風載條件下內懸浮外拉線抱桿組塔吊裝仿真分析*

姜嵐 別一格 黃雄峰 王杰

1.三峽大學電氣與新能源學院 宜昌443002

2.湖北省輸電線路工程技術研究中心 宜昌443002

3.合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院 230009

4.國網(wǎng)湖北送變電工程有限公司 武漢430061

引言

內懸浮外拉線抱桿組立鐵塔是送電線路工程使用最廣泛、工藝最成熟的一種鐵塔組立施工方法，主要適用于較輕型鐵塔的組立施工，其特點是設備結構簡單、易操作，起吊重量小，組立施工速度快［1-4］。由于內懸浮外拉線抱桿在工程中的大量使用，其在施工過程中的安全性日益引起人們的重視。

內懸浮外拉線吊裝過程如圖1 所示。抱桿工作時，4 根外拉線連接抱桿頂部與地面以維持抱桿受力平衡，4 根承托繩連接抱桿底部與塔身主材以承托抱桿，1 根起吊繩承載起吊塔片的全部重量。這9 根繩索組成的拉索系統(tǒng)在內懸浮外拉線抱桿組塔施工過程中起著十分關鍵的作用。倘若任意一根繩索受力過載發(fā)生斷裂，將發(fā)生抱桿傾倒或塔片墜落等重大施工事故。因此，在施工前需嚴格選擇拉索系統(tǒng)的規(guī)格型號，并在施工時對拉索系統(tǒng)進行全程受力監(jiān)測。

圖1 抱桿吊裝過程示意Fig.1 Schematic diagram of the lifting process of the pole

內懸浮外拉線抱桿組立鐵塔多適用于地形較為廣闊的平原、丘陵地區(qū)等具備外拉線搭設條件的場地。在這些戶外環(huán)境的輸電線路施工過程中，風荷載是現(xiàn)場主要影響因素?，F(xiàn)場風力較大時，容易引起吊裝設備的晃動，增加拉索系統(tǒng)的負擔，對施工人員和設備造成威脅。張珂［5］等人對懸浮抱桿傾斜角度的安全性進行了分析；徐金城［6］等人對懸浮抱桿風振響應進行了研究，得到風振對抱桿桿體振幅的影響；肖琦［7］等人對鐵塔與抱桿耦合系統(tǒng)抗風能力進行靜力分析，確定鐵塔與抱桿耦合系統(tǒng)在保證安全情況下所能承受的最大風速；黃銘楓［8］等人研究了大跨越鋼管塔雙平臂抱桿的風致響應，獲取抱桿在不同風向角的體型系數(shù)。以上均對懸浮抱桿整體情況進行了研究，但并未考慮抱桿拉索系統(tǒng)在塔片起吊過程中的拉力變化情況。

本文在對內懸浮外拉線抱桿組塔施工原理分析的基礎上，對抱桿進行仿真，針對不同工況下的抱桿起吊塔件過程進行分析，得到拉索系統(tǒng)受張力隨塔片起吊高度增加的變化曲線，為內懸浮外拉線抱桿組塔施工前主要工器具選型及施工中實時監(jiān)測提供參考。

1 風荷載計算分析

根據(jù)起重機設計規(guī)范，作用于工作狀態(tài)抱桿上的風荷載計算公式［9］為：

式中：C為風力系數(shù)；Kh為風壓高度變化系數(shù)；P0為基本風壓；A為垂直于風向的迎風面積。

1.1 基本風壓

基本風壓反映了某地風力在迎風表面產(chǎn)生作用的標準值，是計算風荷載的基本參數(shù)?；撅L壓P0計算公式為：

式中：ρ為空氣密度，取ρ ＝1.25kg／m3；v為當?shù)仫L速。

1.2 風力系數(shù)

風力系數(shù)又稱體型系數(shù)，是起重機結構所承受的實際風力與理論計算風力的比值，與結構的構造、體型和尺寸有關。按單片結構的風力系數(shù)表［10］中型鋼制成的平面桁架，風力系數(shù)C＝1.6。

1.3 風壓高度變化系數(shù)

由《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009—2012），風壓高度變化系數(shù)的計算公式根據(jù)地面粗糙程度分為A、B、C、D 四類［11］。其中，B 類指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū)，輸電線路組塔施工現(xiàn)場通常位于B類環(huán)境中。取B類地貌的風壓高度變化系數(shù)公式為：

式中：h為離地高度。

1.4 迎風面積

風荷載從抱桿的一側垂直作用于抱桿時，前片桁架會對后片桁架產(chǎn)生擋風作用，如圖2所示。被前片遮擋后的后片風荷載計算，應按后片的迎風面積乘以擋風折減系數(shù)η 進行計算?？偟挠L面積計算公式為：

圖2 前后片桁架示意Fig.2 Schematic diagram of front and rear trusses

式中：A1為前片桁架的迎風面積；A2為后片桁架的迎風面積；η為前片桁架對后片桁架的擋風折減系數(shù)，根據(jù)兩桁架之間的間隔比，取η ＝0.15［9］。

2 吊裝受力有限元仿真分析

2.1 抱桿模型的建立

抱桿為特高壓吊重80kN 懸浮式抱桿，長度44m，自重4.4t，最大工作高度為120m。兩端為5.7m錐段結構，中間為32m標準節(jié)（標準節(jié)長度為2m一段）。抱桿選用Q235 角鋼，標準節(jié)選用的角鋼規(guī)格為：主弦桿L100mm ×8mm、直腹桿L70mm×5mm、斜腹桿L56mm ×5mm。按照施工設計，承托繩打設在輸電塔上，外拉線打設在地面上，與水平面的夾角均為45°，起吊繩與豎直方向的夾角為15°。

抱桿模型采用ANSYS 有限元分析軟件建立，主材、斜材、斜腹桿采用BEAM188 單元，承托繩、外拉線采用LINK180 單元，抱桿端部加強板采用SHELL181 單元。抱桿模型及拉索系統(tǒng)單元編號如圖3 所示。

圖3 抱桿模型及細節(jié)Fig.3 Pole model diagram and details

2.2 不同工況下起吊過程風荷載計算

根據(jù)內懸浮外拉線抱桿狀態(tài)，抱桿所受風荷載、起吊塔片吊重以及抱桿偏離角度的不同，將起吊過程分為以下3 類12 種工況，如表1 所示。分別選取了無風（0m／s）、2 級風（3m／s）、4 級風（7m／s）、6 級風（10m／s），當風力超過6 級時，應停止吊裝作業(yè)。工況1～工況4 為第一類工況：其中，工況1 為抱桿不受風荷載的靜立非工作狀態(tài)，工況2～工況4 為抱桿受不同大小風荷載時的非工作狀態(tài)；工況5～工況8 為第二類工況：抱桿在相同大小風荷載下，依次增加起吊塔片重量和傾斜角度的工作狀態(tài)；工況9～工況12 為第三類工況：抱桿在不同大小風荷載下，起吊相同重量塔片且傾斜角度不變的工作狀態(tài)。

表1 抱桿起吊過程的不同工況Tab.1 Different working conditions during the lifting process

根據(jù)懸浮抱桿最大工作高度為120m，將抱桿分為6 段：上下錐段各為1 段，標準節(jié)4 節(jié)1段，共4 段。當風速為v＝10m／s，垂直作用于抱桿各段時，各段所受風荷載大小分別為：Pw1＝622.82N、Pw2＝860.05N、Pw3＝839.18N、Pw4＝818.3N、Pw5＝797.43N、Pw6＝554.28N。

2.3 加載風荷載的有限元分析

1.抱桿非工作狀態(tài)

當抱桿不起吊重物，處于非工作狀態(tài)時，抱桿所受自重經(jīng)由抱桿底座傳遞給承托系統(tǒng)，承托系統(tǒng)所受張力在4 根承托繩之間分配。外拉線連接抱桿頂部與地面，使抱桿受力平衡并保持豎直狀態(tài)。

當風從抱桿左側沿90°的方向垂直吹向抱桿時，對非工作狀態(tài)的抱桿施加不同大小的風荷載。風荷載加載后，經(jīng)過求解和后處理，得到外拉線和承托繩8根拉索的拉力值如表2、表3所示。

表2 工況1～工況4 外拉線的拉力（單位：N）Tab.2 Tension of outer guys under working conditions 1～4（unit：N）

表3 工況1～工況4 承托繩的拉力（單位：N）Tab.3 Tension of supporting ropes under working conditions 1～4（unit：N）

由表2、表3 可知，承托繩由于抱桿自重作用所受拉力比外拉線所受張力大。由于風從左側吹向抱桿，左側的4 根拉索所受張力要大于右側的4 根拉索。

2.相同風荷載下起吊

當抱桿工作于最大工作高度120m 時，保持恒定的風速（v＝10m／s）分別改變抱桿起吊塔片重量和抱桿傾斜角度，對起吊系統(tǒng)進行有限元分析。起吊塔片時，為了避免塔片與已組塔身碰撞以及方便塔片安裝，抱桿將傾斜一定角度，傾斜的方向隨著起吊塔片的位置而變化。為了簡化計算，假設抱桿傾斜方向與起吊塔片、起吊繩在同一平面內，抱桿中心位于塔身軸線上。

對四種工況下的抱桿模型加載相同的風荷載，經(jīng)過求解和后處理，得到起吊過程中外拉線和承托繩8 根拉索的最大拉力值如表4、表5 所示，得到起吊繩和塔片反側外拉線拉力值隨著塔片起吊高度增加而變化如圖4 所示。

表4 工況5～工況8 外拉線的拉力（單位：N）Tab.4 Tension of outer guys under working conditions 5～8（unit：N）

表5 工況5～工況8 承托繩的拉力（單位：N）Tab.5 Tension of supporting ropes under working conditions 5～8（unit：N）

圖4 工況5～工況8 起吊繩與外拉線變化曲線Fig.4 Change curve of lifting rope and outer guys under working conditions 5～8

由表4、表5 可知，當抱桿起吊塔片時，相反于塔片方向的2 根外拉線受到較大的張力，而塔片同側的2 根外拉線則處于松弛狀態(tài)，且外拉線所受張力大小隨塔片重量的增加而增加。承托繩的受力大小也隨著起吊塔片重量的增加而增加，但起吊塔片重量的變化對承托繩拉力的影響較小。由圖4 可知，隨起吊高度的增加，起吊繩、外拉線所受張力都有一定增加，整體變化幅度不大。起吊塔片重量決定了起吊繩、外拉線的基準張力。

3.不同風荷載下起吊

當抱桿工作于最大工作高度120m 時，改變施工現(xiàn)場風速，起吊相同重量的塔片（5t），對起吊系統(tǒng)進行有限元分析。分別加載不同的風荷載后，經(jīng)過求解和后處理，得到起吊過程中外拉線和承托繩8 根拉索的最大拉力值如表6、表7 所示，得到起吊繩和外拉線所受拉力隨著塔片起吊高度增加而變化如圖5 所示。

表6 工況9～工況12 外拉線的拉力（單位：N）Tab.6 Tension of outer guys under working conditions 9～12（unit：N）

表7 工況9～工況12 承托繩的拉力（單位：N）Tab.7 Tension of supporting ropes under working conditions 9～12（unit：N）

圖5 工況9～工況12 起吊繩與外拉線變化曲線Fig.5 Change curve of lifting rope and outer guys under working conditions 9～12

由表6、表7 可知，在大風工況下，受力側外拉線所受拉力都遠遠大于無風工況，且隨風速的增加而增加；承托繩所受張力受風荷載影響較小。由圖5 可知，隨著風速的變大，起吊繩、外拉線所受張力隨高度的變化越劇烈。當風速為10m／s時，起吊繩受力變化幅度差接近3kN，外拉線受力變化幅度差接近1kN。

3 對比分析

內懸浮外拉線抱桿組塔受力分析如圖6所示。

圖6 內懸浮外拉線抱桿組塔受力Fig.6 Force diagram of tower erection

（1）抱桿外拉線受力表達式：

式中：Ph為受力側外拉線拉力的合力；γ 為受力側外拉線拉力合力對地夾角；δ為抱桿傾斜角度；β為起吊繩與豎直方向的夾角；T為起吊繩組的受力。

由于布置誤差，受力側兩根外拉線不平衡系數(shù)考慮為1.3［12］，則受力側單根外拉線的靜張力表達式為：

式中：θ為受力側單根外拉線與其合力的夾角。

（2）抱桿承托繩受力表達式為：

式中：S1為抱桿的起吊構件側承托繩的合力；S2為抱桿的起吊構件反側承托繩的合力；G0為抱桿自重；N為抱桿的綜合計算軸向壓力；? 為受力側承托繩合力與抱桿軸線夾角。比較兩式可以看出，S1＞S2，即抱桿的起吊構件側兩根承托繩所受靜張力比抱桿另一側承托繩受靜張力大，故統(tǒng)一取S1作為選擇承托繩的依據(jù)［13，14］。

（3）抱桿起吊繩受力表達式為：

式中：T為起吊繩受力；G為被吊構件的重力；ω為控制繩對地夾角。

不同起吊工況下經(jīng)驗公式計算結果與有限元分析結果對比如表8～表10所示。有限元分析結果選取起吊過程中各繩索所受最大靜張力為對比值。

表8 外拉線拉力對比（單位：N）Tab.8 Tension comparison of outer guys（unit：N）

由表8、表9 相差值可知，在相同大小風荷載下起吊不同重量塔片時，塔片重量越大，外拉線、起吊繩受力的經(jīng)驗公式計算結果與風載條件仿真結果差異越大；在不同風荷載下起吊相同塔片時，風荷載越大，外拉線、起吊繩受力的經(jīng)驗公式計算結果與風載條件仿真結果差異越大。

表9 起吊繩拉力對比（單位：N）Tab.9 Tension comparison of lifting rope（unit：N）

由表10 相差值可知，承托繩的經(jīng)驗公式計算結果在各工況下都大于風載條件仿真結果。

表10 承托繩拉力對比（單位：N）Tab.10 Tension comparison of supporting ropes（unit：N）

由表8～表10 兩項結果的偏差百分比可知，經(jīng)驗公式計算結果與風載條件下仿真結果有差異。在工程應用中，應注意施工現(xiàn)場實際工況，在起吊小吊重塔片、戶外施工現(xiàn)場無風或低風速時，可使用經(jīng)驗計算公式計算拉索系統(tǒng)受力，簡化計算流程；起吊大吊重塔片、戶外施工現(xiàn)場高風速時，應考慮風荷載對拉索系統(tǒng)的影響，在施工前對拉索系統(tǒng)工器具進行嚴格選型、在施工中對現(xiàn)場風速、拉索系統(tǒng)受力進行嚴格監(jiān)測，一旦超出安全閾值，應立即停止施工。

4 結論

本文通過對不同工況下內懸浮外拉線抱桿組塔單片塔材起吊進行了有限元分析，得到抱桿拉索系統(tǒng)所受張力，并將有限元分析結果和經(jīng)驗公式計算結果進行對比，得出以下結論：

1.小吊重或低風速工況下，拉索系統(tǒng)受力隨起吊高度變化幅度小，經(jīng)驗公式計算結果大于有限元分析結果，適用于實際工況。

2.大吊重或高風速工況下，拉索系統(tǒng)受力隨起吊高度變化幅度大，對施工現(xiàn)場安全不利；有限元分析結果大于經(jīng)驗計算結果，經(jīng)驗計算公式不再適用于實際工況，施工前需考慮風荷載影響因素，對拉索系統(tǒng)工器具嚴格選型。工程中使用經(jīng)驗計算公式時應注意使用條件。