鐵塔與抱桿耦合系統(tǒng)抗風(fēng)能力研究

肖 琦，宋 玉，孫海軍，閆 賓

(1.東北電力大學(xué) 建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.中鐵二十三局工程有限公司，重慶 401122；3.國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京 100000)

鐵塔與抱桿耦合系統(tǒng)抗風(fēng)能力研究

肖 琦1，宋 玉1，孫海軍2，閆 賓3

(1.東北電力大學(xué) 建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.中鐵二十三局工程有限公司，重慶 401122；3.國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京 100000)

抱桿和鐵塔一樣屬于高聳結(jié)構(gòu)，其高柔特性導(dǎo)致其對水平荷載非常敏感，針對淮上1 000 kV特高壓輸電線路工程鐵塔組立施工，選用座地雙搖臂抱桿組立鐵塔，并對鐵塔與抱桿耦合系統(tǒng)的抗風(fēng)性能進(jìn)行研究。運(yùn)用ANSYS軟件對鐵塔與抱桿耦合系統(tǒng)進(jìn)行靜力分析，明確鐵塔與抱桿耦合系統(tǒng)在保證安全的情況下所能承受的最大風(fēng)速，確定抱桿使用范圍，從而為鐵塔組立施工方案的編制提供依據(jù)。這種施工方法對臨近帶電體組塔施工、山區(qū)組塔施工等無法架設(shè)外拉線的塔位組塔施工有一定的借鑒意義。

組塔；抱桿；抗風(fēng)；靜力分析

淮南-南京-上海工程線路工程(13標(biāo))，路徑長度為37.287 km，共有鐵塔72基。導(dǎo)線型號為8×JL1/LHA1-465/210鋁合金芯鋁絞線，地線一側(cè)采用OPGW-185光纜，另一側(cè)采用JLB20A-185鋁包鋼絞線。桿塔采用自立式鋼管塔。沿線地形主要為平地和河網(wǎng)。設(shè)計氣象條件為最大風(fēng)速32 m/s，覆冰10 mm。線路大致平行于500千伏東洋、東仲線走線，相距50 m-60 m，鐵塔組立時，外拉線抱桿不能使用。鐵塔塔高在98 m-137.3 m，基礎(chǔ)根開在19.050 m-29.230 m。相對于以往1000千伏特高壓線路工程，本工程鋼管塔設(shè)計上具有根開大、外形高、橫擔(dān)長、塔材重等特點(diǎn)。

目前國內(nèi)外以往在山區(qū)以及鄰近電力線路等無法架設(shè)外拉線的情況下大多采用內(nèi)懸浮內(nèi)拉線抱桿、座地雙搖臂抱桿、座地雙平臂抱桿以及塔式起重機(jī)等組立鐵塔，但在無法架設(shè)外拉線塔位組立特高壓雙回路鋼管塔仍有很多困難[1-3]。借鑒以往工程經(jīng)驗(yàn)，對比不同抱桿使用條件，如表1所示，為有效解決臨近500千伏電力線路外拉線設(shè)置受限、塔位現(xiàn)場的構(gòu)件小運(yùn)和組裝場的構(gòu)件移位等問題，塔位擬定大面積采用T2T100座地雙平臂抱桿進(jìn)行組立，但根據(jù)目前市場上抱桿的供需情況，該公司現(xiàn)有的座地雙平臂抱桿數(shù)量不能滿足本標(biāo)段的組塔進(jìn)度要求，急需其它抱桿補(bǔ)充組塔，于是制造使用了最大高度120 m的座地雙搖臂抱桿[4-11]。

表1 其它抱桿類型及其特點(diǎn)

由于占地協(xié)調(diào)問題，本標(biāo)段大部分塔位未能施工，影響架線施工及整條線路的工程進(jìn)度，因此組塔施工工期較緊，但由于本標(biāo)段位于中緯度地帶、海陸相過渡帶，又逢夏秋多風(fēng)季節(jié)，而座地雙搖臂抱桿工作狀態(tài)最大設(shè)計風(fēng)速在10.6 m/s，據(jù)統(tǒng)計該地夏秋季節(jié)最大月平均風(fēng)速為7 m/s，超過設(shè)計風(fēng)速的次數(shù)較多，為了滿足組塔進(jìn)度要求，需要在超過設(shè)計風(fēng)速時繼續(xù)施工?？紤]到抱桿設(shè)計安全系數(shù)為2.1，經(jīng)過計算可得到該抱桿在工作狀態(tài)能承受13.8 m/s的風(fēng)速，非工作狀態(tài)能承受36 m/s的風(fēng)速。運(yùn)用ANSYS軟件對鐵塔與抱桿耦合系統(tǒng)進(jìn)行靜力分析，明確鐵塔與抱桿耦合系統(tǒng)在保證安全的情況下所能承受的最大風(fēng)速，為鐵塔組立提供依據(jù)，從而縮短組塔工期，使組塔施工滿足進(jìn)度要求[12-20]。

1 校核工況

通過對鐵塔吊裝工藝分析，我們選取座地雙搖臂抱桿吊裝SZV323型鐵塔上橫擔(dān)作為分析對象，在如下各種工況下校核鐵塔與抱桿耦合系統(tǒng)的安全指標(biāo)。

工作狀態(tài)，搖臂回轉(zhuǎn)角度分別為0°、22.5°、45°、90°，搖臂仰起角度分別為3°、45°、87°，離地十米高平均風(fēng)速分別為10.8 m/s、11.8 m/s、12.8 m/s、13.8 m/s，風(fēng)向分別為0°、45°、90°，吊重分為平衡吊裝5t/5t、偏載吊裝5 t/2.5 t和2.5 t/0 t。

非工作狀態(tài)，搖臂回轉(zhuǎn)角度為0°，搖臂仰起角度為3°，風(fēng)速分別為32 m/s、34 m/s、36 m/s，風(fēng)向?yàn)榉謩e為0°、45°、90°，搖臂端部加錨固繩。

本文將運(yùn)用ANSYS軟件對鐵塔和抱桿耦合系統(tǒng)進(jìn)行分析，通過對不同工況的受力分析可得出結(jié)構(gòu)的承載規(guī)律，模擬鐵塔組立施工的實(shí)際工作情況。

圖1 系統(tǒng)分段圖

2 荷載說明

鐵塔與抱桿耦合系統(tǒng)的計算荷載有重力和吊重荷載、風(fēng)荷載。重力荷載考慮1.1的調(diào)整系數(shù)和1.1的動力系數(shù)；工作狀態(tài)下的吊重荷載包括吊鉤重量、起調(diào)繩重量和起吊物重量，考慮起重物風(fēng)荷載的作用；風(fēng)荷載根據(jù)風(fēng)速與風(fēng)載的關(guān)系求得，將鐵塔與抱桿分別劃分為13個區(qū)段，由離地十米高標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速求得每區(qū)段的風(fēng)載，其分段圖如圖1所示。

3 模型建立

運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS建立鐵塔與抱桿耦合結(jié)構(gòu)的三維模型。建模時，鐵塔和抱桿均采用空間剛架有限元模型，鐵塔全部桿件以及抱桿的主體、雙搖臂、桅桿采用梁單元模擬，即利用Beam188單元模擬，桿件之間的連接默認(rèn)為剛接；調(diào)幅繩、內(nèi)拉線、腰環(huán)、錨固繩等只承受拉力的構(gòu)件采用Link10單元模擬，與抱桿主體、搖臂或塔身主材的連接默認(rèn)為鉸接；搖臂與主體的連接處、桅桿與主體的連接處采用自由度耦合處理，釋放轉(zhuǎn)動軸方向轉(zhuǎn)動的約束；鐵塔四肢與抱桿底部采用固定約束。校核工況初始狀態(tài)模型如圖2所示。

圖2 初始狀態(tài)模型圖

圖3 36 m/s風(fēng)速、45°風(fēng)向時的整體力學(xué)模型

4 有限元計算結(jié)果與分析

4.1 有限元計算結(jié)果

將鐵塔和抱桿耦合系統(tǒng)每段的等效靜力風(fēng)荷載平均分配到鐵塔相應(yīng)高度處主材節(jié)點(diǎn)位置，以非工作狀態(tài)36 m/s風(fēng)速、45°風(fēng)向工況為例，如圖3所示為此工況下的整體力學(xué)模型，圖4為此工況下的整體位移圖。通過有限元分析得到鐵塔和抱桿耦合系統(tǒng)在不同工況下的位移變化和應(yīng)力分布以及內(nèi)拉線、腰環(huán)、錨固繩的受力情況。

表3 非工作狀態(tài)鐵塔與抱桿最大應(yīng)力、位移、鐵塔最大位移

非工作狀態(tài)揚(yáng)起3°，回轉(zhuǎn)0°鐵塔與抱桿最大應(yīng)力/MPa)整體最大位移/mm鐵塔最大位移/mm風(fēng)向0°79．219976．432m/s大風(fēng)風(fēng)向45°97．9278108風(fēng)向90°98．719476．4風(fēng)向0°79．422586．134m/s大風(fēng)風(fēng)向45°103314121．8風(fēng)向90°10221986．2風(fēng)向0°80．725396．536m/s大風(fēng)風(fēng)向45°109352136．6風(fēng)向90°10624696．6

由表2、表3可知，非工作狀態(tài)大風(fēng)工況下隨著風(fēng)速的增加，最不利工況為36 m/s風(fēng)速45°風(fēng)向時；調(diào)幅繩、內(nèi)拉線、腰環(huán)、錨固繩最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)拉線處，其大小為482 MPa；鐵塔與抱桿最大應(yīng)力出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)體處，其大小為109 MPa；整體最大位移出現(xiàn)在抱桿桅桿頂部，其大小為352 mm；鐵塔最大位移出現(xiàn)在鐵塔頂端，其大小為136.6 mm。

表4 平衡吊裝工作狀態(tài)鐵塔與抱桿最大應(yīng)力(MPa)

表5 平衡吊裝工作狀態(tài)鐵塔最大位移(mm)

表6 偏載吊裝工作狀態(tài)鐵塔與抱桿最大應(yīng)力(MPa)

表7 偏載吊裝工作狀態(tài)鐵塔最大位移(mm)

由表4、表5可知，平衡吊裝工作狀態(tài)下，各風(fēng)速下最不利工況均在45°風(fēng)向、回轉(zhuǎn)體回轉(zhuǎn)45°、搖臂仰起45°。13.8 m/s風(fēng)速時：調(diào)幅繩、內(nèi)拉線、腰環(huán)、錨固繩最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)拉線處，其大小為380 MPa；鐵塔與抱桿最大應(yīng)力出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)體處，其大小為169 MPa；整體最大位移出現(xiàn)在抱桿雙搖臂端部，其大小為141.7 mm；鐵塔最大位移出現(xiàn)在鐵塔頂部，其大小23.2 mm。

由表6、表7可知，偏載吊裝工作狀態(tài)下，各風(fēng)速下最不利工況均在45°風(fēng)向、回轉(zhuǎn)體回轉(zhuǎn)45°、搖臂仰起3°。13.8 m/s風(fēng)速時：調(diào)幅繩、內(nèi)拉線、腰環(huán)、錨固繩最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)拉線處，其大小為420 MPa；鐵塔與抱桿最大應(yīng)力出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)體處，其大小為318 MPa；整體最大位移出現(xiàn)在抱桿偏載較大側(cè)搖臂端部，其大小為382.3 mm；鐵塔最大位移出現(xiàn)在鐵塔頂部，其大小為26.2 mm。

4.2 結(jié)果分析

通過各種工況下最大應(yīng)力和最大位移與結(jié)構(gòu)構(gòu)件容許應(yīng)力和結(jié)構(gòu)允許最大位移對比判斷鐵塔組立施工是否安全可靠。

抱桿主材采用Q345，其容許應(yīng)力值為[σ]=310 MPa，搖臂與抱桿主材連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，如圖5所示，13.8 m/s大風(fēng)偏載工況下甚至出現(xiàn)其應(yīng)力值大于容許應(yīng)力值，發(fā)生屈服破壞，因此需要采取措施加固搖臂與主材連接處，如施焊加勁肋或者更換大截面鋼材。

圖5 回轉(zhuǎn)體處應(yīng)力集中現(xiàn)象圖

調(diào)幅繩、內(nèi)拉線、腰環(huán)、錨固繩采用φ18鋼絲繩，其破斷力為162 kN，內(nèi)拉線處受力最大，繩索最大拉應(yīng)力為482 MPa，即拉力為122.6 kN，故繩索強(qiáng)度滿足使用要求，整個體系中桅桿頂部和搖臂端部位移較大，偏載工況45°風(fēng)向下偏載較大側(cè)搖臂端部位移可達(dá)到382.3 mm，若要保證體系更大的安全系數(shù)，可將內(nèi)拉線和調(diào)幅繩更換為直徑更大的鋼絲繩。

鐵塔組立后結(jié)構(gòu)傾斜應(yīng)小于塔高的1.2‰，即應(yīng)小于156 mm，而鐵塔最大位移出現(xiàn)在36 m/s大風(fēng)工況45°風(fēng)向時，為136.6 mm，小于規(guī)定的最大位移，滿足要求。

通過分析可知，鐵塔與抱桿耦合系統(tǒng)在非工作狀態(tài)下能夠抵御風(fēng)速為36 m/s的大風(fēng)工況，通過對搖臂第一節(jié)管材進(jìn)行更換，增大桿件截面面積，鐵塔與抱桿耦合系統(tǒng)可以在13.8 m/s風(fēng)速下繼續(xù)工作。

5 結(jié) 論

本文針對淮南-南京-上海工程線路工程(13標(biāo))在無法打設(shè)外拉線情況下的特高壓鐵塔組立施工，并運(yùn)用Ansys有限元分析軟件對鐵塔組立施工不同工況進(jìn)行分析。通過分析得到，若采取對搖臂與抱桿桿身連接處的補(bǔ)強(qiáng)處理，該抱桿可在工作狀態(tài)承受13.8 m/s的風(fēng)速，非工作狀態(tài)承受36 m/s的風(fēng)速，從而滿足施工環(huán)境要求，按時完成鐵塔組立施工作業(yè)。

通過有限元分析得到鐵塔和抱桿耦合系統(tǒng)在不同工況下的位移變化和應(yīng)力分布以及調(diào)幅繩、內(nèi)拉線、腰環(huán)、錨固繩的受力情況等結(jié)果可得出以下結(jié)論，對鐵塔組立施工方案的編制提供了依據(jù)，同時也為對臨近帶電體組塔施工、山區(qū)組塔施工等無法架設(shè)外拉線的塔位組塔施工有一定的借鑒意義。

(1)搖臂與回轉(zhuǎn)體連接處的管材以及抱桿桿身、桅桿與回轉(zhuǎn)體的連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，這些部位設(shè)計時應(yīng)考慮局部補(bǔ)強(qiáng)措施；

(2)腰環(huán)以上抱桿位移明顯增大，繩索拉力中內(nèi)拉線拉應(yīng)力最大，設(shè)計時應(yīng)選取合適的鋼絲繩直徑；

(3)鐵塔組立過程中抱桿附著在鐵塔上對鐵塔的影響很小，因此抱桿設(shè)計及使用時可將抱桿附著在鐵塔上；

(4)偏載工況對抱桿受力不利，鐵塔組立施工時應(yīng)盡量避免偏載吊裝，條件不允許平衡吊裝時應(yīng)根據(jù)抱桿設(shè)計要求控制偏載重量；

(5)鐵塔與抱桿均屬于高聳結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載作用對其穩(wěn)定有較大影響，抱桿設(shè)計時應(yīng)考慮風(fēng)荷載作用，增強(qiáng)抱桿抗風(fēng)能力，施工時也要加強(qiáng)對當(dāng)?shù)仫L(fēng)速的監(jiān)測，以保證鐵塔組立安全施工。

[1] 梁旭明，張國成，徐玲玲，等.1000KV交流特高壓試驗(yàn)示范工程的生產(chǎn)準(zhǔn)備工作與實(shí)施[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(5)：12-16.

[2] 熊織明，鈕永華，邵麗東.500KV江陰長江大跨越工程施工關(guān)鍵技術(shù)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，30(1)：28-34.

[3] 衣立東，呂士榮.750KV輸變電示范工程施工關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，30(3)：51-56.

[4] GB/T 3811-2008起重機(jī)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.2009.

[5] GB/T 13752-1992塔式起重機(jī)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.1993.

[6] GB/T 9462-1999塔式起重機(jī)技術(shù)條件[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.1999.

[7] GB 50135-2006高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社.2007.

[8] DL/T 5154-2002架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國電力出版社.2002.

[9] 葉建云，方國慶，李維波，等.T2D750/22雙搖臂抱桿的研制及應(yīng)用[J].電力建設(shè)，2011，32(7)：92-96.

[10] 張恩銘，龔靖，曹帥.新型輸電桿塔的設(shè)計研究[J].東北電力大學(xué)，2011，31(5/6)：60-63.

[11] 徐奮，李軼群.座地旋轉(zhuǎn)雙搖臂抱桿組組立特高壓酒杯型鐵塔[J].華東電力，2014，42(9)：1845-1851.

[12] 趙曄.特高壓交流線路鐵塔組立工藝研究及應(yīng)用[D].北京：華北電力大學(xué)，2014.

[13] 龐軍.大型吊裝抱桿結(jié)構(gòu)的動態(tài)設(shè)計及仿真研究[D].西安：西安工程大學(xué)，2011.

[14] 徐城城.雙平臂抱桿的靜力和穩(wěn)定性研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2014.

[15] 白俊峰，鞠彥忠，曾聰.龍卷風(fēng)作用下空間木行架的受力分析[J].東北電力大學(xué)，2011，31(5/6)：46-51.

[16] 譚雷，黃成云，王力爭，等.繩索對落地雙搖臂抱桿力學(xué)性能的影響[J].建造技術(shù)，2015，29(3)：411-413.

[17] 丁仕洪，周煥林，葉建云，等.某大跨越高塔抱桿的非線性有限元靜力分析[J].特種結(jié)構(gòu)，2011，28(3)：46-49.

[18] 曹曄.柔性附著塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)靜態(tài)及動態(tài)特性研究[D].西安：西南交通大學(xué)大學(xué)，2011.

[19] 趙紅波.懸浮抱桿和特高壓電塔的靜動態(tài)有限元分析[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

[20] 劉春城，龍祖良，景歡，等.考慮樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用的輸電塔風(fēng)振響應(yīng)分析[J].東北電力大學(xué)學(xué)報，2016,36(6)：83-89.

Wind Resistant Performance of the Coupling System Between the Tower and the Pole

XIAO Qi1，SONG Yu1，SUN Hai-jun2，YAN Bin3

(1.Architecture Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012；2.The sixth engineering LTD of China railway twenty-three bureau，Chongqing，401122；3.Technology Center State Grid XINYUAN Company LED.，Beijing，100000)

Pole and tower belonging to the same high-rise structures，which led to its characteristic soft high load levels are very sensitive.For Huainan-Shanghai UHV transmission line project 1000KV tower erecting construction，the choice of the seat to the double pole rocker Assembling tower，and to study the coupling system tower and pole wind resistance.Using the ANSYS software to the tower and derrick coupling system for static analysis，determine the Tower and derrick coupling system maximum safe wind speed，determine the scope of the system used，for the tower construction plan formulation provides the basis.This method of construction have a certain significance for the Assembling Tower Construction in the mountains and near the charged body where can not be set the wire rope in the outside of the tower.

Assembling tower；Derrick；Wind resistance；Static analysis

2016-04-12

肖 琦(1962-)，女，吉林省吉林市人，東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院教授，碩士，主要研究方向：輸電線路防災(zāi)減災(zāi)、輸電線路及桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計理論及設(shè)計方法.

1005-2992(2016)06-0091-06

TH21

A