承載索式跨越裝置中承載索的施工設(shè)計(jì)及計(jì)算研究

王剛 李君章 詹暉 鄭凱 鄭曉廣

摘 要：承載索式跨越裝置由支撐裝置、承載索和封網(wǎng)裝置組成，是線路跨越施工中常用的跨越施工裝置。承載索式跨越裝置施工設(shè)計(jì)的核心是承載索的張力計(jì)算和規(guī)格選擇。本文針對(duì)承載索的正常工況和事故工況下的受力及相互關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)分析，給出了施工設(shè)計(jì)流程、計(jì)算方法及優(yōu)化方法，為承載索跨越施工提供理論依據(jù)和安全保障。

關(guān)鍵詞：承載索式跨越裝置；施工設(shè)計(jì)；優(yōu)化流程

中圖分類號(hào)：U445.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）04-0119-04

The Construction Design and Calculating Study of Carrying

Rope of Over-crossing Device

WANG Gang1 LI Junzhang1 ZHAN Hui1 ZHENG Kai2 ZHENG Xiaoguang1

（1.Hean Electric Power Transmission and Transformation Construction Company Limited，Zhengzhou Henan 450000；

2. State Grid Zhengshou Electric Power Supply Company，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： The over-crossing device by carrying rope consists of supporting device，carrying rope and closed net， is commonly used in line crossing construction across the construction unit. The design of the over-crossing device by carrying rope is he core of tension calculation and choice of specification. In this paper under normal condition and accident conditions in a force and the mutual relationship of detailed analysis， construction design process was given， calculation method and optimization method， as to provide theoretical basis for over-crossing device by carrying rope construction and security.

Keywords： over-crossing device by carrying rope；construction design；optimize the process

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和電力網(wǎng)的快速發(fā)展，輸電線路建設(shè)過(guò)程中遇到的各種交叉跨越也較以往的線路工程急劇增加。在地形條件較差的山區(qū)，跨越物對(duì)地距離較高及同檔有多處跨越物時(shí)，難以在現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)結(jié)構(gòu)架封網(wǎng)型式的跨越裝置，而承載索式跨越裝置具有滿足一定跨距情況下跨越高度較高、不受地形限制等優(yōu)點(diǎn)，因此，其在輸電線路跨越施工中被廣泛采用。

承載索式跨越裝置也被稱為無(wú)跨越架不停電跨越架線[1-5]，由支撐裝置、承載索和封網(wǎng)裝置組成[3]。承載索式跨越裝置施工設(shè)計(jì)的核心是承載索的張力計(jì)算和規(guī)格選擇。

1 承載索式跨越裝置的組成

1.1 支撐裝置

支撐裝置包括承載體（桿塔、鋼管式腳手架、格構(gòu)式組合鋼架等）、懸吊鋼絲繩、懸吊橫梁及承載索滑車等。支撐裝置的作用是承受各種工況下承載索產(chǎn)生的垂直分力及較小的水平分力。

1.2 承載索

承載索主要包括主承載索以及與承載索相連接的延長(zhǎng)繩索、調(diào)整工具（手板葫蘆、緩松器）和地錨。其工作特征是：在正常工況下承載封網(wǎng)裝置以及在放線施工中引渡初級(jí)引繩臨時(shí)落線的重量；在事故工況下承載封網(wǎng)裝置以及事故發(fā)生時(shí)導(dǎo)線落線重量。導(dǎo)線落線的過(guò)程較為復(fù)雜，包括導(dǎo)線在空中下落過(guò)程、接觸封網(wǎng)裝置的沖擊過(guò)程和沖擊結(jié)束后的落線終止的靜止?fàn)顟B(tài)三個(gè)階段。由于封網(wǎng)裝置的結(jié)構(gòu)型式不同、材料的剛性差異，落線高度和落線位置的不同使得整個(gè)過(guò)程較為復(fù)雜，目前進(jìn)行的相關(guān)研究和試驗(yàn)承載索的真實(shí)受力尚未有確定的和較為準(zhǔn)確的計(jì)算方法。

1.3 封網(wǎng)裝置

封網(wǎng)裝置一般由端部撐桿、中間撐桿和尼龍封網(wǎng)組成。其工作特征是封網(wǎng)兩端的端部撐桿承受落線的集中荷載，端部撐桿之間的封網(wǎng)部分承受落線的均布荷載。封網(wǎng)兩端的拉網(wǎng)繩承受落線時(shí)的沖擊荷載。封網(wǎng)裝置的受力通過(guò)連接索、環(huán)扣傳遞到主承載索。

2 承載索式跨越裝置施工設(shè)計(jì)流程

2.1 承載索的工況及關(guān)系

①承載索的工況。承載索的工況包括事故工況和正常工況兩種。其中，正常工況是在跨越裝置安裝完成后，主承載索僅承載封網(wǎng)裝置的重量和在放線施工中引渡初級(jí)引繩臨時(shí)落線的重量；事故工況是在發(fā)生導(dǎo)線落線事故時(shí)，主承載索承載封網(wǎng)裝置重量和導(dǎo)線落線的重量。

②承載索兩種工況之間的關(guān)系。事故工況和正常工況之間的關(guān)系是承載索的無(wú)荷線長(zhǎng)相等，即承載索在對(duì)應(yīng)工況下的線長(zhǎng)減去彈性伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度是相等的。

2.2 承載索的控制條件

承載索的控制條件是在事故落線情況下封網(wǎng)裝置到被跨越線路的地線間最小垂直距離滿足安裝規(guī)定的要求。通常以控制條件來(lái)計(jì)算對(duì)應(yīng)正常工況下的條件。

2.3 承載索式跨越裝置的施工設(shè)計(jì)流程

施工方案設(shè)計(jì)過(guò)程是以事故工況下的狀態(tài)為控制條件確定正常工況的狀態(tài)的過(guò)程。承載索式跨越裝置的施工設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

2.3.1 錄入相關(guān)參數(shù)。計(jì)算時(shí)，首先確定已知條件，已知條件主要包括以下幾方面：①跨越檔檔距l(xiāng)、高差h；②被跨越物的位置x（距離左側(cè)桿塔的距離）、被跨越物的高度h地；③承載索的懸掛高度hA、hB等；④事故工況下封網(wǎng)距離被跨越物的安全距離S[7-9]，詳見(jiàn)《電力建設(shè)安全工作規(guī)程第2部分：電力線路》（DL 5009.2—2013）；⑤封網(wǎng)在事故工況下比承載索的降低值S1。具體參數(shù)如圖2所示。

2.3.2 計(jì)算事故工況下的承載索弧垂。事故工況下承載索的弧垂[fx2]等于跨越物上方承載索的兩個(gè)掛點(diǎn)間連線位置與承載索對(duì)應(yīng)位置的高差[見(jiàn)式（1）]。

[fx2=hA+hlx-S1-S-h地] （1）

2.3.3 計(jì)算事故工況下承載索受力。根據(jù)已知事故工況下的荷載，利用事故工況下的計(jì)算公式計(jì)算出對(duì)應(yīng)承載索受力。

2.3.4 計(jì)算事故工況下承載索無(wú)荷線長(zhǎng)。利用事故工況下的線長(zhǎng)計(jì)算公式，求出事故工況下的線長(zhǎng)，將該線長(zhǎng)減去彈性線長(zhǎng)，就可以得出對(duì)應(yīng)的事故工況無(wú)荷線長(zhǎng)。

2.3.5 計(jì)算正常工況下承載索受力。利用事故工況下的無(wú)荷線長(zhǎng)與正常工況下的無(wú)荷線長(zhǎng)相等，直接求出正常工況下的承載索無(wú)荷線長(zhǎng)。利用正常工況下的無(wú)荷線長(zhǎng)計(jì)算公式，可以反算出正常工況下承載索的受力。

2.3.6 計(jì)算正常工況下承載索弧垂。根據(jù)正常工況下的荷載及承載索受力，利用對(duì)應(yīng)的公式（具體計(jì)算公式詳見(jiàn)3.2內(nèi)容）可以求出正常工況下承載索的弧垂值。

2.4 承載索施工弧垂的控制

在搭設(shè)承載索跨越網(wǎng)時(shí)，通過(guò)精確控制正常工況下的弧垂保證事故工況下對(duì)跨越物的安全距離，確?？缭绞┕ぐ踩?。

假如正常工況下的弧垂過(guò)大，則會(huì)造成事故工況下滿足不了跨越施工的要求，影響跨越物的安全運(yùn)行。假如正常工況下的弧垂控制過(guò)小，則會(huì)造成事故工況下弧垂過(guò)小和張力過(guò)大的情況，承載索受力過(guò)大，施工安全系數(shù)難以保證。

為此，施工設(shè)計(jì)時(shí)是事故工況決定正常工況，而施工時(shí)是正常工況保證施工工況。承載索式跨越裝置的設(shè)計(jì)是方案設(shè)計(jì)的核心和施工的前提及保障，承載索的弧垂控制是確保跨越安全的保障措施。

3 承載索計(jì)算模型及公式

3.1 承載索計(jì)算模型

建立承載索計(jì)算模型，如圖3所示。A、B為跨越檔的兩基鐵塔承載索懸掛點(diǎn)，檔距l(xiāng)，高差角為β，高差為h，被跨越線路的高度為h地，A塔的高度為hA，跨越點(diǎn)距離A塔的距離為x，封網(wǎng)起始點(diǎn)距離A塔分別為a1、a3，距離B塔b1、b3，封網(wǎng)中間位置距離A塔分別為a2，距離B塔b2。

承載索在正常工況及事故工況下的受力特點(diǎn)相同，均是檔內(nèi)多個(gè)集中荷載的作用。該模型可以參照中國(guó)電力出版社《電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)（第二版）》第三章第三節(jié)表3-3-10表中的竣工情況（兩側(cè)絕緣子串相同n個(gè)集中荷載）的計(jì)算公式，只是將對(duì)應(yīng)的串長(zhǎng)和串重設(shè)為零，即沒(méi)有耐張串的情況下n個(gè)集中荷載的情況。

3.1.1 事故工況下的荷載計(jì)算。事故工況下，承載索可以分為三段，中間段為封網(wǎng)段，其他兩段為承載索段。封網(wǎng)段主要承受兩端端部撐桿的集中荷載和導(dǎo)線荷載集中荷載q1、q3及事故導(dǎo)線荷載和封網(wǎng)荷載q2（由于封網(wǎng)長(zhǎng)度相對(duì)于檔距較小，可以認(rèn)為均布荷載的作用效果與集中荷載的作用效果相同，故將均布荷載用集中荷載替代），其他兩段均為承載索自身的荷載。

q1、q2、q3為事故工況下集中荷載Q1、Q2、Q3的單位截面荷載（q1=Q1/S，Q1=塔A側(cè)端部撐桿和承托導(dǎo)線總重量的一半；q2=Q2/S，Q2=中間撐桿和所承托導(dǎo)線總重量的一半；q3=Q3/S，Q3=塔B側(cè)端部撐桿和承托導(dǎo)線總重量的一半；S為承載索截面積），N/mm2；

3.1.2 正常工況下的荷載計(jì)算。正常工況下，承載索可以分為三段，中間段為封網(wǎng)段，其他兩段為承載索段。封網(wǎng)段主要承受兩端端部撐桿的集中荷載q1、q3及封網(wǎng)荷載和自重荷載q2，其他兩段均為承載索自身的荷載。

q1、q2、q3為正常工況下集中荷載Q1的單位截面荷載（q1=Q1/S，Q1=塔A側(cè)端部撐桿重量的一半；q2=Q2/S，Q2=封網(wǎng)重量的一半；q3=Q3/S，Q3=塔B側(cè)端部撐桿重量的一半；S為承載索截面積），N/mm2；

3.2 計(jì)算事故工況下承載索受力

參照中國(guó)電力出版社《電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)（第二版）》第三章第三節(jié)表3-3-10表中的竣工情況（兩側(cè)絕緣子串相同n個(gè)集中荷載）[9]的計(jì)算公式，將對(duì)應(yīng)的串長(zhǎng)和串重設(shè)為零，可以求出fx2：

[fx2=γxl-x2σcosβ+1σ2lxq1b1+q2b2+q3b3-lq1x-a1+q2x-a2] （2）

從而可以求出：

[σ2=γxl-x2fx2cosβ+1fx2lxq1b1+q2b2+q3b3-lq1x-a1+q2x-a2]（3）

其中，σ2表示事故工況下承載索應(yīng)力，N/mm2；γ表示承載索比載，N/（m·mm2）；l表示跨越檔檔距，m；β表示承載索的高差角，°；tanβ=h/l。

3.3 計(jì)算事故工況及正常工況下應(yīng)力狀態(tài)方程系數(shù)

3.3.1 計(jì)算事故工況下應(yīng)力狀態(tài)方程系數(shù)K2

[K2=γ2Ecos3β24l2+12W1γβq1a1b1γβ+q1l+q2a2b2γβ+q2l+q3a3b3γβ+q3l+2lq1a1q1b2+q3b3+q2a2q2a3]（4）

其中，E表示承載索彈性模量，一般取值3 0000N/mm2；W1=γl/cosβ表示承載索單位截面荷載，N/mm2；γβ=γ/cosβ表示承載索水平投影比載，N/（m·mm2）；

3.3.2 計(jì)算正常工況下應(yīng)力狀態(tài)方程系數(shù)K1 [K1=γ2Ecos3β24l2+12W1γβq1a1b1γβ+q1l+q2a2b2γβ+q2l+q3a3b3γβ+q3l+2lq1a1q2b2+q3b3+q4b4+q2a2q3a3] （5）

3.4 計(jì)算正常工況下承載索受力H1

根據(jù)事故工況下的無(wú)荷線長(zhǎng)和正常工況下的無(wú)荷線長(zhǎng)相等，可以得到兩種工況下的狀態(tài)方程，如式（6）所示：

[K2σ22-σ2=K1σ21-σ1] （6）

其中，[σ1]表示正常工況下承載索應(yīng)力，N/mm2。

根據(jù)式（6）可以求出對(duì)應(yīng)的K1和H1：

[σ21σ1+K2σ22-σ2=K1] （7）

[H1=Sσ1] （8）

3.5 計(jì)算正常工況下承載索弧垂[fx1]

正常工況下承載索弧垂[fx1]的計(jì)算公式為：

[fx1=γxl-x2σ1cosβ +xq1b1+q2b2+q3b3-lq1x-a1+q2x-a2σ1l] （9）

3.6 計(jì)算正常工況下承載索距被跨線路地線距離S0

正常工況下承載索距被跨線路地線距離為：

[S0=hA+xtgβ-fx1-h地] （10）

3.7 計(jì)算正常工況比事故工況下承載索弧垂上升距離Vs

正常工況比事故工況下承載索弧垂上升距離為：

[Vs=fx2-fx1] （11）

至此，通過(guò)計(jì)算求出了正常工況下與事故工況下相比的距離上升情況，只有控制住正常工況的高度，才能保證事故時(shí)的安全應(yīng)力。

4 承載索跨越裝置設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

上述施工計(jì)算流程，只是利用事故工況求出了對(duì)應(yīng)正常工況下的弧垂及高度控制等。但如果事故工況下的張力過(guò)大，則需要選擇較粗的繩索，而現(xiàn)場(chǎng)有時(shí)不一定有能完全滿足要求的繩索時(shí)，就需要采取措施降低對(duì)應(yīng)事故工況下的張力。假如正常工況下的弧垂過(guò)高，正常放線施工將會(huì)磨碰承載索上的封網(wǎng)。為此，承載的受力有一個(gè)優(yōu)化的過(guò)程。承載索跨越裝置設(shè)計(jì)方案優(yōu)化流程如圖4所示。

4.1 錄入擬選方案相關(guān)參數(shù)

初步擬定承載索跨越方案，根據(jù)初步擬定方案分別錄入相關(guān)參數(shù)。

4.2 計(jì)算出事故工況下承載索受力

結(jié)合錄入的地面及跨越曲線，在保證對(duì)跨越物安全距離的情況下計(jì)算出承載索事故工況下的受力。之后，判定承載索受力考慮安全系數(shù)是否能承載索的破斷力，倘若小于承載索破斷力則進(jìn)行下一步計(jì)算；倘若大于承載索破斷力，則應(yīng)采取相應(yīng)的措施，如提升承載索滑車掛點(diǎn)，或選用大規(guī)格的承載索。采取相關(guān)措施后，再次計(jì)算事故工況受力，倘若滿足條件進(jìn)入下一步計(jì)算，倘若仍不滿足則方案不可行。

4.3 計(jì)算出正常工況受力及曲線

根據(jù)上一步驟確定的事故工況承載索受力，利用狀態(tài)方程可求出正常工況承載索受力，通過(guò)承載索正常工況受力，可繪制出正常工況承載索曲線。結(jié)合已知的導(dǎo)線曲線與正常工況承載索曲線（僅跨越網(wǎng)段）進(jìn)行比較判斷。倘若跨越網(wǎng)段曲線低于對(duì)應(yīng)的導(dǎo)線曲線，則說(shuō)明跨越網(wǎng)不影響導(dǎo)線放線。倘若跨越網(wǎng)段曲線高于對(duì)應(yīng)的導(dǎo)線曲線，則說(shuō)明跨越網(wǎng)影響導(dǎo)線放線，應(yīng)采取措施重新進(jìn)行計(jì)算。采取的措施有：提升導(dǎo)線滑車掛點(diǎn)；提高導(dǎo)線張力；采用預(yù)緊方式壓低跨越網(wǎng)的高度等。倘若采取措施后仍不能滿足要求，則該方案不可行。

4.4 確定方案及選擇工器具

在經(jīng)過(guò)二、三步后，基本可以確定可行的方案。根據(jù)選定的可行方案，在多個(gè)方案中可以依照安全可靠、簡(jiǎn)便易行的原則選擇相應(yīng)方案，然后按照安規(guī)的要求確定配套工器具。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以承載索式跨越裝置為研究對(duì)象，對(duì)施工設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行梳理，形成了以事故工況決定正常工況的施工設(shè)計(jì)流程；針對(duì)承載索受力特點(diǎn)，建立集中荷載計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)了利用事故工況求解正常工況，為施工提供依據(jù)；針對(duì)施工實(shí)際情況，提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案流程，通過(guò)優(yōu)化步驟篩選最優(yōu)的方案，在保證安全的前提下，選取簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的施工方案。

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