兩種材質(zhì)輸電線路施工跨越架的力學(xué)對比分析

劉鐵，趙東，孫田鴿，涂雪松，王舒琴

(1.國網(wǎng)馬鞍山供電公司，安徽 合肥 243000；2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引言

架空輸電線路是電力系統(tǒng)的重要組成部分，隨電力系統(tǒng)規(guī)模的日益擴(kuò)大，高電壓遠(yuǎn)距離輸電線路日益增多，加快輸電線路建設(shè)以及新技術(shù)的發(fā)展對經(jīng)濟(jì)和社會的影響面也更廣?？缭郊苁且环N能迅速搭建的跨越一定范圍的金屬支架體，其作用是保證送電線路架設(shè)施工中跨越區(qū)域的安全[1]。目前，隨著電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，跨越施工量越來越多，跨越難度越來越大，跨越的要求也越來越高，傳統(tǒng)的跨越架已經(jīng)越來越無法滿足安全、可靠、高效的施工需求[2-4]。在電壓等級越來越高，和新建超高壓輸電線路需跨越的已運(yùn)行電力線路、鐵路、高速公路、湖泊、經(jīng)濟(jì)作物區(qū)及其他障礙物越來越多的背景下，自升降式跨越架與傳統(tǒng)跨越架相比，占地面積小，對地形條件要求不高，安裝和拆除工作簡易，不影響被跨越物體正常工作、運(yùn)行，節(jié)約了跨越架線的建設(shè)成本，具備良好的經(jīng)濟(jì)效益。

本文提出一種新型的組合式跨越架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過對鋼材和鋁合金兩種材質(zhì)的跨越架進(jìn)行有限元計(jì)算，著重對比分析了兩種材質(zhì)的跨越架結(jié)構(gòu)在施工組裝工況、大風(fēng)工況和斷線工況下的力學(xué)性能和適用性。

1 項(xiàng)目概況

本組合式跨越架主要由立柱、橫梁和拉線三部分組成，立柱與橫梁材質(zhì)分別采用鋼材和鋁合金[5-6]，拉線采用單根JL/G1A-300/25鋼芯鋁絞線，通過力學(xué)計(jì)算結(jié)果確定材質(zhì)選擇?？缭郊艿鬃鶠殇摻罨炷联?dú)立基礎(chǔ)，跨越架設(shè)計(jì)最大寬度為10.5 m，最大跨越高度18.9 m，最大跨越檔距50 m。組合式跨越架按標(biāo)準(zhǔn)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)長度為2～2.55 m，截面尺寸為0.7 m×0.7 m，便于構(gòu)件運(yùn)輸、組裝、升降。

根據(jù)《跨越電力線路架線施工規(guī)程》DL/T 5106-1999[7]中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行跨越架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?？缭郊芗茼攲挾冗x取按式(1)

式中：B－跨越架架頂寬度，單位m；Zx－施工線路導(dǎo)線或地線在安裝氣象條件下在跨越點(diǎn)處的風(fēng)偏距離，單位m；b－跨越架所遮護(hù)的最外側(cè)導(dǎo)、地線間在橫線路方向的水平距離，單位m；?－跨越交叉角，單位°。

分析國內(nèi)110 kV線路建設(shè)情況，最外側(cè)導(dǎo)、地線間在橫線路方向的水平距離最大為11.3 m，按上式計(jì)算，跨越架架頂寬度B需要設(shè)置在20 m以上才能滿足需求，造成跨越架整體尺寸較大。因本跨越架采用單排桁架結(jié)構(gòu)，為便于進(jìn)行組裝、運(yùn)輸，截面尺寸較小，故將跨越架寬度設(shè)計(jì)為10.5 m，若經(jīng)過計(jì)算跨越寬度需大于10 m，則按兩側(cè)橫擔(dān)分別設(shè)置跨越架考慮[8]。

綜上，跨越架結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 跨越架結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析

2.1 鋼材跨越架結(jié)構(gòu)分析

2.1.1 整體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

鋼管跨越架結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析模型如圖2所示。在其結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算模型中，拉線采用桁架單元模擬，立柱與橫梁全部采用梁單元模擬，立柱的底部節(jié)點(diǎn)以及拉線底端采用固定支座，約束三個(gè)方向的平動和轉(zhuǎn)動位移，構(gòu)件截面為700 mm×700 mm的鋼管跨越架。

圖2 鋼管跨越架有限元計(jì)算模型

2.1.2 跨越架工作荷載

根據(jù)跨越架的實(shí)際工作情況，跨越架結(jié)構(gòu)主要承受結(jié)構(gòu)自重、配重、風(fēng)荷載和斷線沖擊荷載[9]的作用。其中風(fēng)荷載分為正常工作風(fēng)荷載(風(fēng)速為10 m/s)和極限大風(fēng)荷載(風(fēng)速為27 m/s)，荷載工況布置如表1所示。其中，荷載組合1、2為施工狀態(tài)下荷載組合，荷載組合3、4為大風(fēng)狀態(tài)下荷載組合，荷載組合5、6為斷線狀態(tài)下荷載組合。

表1 荷載工況組合

2.1.3 型鋼跨越架結(jié)構(gòu)分析

1)型鋼跨越架結(jié)構(gòu)應(yīng)力

采用有限元法對鋼管跨越架進(jìn)行力學(xué)分析，整理跨越架結(jié)構(gòu)在各工況下的有限元計(jì)算結(jié)果，提取出各節(jié)點(diǎn)位置的最大組合應(yīng)力，繪制出各工況下跨越架最大組合應(yīng)力曲線圖，如圖3所示。

圖3 各工況下跨越架鋼構(gòu)件最大組合應(yīng)力值

表2 各工況下鋼構(gòu)件最大組合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 單位：MPa

由圖3和表2可知，在施工工況下，鋼管跨越架最大組合應(yīng)力為270.26 Mpa，出現(xiàn)在橫梁跨中的下弦桿(工況1)。在大風(fēng)工況下，鋼管跨越架最大組合應(yīng)力為226.41 Mpa，出現(xiàn)在橫梁跨中的下弦桿(工況3)。在斷線工況下，鋼管跨越架最大組合應(yīng)力為225.68 MPa，出現(xiàn)在橫梁跨中的下弦桿(工況6)。橫梁直桿的最大應(yīng)力比為0.961，橫梁斜腹桿的最大應(yīng)力比為0.069，立柱直桿的最大應(yīng)力比為0.194，立柱斜腹桿的最大應(yīng)力比為0.057，水平斜桿的最大應(yīng)力比為0.934。

由以上可知：鋼管跨越架結(jié)構(gòu)中各類桿件的應(yīng)力比均未超過 1.0，滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求[10]。

2)型鋼跨越架結(jié)構(gòu)位移

在不同的荷載工況下，鋼管跨越架結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的位移計(jì)算結(jié)果如表3所示，各工況下型鋼跨越架結(jié)構(gòu)最大豎向位移值曲線圖如圖4所示。最大豎向位移出現(xiàn)在橫梁跨中位置，最大值為20.37 mm，跨中相對于跨端的豎向位移為20.37-(-24.24)=44.60 mm?？缭郊軝M梁跨度為16.1 m，有

滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003中結(jié)構(gòu)撓度小于跨度的1/250的要求。

表3 各工況下型鋼跨越架結(jié)構(gòu)最大豎向位移值單位：mm

圖4 各工況下型鋼跨越架結(jié)構(gòu)最大豎向位移值

2.2 鋁合金跨越架結(jié)構(gòu)分析

2.2.1 結(jié)構(gòu)分析的計(jì)算模型

鋁合金跨越架結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型與鋼管跨越架結(jié)構(gòu)的一致。在有限元計(jì)算模型中，拉線采用桁架單元模擬，立柱與橫梁全部采用梁單元模擬，立柱的底部節(jié)點(diǎn)以及拉線底端采用固定支座，約束三個(gè)方向的平動和轉(zhuǎn)動位移，構(gòu)件截面為700 mm×700 mm的鋁合金圓管跨越架。

2.2.2 鋁合金跨越架結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

1)鋁合金跨越架結(jié)構(gòu)應(yīng)力

圖5 各工況下鋁合金跨越架桿件最大組合應(yīng)力值

表4 各工況下鋁合金跨越架桿件最大組合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果單位：MPa

由圖5和表4可知，在施工工況下，鋁合金跨越架最大組合應(yīng)力為134.85 MPa，出現(xiàn)在橫梁跨中的下弦桿(工況1)。大風(fēng)工況下，鋁合金跨越架最大組合應(yīng)力為112.96 MPa，出現(xiàn)在橫梁跨中的下弦桿(工況3)。在斷線工況下，鋁合金跨越架最大組合應(yīng)力為112.90 MPa，出現(xiàn)在橫梁跨中的下弦桿(工況 6)。

2)鋁合金跨越架結(jié)構(gòu)位移

在不同的荷載工況下，得出鋁合金跨越架結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的位移如表5所示。各工況下鋁合金跨越架結(jié)構(gòu)最大豎向位移值曲線圖如圖6所示。最大豎向位移出現(xiàn)在橫梁跨中位置，最大值為30.55 mm，跨中相對于跨端的豎向位移為30.55-(-35.44)=65.99 mm，因此說明采用鋁合金材質(zhì)的模型是合理的，能夠滿足安全性能的要求。

表5 各工況下鋁合金跨越架結(jié)構(gòu)最大豎向位移值單位：mm

圖6 各工況下鋁合金跨越架結(jié)構(gòu)最大豎向位移值

3 兩種材質(zhì)跨越架結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能對比

3.1 構(gòu)件截面規(guī)格

鋼管跨越架和鋁合金跨越架各類桿件的截面規(guī)格對比如表6所示。

表6 兩種材質(zhì)跨越架各類桿件的截面規(guī)格對比

由表6可知，鋁合金跨越架各類桿件的截面選取較鋼管跨越架大很多，由于鋁合金材質(zhì)較輕，鋁合金跨越架一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的質(zhì)量為163.7 kg，而鋼管跨越架一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的質(zhì)量為209.5 kg，因此從經(jīng)濟(jì)效益和便于運(yùn)輸?shù)慕嵌葋砜矗X合金跨越架更好。

3.2 跨越架結(jié)構(gòu)應(yīng)力

鋼管跨越架和鋁合金跨越架各類桿件的最大組合應(yīng)力值的對比如表7所示。

表7 兩種材質(zhì)跨越架桿件最大組合應(yīng)力值對比單位：MPa

由于鋁合金跨越架各類桿件截面選取較大，因此鋁合金跨越架各類桿件最大組合應(yīng)力較鋼管跨越架小，計(jì)算結(jié)果差別較明顯，最大組合應(yīng)力均出現(xiàn)在橫梁跨中的下弦桿，且最大應(yīng)力值均未超過材料強(qiáng)度。

3.3 跨越架結(jié)構(gòu)位移

組合式鋼管跨越架和鋁合金跨越架結(jié)構(gòu)豎向最大位移值的對比如表8所示。

表8 兩種材質(zhì)跨越架結(jié)構(gòu)豎向最大位移值對比單位：mm

由表8可知，鋁合金跨越架和鋼管跨越架的最大水平位移相差不大，而鋁合金跨越架的相對豎向位移值較大，但依然能夠滿足結(jié)構(gòu)安全性能的要求。

4 結(jié)論

本文提出了一種新型跨越架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并采用有限元法分別對鋼管和鋁合金材質(zhì)的跨越架結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)性能分析，得出如下結(jié)論：

(1)鋁合金跨越架一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的重量為163.7 kg，而鋼管跨越架一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的重量為209.5 kg，由于鋁合金材質(zhì)較輕，因此從經(jīng)濟(jì)效益和便于運(yùn)輸?shù)慕嵌葋砜?，鋁合金跨越架較優(yōu)。

(2)根據(jù)各工況下跨越架力學(xué)計(jì)算結(jié)果，可知鋼管跨越架和鋁合金跨越架的最大組合應(yīng)力值分別為270.26 Mpa、134.85 Mpa，均出現(xiàn)在橫梁跨中下弦桿位置，而鋁合金跨越架各類桿件最大組合應(yīng)力較鋼管跨越架小，計(jì)算結(jié)果差別較明顯，因此鋁合金跨越架更可取。鋼管跨越架和鋁合金跨越架的最大相對豎向位移值分別為44.60 mm和65.99 mm，均滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的力學(xué)性能要求。