江祥云，鄒宇

(湖南省電網(wǎng)建設(shè)公司，湖南衡陽(yáng)421002)

鐵塔組立是否安全，關(guān)鍵之一在于施工方案的選擇和相配備的工機(jī)具安全系數(shù)的大小?？梢哉f，一個(gè)好的施工方案及合理的工機(jī)具配備是鐵塔組立成功的一半。

方案的選擇及工機(jī)具的配備，實(shí)際上是相輔相成的，方案選擇時(shí)需要考慮工機(jī)具的適用性，而工機(jī)具選擇又需要考慮方案的可操作性，在這個(gè)過程中需要牽涉到大量的受力計(jì)算及經(jīng)驗(yàn)判斷，文中通過向家壩—上?！?00 kV特高壓直流輸電線路直線塔的組立工機(jī)具選擇，說明方案選定后配套工具選擇過程。

1 鐵塔情況

向家壩—上?！?00 kV特高壓直流輸電線路工程湘2B標(biāo)段共計(jì)92基桿塔，使用15種鐵塔型式，其中直線塔10種。由于地處湖區(qū)，地形平坦，視野開闊，拉線位置及起吊系統(tǒng)均很好布置。該標(biāo)段直線塔主要特點(diǎn):

(1)鐵塔普遍較高，全高在60～87 m范圍，根開尺寸相對(duì)較大，在11～18 m之間。

(2)塔頭尺寸較小，整個(gè)塔頭高度6～6.5 m。

(3)鐵塔較重，本標(biāo)段單基重量為36～83 t。特別是塔身下部分塔段重量相對(duì)較大，最重段達(dá)11 t，可分片吊裝。

(4)橫擔(dān)寬度較大，橫擔(dān)寬度為40.7～43.9 m，單側(cè)橫擔(dān)長(zhǎng)度達(dá)20 m，近身側(cè)橫擔(dān)+地線支架部分的吊裝是施工吊裝難點(diǎn)，近身側(cè)橫擔(dān)最長(zhǎng)為10.75 m，單側(cè)重量達(dá) 4.2 t。

(5)鐵塔接腿較長(zhǎng)，最長(zhǎng)達(dá)15 m。

2 方案優(yōu)化選擇

根據(jù)以上特點(diǎn)分析，直線塔組立吊裝的重點(diǎn)和難點(diǎn)為近身側(cè)橫擔(dān)與地線支架組合部分及遠(yuǎn)身側(cè)橫擔(dān)的吊裝施工，結(jié)合該施工段地勢(shì)平坦、視野開闊，但塔材噸位重、橫擔(dān)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)、根開大、單片重量重、橫擔(dān)寬 (最寬達(dá)45 m)的施工特點(diǎn)，根據(jù)《±800 kV架空送電線路鐵塔組立施工導(dǎo)則》中規(guī)定的“內(nèi)懸浮外拉線抱桿分解組塔”施工方法，初步確定按最大起吊控制重量在4 t以下的施工方案進(jìn)行受力計(jì)算及工機(jī)具選擇。根據(jù)工程受力分析，由于近身側(cè)橫擔(dān)、遠(yuǎn)身側(cè)橫擔(dān)的吊裝是施工吊裝難點(diǎn)，近身側(cè)橫擔(dān)最長(zhǎng)為10.75 m，單側(cè)重量達(dá)4.2 t，方案重點(diǎn)對(duì)最大起重量、最高塔高條件下近身側(cè)橫擔(dān)的起吊進(jìn)行分析。

方案確定后，根據(jù)其工藝特點(diǎn)及施工經(jīng)驗(yàn)，首先需要設(shè)定一定的分析條件:

(1)抱桿傾斜角≤10°。

(2)起吊鋼絲繩與抱桿軸線夾角≤10°。

(3)控制繩對(duì)地夾角≤45°。

(4)拉線對(duì)地夾角≤45°(進(jìn)行工況組合分析，以確定其適用性)，離基礎(chǔ)中心距離應(yīng)不小于塔高1.2 倍。

(5)吊物重≤40 kN，牽引系統(tǒng)應(yīng)放置在主要吊裝面的側(cè)面，牽引裝置及地錨與鐵塔中心的距離應(yīng)不小于塔全高的0.5倍，且不小于40 m。

(6)對(duì)角兩承托繩之間的夾角≤90°。

3 各種受力工機(jī)具的受力計(jì)算及配備

3.1 抱桿系統(tǒng)受力分析及選擇

鐵塔組立最重要的施工機(jī)具是抱桿，抱桿選擇需要重點(diǎn)考慮其最大起重量、高度、長(zhǎng)度、長(zhǎng)細(xì)比、縱向允許中心壓力、安全系數(shù)等。

(1)抱桿最大起重量。由于最大起吊控制重量在4 t，考慮抱桿附件的重量，抱桿起吊能力必須大于4 t。

(2)抱桿起吊長(zhǎng)度。抱桿長(zhǎng)度的選擇取決于被吊構(gòu)件、吊點(diǎn)繩的高度、起吊繩或起吊滑車組的預(yù)留程度，一般經(jīng)驗(yàn)取值為:

L≥1.75H=1.75×15=26.25(m)(工程實(shí)際采用抱桿長(zhǎng)度為28 m)

式中 H為鐵塔分段中最長(zhǎng)一段的長(zhǎng)度，取15 m。

根據(jù)鉸支梁的工作原理和抱桿與承托繩的夾角不大于45°的要求，本工程直線塔瓶口處最小邊長(zhǎng)為4 m×4 m，計(jì)算出最大外露長(zhǎng)度為25.17(m)，在實(shí)際施工中外露長(zhǎng)度控制在18 m以下。

根據(jù)《±800 kV架空輸電線路鐵塔組立施工工藝導(dǎo)則》要求，抱桿傾斜角不宜超過10°，結(jié)合起吊鋼絲繩與抱桿軸線夾角不大于10°的要求，則起吊繩吊點(diǎn)位置與瓶口投影距離為:l=18×sin10°+28×sin10°=7.99(m)，橫擔(dān)長(zhǎng)度10.75 m，吊點(diǎn)至鉛垂線距離為 10.75/2+2=7.4＜7.99(m)，能夠滿足水平起吊法或豎直起吊法對(duì)距離的要求。

(3)縱向允許中心壓力。經(jīng)計(jì)算為140 kN，即抱桿綜合軸心壓力 (具體分析見抱桿的軸心壓力分析)。

綜上所述，選擇600 mm×600 mm×28 m的鋼格式抱桿，最大起重量50 kN，總長(zhǎng)度28 m，吊重偏角抱桿最大允許傾斜角10°，起吊繩與鉛垂線最大允許夾角20°，縱向允許中心壓力150 kN，安全系數(shù)2.5，長(zhǎng)細(xì)比85。

3.2 起吊系統(tǒng):控制繩的選擇

根據(jù)分析條件，控制繩對(duì)地夾角ω不大于45°，取最大值45°進(jìn)行分析，起吊滑車組軸線與鉛垂線間的夾角β取10°。由于向家壩—上?！?00 kV特高壓直流輸電線路工程鐵塔普遍較高、塔片較重，鋼絲繩及滑車組重量必須與起吊重量疊加，根據(jù)圖1可知:

式中 F為控制繩的靜張力合力;G為被吊構(gòu)件的重力，導(dǎo)則中只要求考慮構(gòu)件重力，在實(shí)際使用中應(yīng)考慮相關(guān)鋼絲繩及滑車組起吊重量，取40 kN(含鋼絲繩、滑車組重量);β為起吊滑車組軸線與鉛垂線間的夾角 (°);ω為控制繩對(duì)地夾角 (°)。

圖1 內(nèi)懸浮外拉線抱桿組塔受力分析圖

根據(jù)安規(guī)要求，控制繩破斷力計(jì)算時(shí)取安全系數(shù)K=3，動(dòng)荷系數(shù)K1=1.2，不平衡系數(shù)K2=1.2，則控制繩破斷力:

可選取 Φ11 mm鋼絲繩 (最小破斷力62.69 kN)作為控制繩。長(zhǎng)度L＞(塔高87 m+抱桿外露18 m)/sin45°=154 m，考慮制動(dòng)等因素，取180 m。鋼絲繩破斷拉力計(jì)算方法說明:一般使用結(jié)構(gòu)為6×37的鋼絲繩，公稱抗拉強(qiáng)度為R0=1 570 MPa，鋼絲繩最小破斷拉力系數(shù)K’=0.33，直徑D=11 mm，則Φ11 mm鋼絲繩最小破斷力=K’×D2×R0/1000=0.33×112×1 570/1 000=62.69＞52.3(kN)。

3.3 起吊系統(tǒng):起吊繩和吊點(diǎn)繩的受力計(jì)算及選擇

起吊繩采用鋼絲繩，一端通過穿滑車組與吊點(diǎn)繩連接后再與被吊構(gòu)件連接，另一端通過塔腳根部轉(zhuǎn)向滑車至牽引機(jī)動(dòng)絞磨。根據(jù)牽引系統(tǒng)應(yīng)放置在主要吊裝面的側(cè)面，牽引設(shè)備及地錨與鐵塔中心的距離應(yīng)不小于塔全高的0.5倍，并不小于40 m的要求，起吊滑車組軸線與鉛垂線間的夾角 β取10°，控制繩對(duì)地夾角ω取45°。

(1)起吊滑車組張力的計(jì)算及吊點(diǎn)繩的選擇。根據(jù)圖1，起吊滑車組張力為:

根據(jù)安規(guī)要求和起吊滑車組張力，可確定與滑車組連接的吊點(diǎn)繩的受力。安規(guī)規(guī)定:吊點(diǎn)繩安全系數(shù)4.5，動(dòng)荷系數(shù)1.2，不均衡系數(shù)1.2。則吊點(diǎn)繩的破斷力:

因?yàn)槭┕r(shí)，吊點(diǎn)繩V形起吊，故破斷力〔T〕 =319.5/2=160.0 kN，選擇破斷力為 197 kN的Φ19.5 mm的鋼絲繩作為吊點(diǎn)繩可滿足要求。

(2)起吊繩靜張力的計(jì)算及選擇。起吊繩可采用滑車組4繩受力布置，起吊滑車組鋼絲繩的工作繩數(shù)n為4;滑車效率η取0.96。

起吊繩通過滑車組與吊點(diǎn)繩連接，其靜張力為:

根據(jù)安規(guī)要求，取起吊繩安全系數(shù)4.5，動(dòng)荷系數(shù)1.2，起吊繩破斷力

選擇破斷力為87.6 kN的 Φ13 mm的鋼絲繩(滑車組4繩受力布置)作為起吊繩。長(zhǎng)度為L(zhǎng)＞87×5+87×0.5=478(m)，考慮余量取 600 m。

3.4 拉線系統(tǒng):外拉線的選擇

外拉線也稱落地拉線，即抱桿拉線通過地錨固定在鐵塔以外的地面上。拉線的作用主要是穩(wěn)定抱桿，并均衡受力，具有易控制、操作靈活等特點(diǎn)。拉線和抱桿的夾角應(yīng)≥45°，起吊滑車組軸線與鉛垂線間的夾角β取10°，抱桿軸線與鉛垂線間的夾角δ(即抱桿傾斜角)取10°，抱桿拉線合力線對(duì)地夾角γ，γ=arc(2tanω)，落地拉線對(duì)地夾角取45°，經(jīng)計(jì)算為 54.74°。

根據(jù)圖1可知，單側(cè)拉線合力

單側(cè)拉線由2根落地拉線組成，取不均衡系數(shù)為1.3，受力側(cè)拉線與其合力線間的夾角θ經(jīng)計(jì)算為30°，則單根拉線最大受力 (靜張力)

根據(jù)安規(guī)要求，取拉線安全系數(shù)4.5，動(dòng)荷系數(shù)1.2，則拉線的破斷力

〔P〕＞P×K×K2=29.7×3×1.2=106.8(kN)

選取破斷力為116.6 kN的Φ15 mm鋼絲繩作為拉線。拉線長(zhǎng)度 L＞(87+22)/cos45°=154(m)，取180 m。

施工計(jì)算中，施工技術(shù)人員還需要對(duì)不同工況組合下的拉線受力進(jìn)行計(jì)算。拉線對(duì)地夾角大于60°的情況下，各項(xiàng)受力指標(biāo)均達(dá)到極限值;70°以上，各項(xiàng)受力指標(biāo)已經(jīng)變成負(fù)值，受力分析完全失去意義。故不論在什么情況下，拉線對(duì)地夾角必須控制在45°以下，在不得已的情況下，也不得大于60°。

3.5 抱桿系統(tǒng):抱桿的軸心壓力

在計(jì)算抱桿受力時(shí)，導(dǎo)則中只明確要求考慮不平衡系數(shù)，但實(shí)際使用過程中，必須考慮到動(dòng)荷系數(shù)，即通常講的沖擊力，一般按照1.2倍取值。

動(dòng)態(tài)軸心壓力:

抱桿的綜合計(jì)算壓力:

式中 G1為拉線等重力產(chǎn)生的下壓力 (7.0 kN)。

以上動(dòng)態(tài)軸心壓力作為抱桿縱向允許中心壓力的選擇依據(jù)。

3.6 承托繩系統(tǒng):承托繩的選擇

承托繩為抱桿承托受力工具，主要保證抱桿穩(wěn)定，不僅要承擔(dān)抱桿的外荷載，同時(shí)還要承擔(dān)抱桿及拉線等附件的下壓力，一端與抱桿底座連接，另一端用卸扣與鐵塔主材處的施工耳板連接，4根承托繩相對(duì)滑車組調(diào)整后保持等長(zhǎng)，當(dāng)抱桿向受力側(cè)傾斜時(shí)，受力側(cè)承托繩合力較受力反側(cè)為大，對(duì)角2根承托繩之間的夾角不應(yīng)大于90°，與抱桿夾角不大于45°，且不小于30°，通常按45°進(jìn)行受力計(jì)算，受力側(cè)2根承托繩合力線與抱桿軸線間的夾角Φ，經(jīng)計(jì)算為25.26°。

當(dāng)抱桿處于豎直狀態(tài)時(shí)，2根承托繩的合力S2為:

式中 G0為抱桿及拉線等附件的重力，本工程為19.6 kN;S2為抱桿向受力側(cè)傾斜時(shí)，受力側(cè)承托繩的合力 (kN)。

單根承托繩最大靜張力 (取不均衡系數(shù)為1.2) 為:

式中 θ為受力側(cè)承托繩與其合力線間的夾角，為30°。

承托繩的選擇應(yīng)滿足安全系數(shù)4和動(dòng)荷系數(shù)1.2的要求，則破斷力〔S〕為:

選取破斷力為350.24 kN的Φ26 mm的鋼絲繩作為承托繩。

式中 l為承托繩長(zhǎng);l1為鐵塔平口寬度;θ為承托繩與抱桿的夾角。

θ=45°時(shí)，有:

綜合考慮，選用承托繩，長(zhǎng)度為4 m，6 m，11 m，各4根。

3.7 鋼絲繩選擇 (見表1，起吊重量控制在4 t以內(nèi))

表1 鋼絲繩選擇

4 結(jié)束語

綜上所述，一旦方案確定后，所有工具選擇的受力計(jì)算是工機(jī)具選擇的重點(diǎn)，只有通過對(duì)主要受力機(jī)具的詳細(xì)的受力分析計(jì)算，才能確定工機(jī)具的大小、長(zhǎng)度，對(duì)其分析過程中，也直接對(duì)方案的一些細(xì)節(jié)，如拉線對(duì)地角度、起吊系統(tǒng)的位置、承托繩的布置進(jìn)行詳細(xì)的論證，最終起到完善整個(gè)方案的作用。

〔1〕李慶林.架空送電線路鐵塔組立工程手冊(cè)〔M〕.北京:中國(guó)電力出版社，2007.

〔2〕國(guó)家電網(wǎng)公司.±800 kV架空輸電線路鐵塔組立施工工藝導(dǎo)則(報(bào)批稿) 〔S〕.

〔3〕簡(jiǎn)光祈.新編實(shí)用五金手冊(cè)〔M〕.北京:中國(guó)電力出版社，2007.

〔4〕西北電力設(shè)計(jì)院.向家壩—上海±800 kV特高壓直流輸電線路工程鐵塔設(shè)計(jì)圖紙〔R〕.