地表變形對(duì)高壓輸電塔的影響

王永銳

(連云港中等專(zhuān)業(yè)學(xué)校，江蘇連云港 222000)

1 工程概況

我國(guó)對(duì)煤炭的需求在不斷日益劇增，煤炭作為我國(guó)主要能源的格局在未來(lái)幾十年內(nèi)是不會(huì)發(fā)生改變的，這就造成了我國(guó)對(duì)煤炭開(kāi)采的加劇，煤炭的過(guò)度開(kāi)采就會(huì)造成大片的采空區(qū)。地下煤炭開(kāi)采后，地表變形是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變形過(guò)程，輸電鐵塔在地表移動(dòng)過(guò)程中所處的不同位置，對(duì)輸電鐵塔的內(nèi)力和變形影響很大。因此，研究動(dòng)態(tài)地表變形對(duì)輸電鐵塔內(nèi)力和變形的影響規(guī)律，對(duì)塌陷區(qū)輸電鐵塔的建設(shè)和安全性評(píng)估具有重要的意義。以山西某礦開(kāi)采后留下的采空區(qū)上方的一輸電塔為例來(lái)進(jìn)行分析，得到輸電塔在地表變形下內(nèi)力及變形的變化。下沉曲線見(jiàn)圖1，地表已經(jīng)產(chǎn)生沉陷及水平變形，具體情況見(jiàn)圖2。用有限元軟件ANSYS對(duì)輸電塔在地表變形下的受力進(jìn)行數(shù)值模擬，可以為處于塌陷區(qū)任意位置的輸電鐵塔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和安全性評(píng)估提供理論依據(jù)。

圖1 下沉曲線（2010年）

圖2 地表變形

2 模型建立與計(jì)算分析

2．1 模型的建立

以開(kāi)采路線的某一段開(kāi)采區(qū)的輸電塔為計(jì)算實(shí)例建立模型，呼高21 m，總高度為21．3 m，根開(kāi)3．73 m，直線跨越塔由各種等邊角鋼組成，塔腿部主材截面為Q345等邊角鋼，型號(hào)為∠200×14。將輸電鐵塔桿件的中心軸線交點(diǎn)連接處作為模型節(jié)點(diǎn)，兩節(jié)點(diǎn)間的角鋼簡(jiǎn)化為模型單元，采用ANSYS程序進(jìn)行數(shù)值分析，運(yùn)用自底向上的建模方式，建立模型時(shí)各桿件都用Beam188單元，建立的ANSYS模型及節(jié)點(diǎn)編號(hào)見(jiàn)圖3。

2．2 變形工況

主要分析輸電塔在三種最不利工況下的附加內(nèi)力及位移，具體工況如下:

工況一:輸電塔僅在支座B發(fā)生最大下沉2．5 m;工況二:輸電塔在支座B及支座D發(fā)生最大下沉2．5m;工況三:輸電塔在支座A、支座B及支座D發(fā)生最大下沉2．5 m。

2．3 計(jì)算分析

計(jì)算基于以下假設(shè):1)輸電鐵塔基礎(chǔ)不發(fā)生破壞或者較大的變形，即地表變形直接通過(guò)輸電鐵塔基礎(chǔ)作用于輸電鐵塔支座上;2)在沉陷變形過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)不會(huì)先于桿件發(fā)生破壞;3)采煤方向與x軸或者y軸平行，不考慮成角度的情況，即輸電鐵塔的兩側(cè)基礎(chǔ)位移分別相同。

由于本結(jié)構(gòu)桿件較多，節(jié)點(diǎn)號(hào)也比較多，所以選取了比較重要的幾根桿件以及幾個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行分析。具體的節(jié)點(diǎn)號(hào)及桿件號(hào)見(jiàn)圖3與圖4。

圖3 輸電塔模型及節(jié)點(diǎn)編號(hào)

圖4 桿件編號(hào)

表1 各工況下桿件軸力 kN

從表1可以發(fā)現(xiàn)，在工況一情況下各桿件的軸力值較其他工況下最大，最大值達(dá)到604 kN，當(dāng)多個(gè)支座都發(fā)生豎向位移時(shí)，桿件的軸力有所減小;輸電鐵塔底部桿件的軸力變化較上部桿件變化幅度大，隨著高度增加，其軸力變化值越來(lái)越小;橫擔(dān)桿的軸力受豎向位移影響較小。

表2 各工況下各節(jié)點(diǎn)的位移 mm

從表2可以發(fā)現(xiàn)，在各種工況下節(jié)點(diǎn)位移主要發(fā)生在X與Z方向上，Y方向的位移變化不大，輸電塔在支座發(fā)生豎向位移時(shí)，底部節(jié)點(diǎn)X方向與Z方向的位移受支座豎向位移的影響遠(yuǎn)小于頂部節(jié)點(diǎn)受支座豎向位移的影響。橫擔(dān)桿上各節(jié)點(diǎn)的豎向位移基本相等。

3 結(jié)語(yǔ)

1)在工況一情況下各桿件的軸力值最大，最大值達(dá)到604 kN，當(dāng)多個(gè)支座發(fā)生豎向位移時(shí)，桿件的軸力有所下降。輸電鐵塔底部桿件的軸力變化較上部桿件變化幅度大，隨著高度增加，其軸力變化值越來(lái)越小。2)在各種工況下節(jié)點(diǎn)位移主要發(fā)生在X與Z方向上，Y方向的位移變化不大，輸電塔在支座發(fā)生豎向位移時(shí)，底部節(jié)點(diǎn)X方向與Z方向的位移受支座豎向位移的影響遠(yuǎn)小于頂部節(jié)點(diǎn)受支座豎向位移的影響。3)橫擔(dān)桿上各節(jié)點(diǎn)的豎向位移基本相等，橫擔(dān)桿的軸力受豎向位移影響較小。

［1］徐 穎．小波調(diào)整地震動(dòng)輸入對(duì)高層混合結(jié)構(gòu)影響［J］．低溫建筑技術(shù)，2010(11):65-67．

［2］靳軍亮．上部結(jié)構(gòu)—筏板—地基共同作用分析［D］．西安:西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010．

［3］劉大鵬．某框架結(jié)構(gòu)的彈塑性時(shí)程分析［J］．結(jié)構(gòu)工程師，2011，27(sup):276-279．

［4］汪吉林．老采空區(qū)地基變形對(duì)地面建筑物影響的數(shù)值分析［J］．采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2008，25(4):476-480．

［5］S．M．Sargand．Highway Damage Due to Subsidences［J］．Geotechnical Special Publication，1988(2):18-32．

［6］劉長(zhǎng)文．采動(dòng)區(qū)建筑地基與基礎(chǔ)上部作用的有限元計(jì)算［J］．遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，19(1):32-34．