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 吳  凡1  史  躍2  黃成云2  周煥林1

 （1．合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，合肥230009；2．安徽送變電工程公司，合肥230022）

摘要：特高壓靈紹線(xiàn)長(zhǎng)江大跨越輸電線(xiàn)路鐵塔具有高、大、重等特點(diǎn)，采用了落地雙平臂抱桿對(duì)其進(jìn)行施工。運(yùn)用有限元方法對(duì)工程所用的雙平臂抱桿及雙平臂抱桿與鐵塔的耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)性能分析，分別得出多種工況下這兩種結(jié)構(gòu)的抱桿整體最大位移、最大應(yīng)力和腰環(huán)拉線(xiàn)最大拉力。結(jié)果表明：當(dāng)風(fēng)向?yàn)?50方向時(shí)，抱桿處于最不利狀態(tài)；與單抱桿結(jié)構(gòu)相比，耦合結(jié)構(gòu)中抱桿的最大位移增大，腰環(huán)拉線(xiàn)拉力減小。

關(guān)鍵詞：雙平臂抱桿；鐵塔；耦合結(jié)構(gòu)；有限元；力學(xué)性能DOI:10.13206/j. gjg201603013

 靈州-紹興±800 kV特高壓直流輸電線(xiàn)路（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“靈紹線(xiàn)”）起于寧夏回族自治區(qū)銀川市靈州換流站，止于浙江省諸暨市紹興換流站。線(xiàn)路架空距離為1532 km，路徑全長(zhǎng)為1 720 km，其中一般線(xiàn)路長(zhǎng)度為1 716.5 km，長(zhǎng)江大跨越長(zhǎng)度為3.5 km。長(zhǎng)江大跨越標(biāo)段位于安徽省境內(nèi)。

 國(guó)家電網(wǎng)特高壓組塔工程的主要施工設(shè)備是各種形式的抱桿。常用的五類(lèi)抱桿有：內(nèi)懸浮外拉線(xiàn)抱桿、落地雙平臂抱桿、落地雙搖臂抱桿、單動(dòng)臂抱桿、內(nèi)懸浮雙搖臂抱桿。“靈紹線(xiàn)”長(zhǎng)江大跨越輸電鐵塔采用鋼管塔設(shè)計(jì)，鋼管塔單件有構(gòu)件長(zhǎng)、質(zhì)量大、直徑大等特點(diǎn)，該跨越塔的吊裝具有一定的難度。國(guó)家電網(wǎng)安徽送變電工程公司根據(jù)實(shí)際的施工環(huán)境條件，采用落地雙平臂抱桿進(jìn)行施工。雙平臂抱桿具有起吊半徑大、起吊重量大、穩(wěn)定性較好等優(yōu)點(diǎn)。雙平臂抱桿在電力建設(shè)中應(yīng)用很廣泛，但目前針對(duì)它的理論研究還比較少，其在設(shè)計(jì)、組塔的使用過(guò)程中較多依靠工程經(jīng)驗(yàn)，缺少成熟的理論依據(jù)。確保抱桿結(jié)構(gòu)的安全對(duì)鐵塔施工的意義重大。本文以“靈紹線(xiàn)”長(zhǎng)江大跨越工程為例，運(yùn)用有限元方法對(duì)工程所用的雙平臂抱桿及雙平臂抱桿和鐵塔的耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，分析施工過(guò)程中，耦合結(jié)構(gòu)中的鐵塔對(duì)抱桿力學(xué)性能的影響。

1  建立模型

 “靈紹線(xiàn)”長(zhǎng)江大跨越塔組立所使用的雙平臂抱桿為2 000 mm x2 000 mm方形截面，獨(dú)立高度為28 m，最大起升高度可達(dá)300 m，此時(shí)塔身部分含50節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)（高6 m/節(jié)），額定吊重為160 k N。抱桿鋼材選用Q345鋼，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)選用的鋼管規(guī)格有：ɸ200 x8（主弦桿）、ɸ90 x5（直腹桿）、ɸ70×5（斜腹桿）、ɸ70×6（加強(qiáng)桿）。鐵塔為2基，單基重達(dá)17 900 k N，呼高均為275 m，全高為280.2 m。輸電線(xiàn)路塔主體結(jié)構(gòu)為鋼管結(jié)構(gòu)，最大單管直徑為

1 626 mm，壁厚為30 mm，重128.1 k N。雙平臂抱桿組塔示意如圖1所示。

 抱桿主體及井架構(gòu)件采用Beam 188梁?jiǎn)卧�模擬，腰環(huán)繩采用Link 10桿單元模擬，鐵塔主體結(jié)構(gòu)全部采用Beam 188梁?jiǎn)卧�模擬，桿件節(jié)點(diǎn)處按剛接處理。

 抱桿的腰環(huán)相當(dāng)于塔吊的附墻，需要安裝在輸電線(xiàn)路塔主材上，腰環(huán)需受力拉緊。輸電線(xiàn)路塔組立完成時(shí)，抱桿上共計(jì)18道腰環(huán)，因此可以根據(jù)腰環(huán)道數(shù)不同，將組立過(guò)程分為18種工況。由于篇幅所限，僅選取部分典型工況，參數(shù)如表1所示，圖1標(biāo)示出了各工況最上部腰環(huán)的高度和位置，圖2為3道腰環(huán)時(shí)的有限元模型示意。

2荷載取值

 雙平臂抱桿計(jì)算荷載主要包含抱桿自重、吊件重量、吊鉤重量、起吊鋼絲繩重量、風(fēng)荷載等。輸電線(xiàn)路塔計(jì)算荷載主要包含輸電線(xiàn)路塔自重、風(fēng)荷載等。抱桿和輸電線(xiàn)路塔的自重系數(shù)均取1.3，額定荷載系數(shù)取1.3，重力加速度取9.8m／S2。

 各工況吊件重量和起吊鋼絲繩重量見(jiàn)表1，吊鉤取25 430 k N。計(jì)算時(shí)考慮了30%偏載量。

 風(fēng)對(duì)受風(fēng)物體產(chǎn)生的風(fēng)壓主要與風(fēng)速有關(guān)，可按式(1)計(jì)算：

式中：p為工作狀態(tài)下的計(jì)算風(fēng)壓；v s為計(jì)算風(fēng)速，取10 m高度處的10 min平均風(fēng)速10 m/s。

 約定垂直于平臂的風(fēng)向?yàn)?00方向；平行于平臂的風(fēng)向?yàn)?0方向；上述二者的角平分線(xiàn)方向?yàn)?50方向。

 作用在結(jié)構(gòu)上的工作狀態(tài)風(fēng)荷載按式(2)計(jì)算：

式中：A為實(shí)體迎風(fēng)面積；C為風(fēng)力系數(shù)。

 總的風(fēng)荷載為其各組成部分風(fēng)荷載的總和。

3有限元計(jì)算結(jié)果及分析

 對(duì)各工況施加重力荷載、風(fēng)荷載、吊重（包括吊鉤、起吊鋼絲繩重量），定義相應(yīng)荷載工況，對(duì)雙平臂抱桿及雙平臂抱桿和輸電線(xiàn)路塔的耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，分別得出這兩種結(jié)構(gòu)的抱桿整體最大位移、最大應(yīng)力和腰環(huán)拉線(xiàn)最大拉力，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2-表4。

可以看出：當(dāng)風(fēng)向?yàn)?50時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)的抱桿整體最大位移和腰環(huán)拉線(xiàn)最大拉力均大于00和900風(fēng)向的數(shù)值。這是由于風(fēng)向?yàn)?50時(shí)，結(jié)構(gòu)的實(shí)體迎風(fēng)面積較大，會(huì)產(chǎn)生較大的風(fēng)荷載。由此可知：當(dāng)風(fēng)向?yàn)?50方向時(shí)，結(jié)構(gòu)處于最不利狀態(tài)。

 根據(jù)風(fēng)向?yàn)?50時(shí)的計(jì)算結(jié)果，探討在施工過(guò)程中，耦合結(jié)構(gòu)中的輸電線(xiàn)路塔對(duì)抱桿力學(xué)性能的影響。兩種結(jié)構(gòu)的抱桿力學(xué)性能對(duì)比如圖3-圖5所示。

 由圖3可以看出：?jiǎn)伪�桿結(jié)構(gòu)的整體最大位移小于耦合結(jié)構(gòu)中的抱桿整體最大位移。

 由圖4可以看出：?jiǎn)伪�桿結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力與耦合結(jié)構(gòu)中的抱桿最大應(yīng)力接近。

 由圖5可以看出：?jiǎn)伪�桿結(jié)構(gòu)的腰環(huán)拉線(xiàn)最大拉力大于耦合結(jié)構(gòu)的腰環(huán)拉線(xiàn)最大拉力。

4結(jié)  論

 1)當(dāng)風(fēng)向?yàn)?50方向時(shí)，抱桿的整體最大位移、腰環(huán)拉線(xiàn)最大拉力均大于00和900風(fēng)向的數(shù)值，此時(shí)抱桿處于最不利狀態(tài)，在工程施工中應(yīng)密切關(guān)注風(fēng)向等不利天氣影響。

 2)抱桿與輸電線(xiàn)路塔耦合結(jié)構(gòu)與單抱桿結(jié)構(gòu)相比，抱桿整體最大位移增大，最大應(yīng)力基本不變，腰環(huán)拉線(xiàn)最大拉力減小。

 因此，在雙平臂抱桿設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)考慮在建鐵塔對(duì)抱桿整體位移增大的不利影響。