各工况下的基础作用力。作用力如何看，参见下图。

▲ CSE文件中各腿基础作用力提取位置

04 SmartFoundation 基础作用力输入

Inputting Forces into SmartFoundation

4.1 坐标系一致性问题

不同软件之间涉及力的准确输入，前提是要先确认各自的作用力坐标系。如果坐标系不一样，就要先转换再输入。

好消息是：SmartTower 和 SmartFoundation 的作用力采用同一个坐标系。

▲ SmartTower与SmartFoundation坐标系

4.2 绕不开的"符号取反"问题

有细心的宝子可能会说：等等！SmartTower 的基础作用力是上拔为正、下压为负，而 SmartFoundation 的基础作用力是上拔为负、下压为正，两个软件竖向力的正负号完全相反，坐标系怎么可能一样？

这里就要说到 SmartTower 基础作用力输出的底层逻辑了。

SmartTower 输出的基础作用力，其实是杆单元节点在整体坐标系下的作用力，这个力的作用对象是铁塔本身。还是以 110-ED21S-J4 铁塔 90°风工况为例，从 CSE 文件提取的各腿作用力是这样的：

▲ 90°风工况各腿作用力

但是！我们设计基础的时候，作用力的对象是基础而不是铁塔。根据牛顿第三定律（作用力与反作用力），我们需要先对 SmartTower CSE 文件中的基础作用力符号取反，才能作为输入喂给 SmartFoundation。

来看个直观对比：

▲ 符号取反前后对比

看到没？取反之后，SmartTower 和 SmartFoundation 的作用力符号就是一致的了。之前觉得两个软件坐标系不同，只是因为 CSE 文件中的作用力作用对象是铁塔，给整误会了

划重点：

对于整体基础，SmartFoundation 对水平力是按矢量处理的，水平力的正负选取非常重要。而单腿基础模块（承台桩系列模块除外），SmartFoundation 内核会自动处理水平力正负，宝子们输入时可以不用纠结正负问题。

05 "两压两拉"简化输入方法

Simplified Input Method

"小编你说得都对，可大多数情况下我们根本没有典设模块的铁塔模型啊！怎么搞整体基础？"

——这确实是很多宝子的实际情况：手里只有典设说明中给的最大上拔力工况和最大下压力工况两组力，没法建模算整体弯矩工况。

别急，我们可以利用这两组力来做保守设计，方法如下：

首先明确塔腿的定义：

▲ 塔腿定义

特别说明： SmartFoundation 允许用户修改塔腿定义，实际输入以界面右侧简图显示的塔腿为准。

▲ SmartFoundation设计时的塔腿定义

假设铁塔为右转，则：BC腿为拔腿、AD腿为压腿。

"两压两拉"简化输入法：

在 SmartFoundation 的整体基础模块中，BC腿输入最大上拔力工况的作用力，AD腿输入最大下压力工况的作用力。

▲ 「两压两拉」输入方法示意

06 "两压两拉"测算验证

Verification & Calibration

"小编，这样搞会不会太保守了啊？最大上拔力工况和最大下压力工况一般不是同一个工况，强行组合到一块，感觉心里没底。"

——好问题！我们拿国网典设的两个模块来实际测算一下，用数据说话。

6.1 220-GC21GQ 模块测算

根据前面的分析，220-GC21GQ 模块的"主柱作用力"可以理解为最大上拔工况和最大下压工况下的基础作用力。通过比较"两压两拉"输入主柱作用力得到的整体作用力与典设给的"基础作用力"，就可以验证方法的准确性。

220-GC21GQ-J1' - 18m

▲ J1基础作用力数据

▲ J1两压两拉输出计算

▲ J1对比结果

"两压两拉"法算出的基础整体作用力偏大，其中水平力偏大 5.34%。

220-GC21GQ-J2 - 18m

▲ J2基础作用力数据

▲ J2两压两拉输出计算

▲ J2对比结果

整体作用力偏大，水平力偏大 5.24%。

220-GC21GQ-J3 - 18m

▲ J3基础作用力数据

▲ J3两压两拉输出计算

▲ J3对比结果

整体作用力偏大（垂直力除外），水平力偏大 4.40%。

220-GC21GQ-J4 - 18m

▲ J4基础作用力数据

▲ J4两压两拉输出计算

▲ J4对比结果

整体作用力偏大（垂直力除外），水平力偏大 3.69%。

220-GC21GQ 模块测算总结

与典设给的整体作用力相比，"两压两拉"简化输入得到的作用力总体偏保守：

·基础整体垂直力与整体总弯矩的差异都在 1% 以内，误差可忽略

·整体水平力差异在 5% 左右，"两压两拉"得到的水平力偏大

6.2 110-ED21S 模块测算

对整体基础来说，基础整体弯矩对结果影响最大。所以这次我们拿 110-ED21S 模块的 1 个直线塔、4 个转角塔和 1 个终端塔来专门测算整体弯矩。

测算方法：先用"两压两拉"算出整体弯矩，再与 CSE 文件中提取的最大整体弯矩对比。

110-ED21S-Z1 - 15m（直线塔）

▲ Z1基础作用力测算

110-ED21S-J1 - 15m（转角塔）

▲ J1基础作用力测算

110-ED21S-J2 - 15m（转角塔）

▲ J2基础作用力测算

110-ED21S-J3 - 15m（转角塔）

▲ J3基础作用力测算

110-ED21S-J4 - 15m（转角塔）

▲ J4基础作用力测算

110-ED21S-DJ - 15m(0-40°)（终端塔）

▲ DJ(0-40)基础作用力测算

110-ED21S-DJ - 15m(40-90°)（终端塔）

▲ DJ(40-90)基础作用力测算

110-ED21S 模块测算总结

"两压两拉"简化输入得到的整体弯矩总体偏保守：

·偏差较小 直线塔 Z1、转角塔 J2、J3、J4 使用"两压两拉"得到整体弯矩偏大，但误差都在 4% 以内（其中 J2 偏差最大，偏大 3.53%）

·偏差较大 转角塔 J1、终端塔 DJ 偏差较大：          J1 整体弯矩偏大 18.96%DJ(0-40°) 偏大 32.31%DJ(40-90°) 偏大 41.25%

07 总结与建议

Summary & Recommendations

核心结论

·   整体基础设计的作用力至少要包括 3组工况：最大上拔力工况、最大下压力工况、整体最大弯矩工况

·   根据对国网典设 220-GC21GQ 和 110-ED21S 模块的测算，使用"两压两拉"简化输入方法设计的整体基础是安全的，但对某些塔型可能过于保守

·   如果整体基础需要优化设计（尤其 J1 转角塔和 DJ 终端塔），建议从铁塔计算结果中提取实际作用力进行计算，避免过度浪费

由于测算算例有限，目前无法判断 J1、DJ 使用"两压两拉"简化输入方法得到的整体弯矩是否一定过于保守。后续如果有更多算例验证，小编会第一时间给宝子们更新分析结果~

文中测试算例及相关文件可通过网盘下载，链接: 

https://pan.baidu.com/s/1CN4Sr69nQqh5OxCd2zZq5Q 提取码: 5g73

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