鈕永華，王志華，夏順俊

(江蘇省送變電公司，南京市211102)

0 引 言

隨著特高壓電網(wǎng)的大面積開工建設(shè)，長距離跨區(qū)輸電線路路徑的地形地勢、地貌特征復(fù)雜多變［1-2］。特高壓架空輸電線路在進行基礎(chǔ)、組塔、架線等工序施工時，所需運輸?shù)牟牧?、設(shè)備、工器具等，其形體尺寸和質(zhì)量均較一般架空輸電線路更為龐大。當施工區(qū)域在高山大嶺地區(qū)時，若采用車輛或人力畜力運輸，必將采取開山放炮、伐木毀林、填土鋪路等措施以開辟運輸通道。當采取上述措施時，不僅大大增加了運輸成本，而且由于破壞環(huán)境所造成的損失也大大增加。特別是在山區(qū)無運輸?shù)缆返臈l件下，當所運輸?shù)奈锛误w尺寸和質(zhì)量超過一定限度時，人力或畜力就無法運輸，如特高壓架空輸電線路鋼管塔的大型鋼管及座地式抱桿的大型部件等。若采用直升飛機空運，目前國內(nèi)成熟的案例并不多見，且運輸成本也比地面運輸增加很多。因此，目前國內(nèi)特高壓架空輸電線路在山區(qū)無運輸?shù)缆窏l件下的工地運輸，越來越普遍地采用架空輸電線路施工專用貨運索道。專用貨運索道運輸方式經(jīng)濟合理、適用范圍廣闊、可顯著地提高施工效率、減少環(huán)境破壞及節(jié)約人力成本［3］。

架空輸電線路施工專用貨運索道由工作索(承載索、返空索和牽引索)、支架、行走機構(gòu)(承載索和返空索鞍座、行走小車和掛鉤等)、牽引裝置及起始端錨固系統(tǒng)(含錨板、拉棒或鋼絲繩、卸扣、調(diào)整用鏈條葫蘆、測力裝置等)等部分組成。架空輸電線路施工專用貨運索道的各組成部分中，工作索的受力計算是專用索道施工計算中的核心部分，工作索中承載索設(shè)計計算的精度直接影響專用貨運索道在使用過程中的安全性及經(jīng)濟合理性［4］。承載索的受力計算結(jié)果不僅是承載索選型及施工現(xiàn)場定位的基礎(chǔ)，而且直接影響支架的受力和起始端錨固系統(tǒng)的受力，承載索的受力計算也是支架和起始端錨固系統(tǒng)設(shè)計和選型的基礎(chǔ)。

當承載索的跨距足夠大時，可視之為像鏈條一樣的柔軟而無剛性的懸鏈［5］，并以此來建立承載索的懸鏈線方程。本文將承載索簡化為多跨的懸鏈線方程組，建立計算模型，直觀快速地解算承載索的各關(guān)鍵數(shù)值。

1 建立承載索計算模型

架空輸電線路施工專用貨運索道承載索的兩端在地面錨固，中間選擇合適的位置用支架撐高，由壓覆在承載索上的行走小車承擔貨物的荷重。承載索空載及荷載時的斷面簡圖如圖1 所示。

圖1 承載索空載及荷重時的斷面簡圖Fig.1 Section diagram of load cable with load and non-load

1.1 確定承載索斷面坐標

架空輸電線路施工專用貨運索道路徑確定后，承載索的高低錨固點，必要的中間支撐點均初步選定。以承載索低端錨固點的斷面坐標值為(0，0)，實測高端錨固點的坐標值為(xn，yn)，并實測各支撐點的坐標值及地表線關(guān)鍵點的坐標值(xi，yi)。按照所測斷面各點的坐標值，承載索各跨的檔距及高差分別為

式中:li(i+1)為水平檔距，m;hi(i+1)為懸點高差，m。

1.2 承載索初始張力及承載索空載線長計算

承載索的初始張力可根據(jù)經(jīng)驗初步設(shè)定，一般設(shè)承載索低端錨點處初始張力為T(0)0，則低端錨點至架1 檔內(nèi)的懸鏈線公式為

承載索在架1 處左側(cè)張力的計算公式如下:

式中:θ1L為承載索在架1 處左側(cè)切線對水平線夾角，(°)。

承載索支點為鞍座結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為鋼，承載索是涂油的鋼絲繩，鞍座在加工時均考慮過承載索鋼絲繩需在其內(nèi)部滑移，一般均要求其摩阻系數(shù)小于0.02。承載索在支點處的滑動摩擦力等于正壓力乘以摩阻系數(shù)，支點處的正壓力遠小于承載索的張力，因此承載索因支點處摩擦而增加的張力小于承載索總張力的1%。為簡化計算，可假定架1 處承載索支點摩阻系數(shù)為0(其余支點處摩阻系數(shù)也假定為0)，承載索右側(cè)張力等于左側(cè)張力，即。由架1 右側(cè)的張力可計算架1 和架2 檔內(nèi)水平張力及架2 的左側(cè)張力。通過逐檔推進演算，空載時承力索的所有張力線長均可進行計算。

任意檔內(nèi)的懸鏈線計算公式如下:

因此，承載索在空載狀態(tài)下，若中間有n個支架，則承載索將被分割為n +1個檔距，可以建立n +1個懸鏈線方程，所有方程中可將各檔水平張力視為自變量，其余各點的張力、高程及線長均為應(yīng)變量。

上述n +1 懸鏈線方程組可以利用Excel 中的規(guī)劃求解工具進行解算。即設(shè)各檔水平張力為可變單元格(共n + 1個可變單元格)，約束條件為(有n個約束條件)及= a(a 為初始設(shè)定的張力)。

承載索空載時的總線長計算公式如下:

1.3 單個集中荷載時承載索的斷面坐標參數(shù)

承載索在承載單個最大集中荷載時是最惡劣工況［6］，數(shù)值模型以此工況進行模擬分析。

設(shè)集中荷載的斷面坐標為(xk，yk)，則集中荷載至左側(cè)最近支架為一懸鏈線，至右側(cè)最近支架為另一懸鏈線。集中荷載左側(cè)的水平檔距l(xiāng)ik= xk－xi、左側(cè)懸點高差，集中荷載右側(cè)的水平檔距l(xiāng)k(i+1)= x(i+1)－xk、右側(cè)懸點高差

1.4 集中荷載處承載索張力的垂直分量計算

集中荷載處承載索左右側(cè)的垂直分量之和與集中荷載的重力相平衡，計算公式如下:

1.5 支架處的垂直下壓力計算

任意支架垂直下壓力的計算公式如下:

1.6 承載索空載和荷載時線長的平衡方程

承載索由于兩端錨固，在荷載時由于張力的增加和溫度的改變使其與空載時的總線長相比有變化，計算公式如下:

1.7 承載索空載和荷載時平衡方程的求解

承載索在單個集中荷載時，中間有n個支架，則承載索將被分割為n +2個檔距，可以建立n +2個懸鏈線方程，所有方程中可將各檔水平張力和荷載處縱坐標yk視為自變量，其余各點的張力、高程及線長均為應(yīng)變量。

上述n +2 懸鏈線方程組可以利用Excel 中的規(guī)劃求解工具進行解算。即設(shè)各檔水平張力和荷載處縱坐標yk為可變單元格(共n + 3個可變單元格)，約束條件為有n +1個約束條件)、= G(中荷載重力平衡)(空載和荷載時線長平衡)。

當集中荷載的個數(shù)增加時，可變單元格和約束條件也增加［7-9］，仍可用Excel 中的規(guī)劃求解工具進行解算。

1.8 承載索荷載時在障礙點處的標高yZA 解算

當荷載位于障礙點所在的檔內(nèi)時，若障礙點處的橫坐標為xZA，則障礙點處承載索的標高yZA按此處的懸鏈線方程進行解算，公式如下:

懸鏈線最低點在檔內(nèi)時，hm(ZA)按式(21)計算:

懸鏈線最低點在檔外時，hm(ZA)按式(22)計算:

式中:hmi為懸鏈線最低點至支架點i 的高差，m;hm(ZA)為懸鏈線最低點至障礙點i 的高差，m。

當承載索上的荷載點位于障礙點處時，障礙點處的標高yZA為最小值，該處的標高值需大于障礙點處的地面標高加安全高度要求。若此處的標高不能滿足要求，則需調(diào)整承載索空載的初始張力，直至符合要求［10］。

上述承載索計算模型適用承載索的剛度影響極小，承載索形狀符合懸鏈線線型，承載索受力變形在線彈性變形范圍以內(nèi)，也即承載索的最小跨距大于10 m，最大跨越小于1 000 m 范圍以內(nèi)［11-14］。

2 實例計算及其與實測的比較

1 000 kV 浙福線8 標段4040 號塔位，架設(shè)重型往復(fù)式雙承載索架空輸電線路施工專用貨運索道，支架為6 柱式鋼管“A”字架結(jié)構(gòu)，支架橫梁為雙拼工字鋼結(jié)構(gòu)，額定荷載為300 kN;行走機構(gòu)為50 kN 級雙索小車;起始端錨固系統(tǒng)為單索2 ×150 kN 級;牽引機為80 kN索道專用牽引機;牽引索為φ16 mm、6 ×19 結(jié)構(gòu)、油麻芯、公稱抗拉強度1 870 MPa、最小破斷拉力為158 kN的鋼絲繩。承載索使用規(guī)格φ28 mm、6 ×19 結(jié)構(gòu)、油麻芯、公稱抗拉強度1 870 MPa、最小破斷拉力為484 kN的鋼絲繩。承載索米重ω=26.87 N/m、鋼絲總截面A =289.85 mm2、彈性模量E=100 GPa、線性膨脹系數(shù)ε=11.5 ×10－6/℃。索道斷面參數(shù)為:低端錨點(0，0)、架1(15，3.5)、架2(424，120.5)、架3(447，123.5)、高錨點(462，120)、障礙點(215，35.4)。單根承載索最大集中荷載G =24.517 kN。

2.1 最大集中荷載在障礙點處的計算

將上述參數(shù)代入計算模型，按障礙點標高進行控制，并于2013年9月15 日在現(xiàn)場實際測量，所得結(jié)果見表1。

表1 數(shù)據(jù)測試結(jié)果與計算結(jié)果對比Tab.1 Contrast of test data and calculation data

2.2 最大集中荷載在最大檔(架1 至架2 之間)內(nèi)移動時的高程和張力變化

將承載索處最大集中荷載在最大檔內(nèi)的橫坐標值xk從架1 起，每次增加10 m，計算承載索荷載處的縱坐標值yk。將xk、yk相對應(yīng)的值通過Excel 的“concatenate”命令轉(zhuǎn)化(xk、yk)數(shù)組，在AutoCAD 中利用line 或pline 生成相應(yīng)的軌跡點，生成的軌跡點如圖2 所示。通過比較軌跡點與地面線之間的距離，可直觀地看到斷面各處的安全高度。

圖2 最大集中荷載在最大檔內(nèi)移動的軌跡點Fig.2 Track points of the maximal concentrated load in the longest span

記錄障礙點的高程值yZA，轉(zhuǎn)化成坐標數(shù)組(xk、yZA)生成障礙點高程曲線如圖3 所示，用全站儀實測障礙點處的高程，也在圖3 內(nèi)顯示。通過比較障礙點處高程的計算值與實測值，可判斷此處高程的變化趨勢并驗證計算的正確性。

圖3 最大集中荷載在最大檔內(nèi)移動時障礙點處的高程變化Fig.3 Elevation change of obstacle when the maximal concentrated load move in the longest span

圖4 最大集中荷載在最大檔內(nèi)移動時高端錨點的張力變化Fig.4 Tension change of higher anchor point when the maximal concentrated load move in the longest span

通過比較最大集中荷載在最大檔內(nèi)移動時障礙點的高程和高端錨點的張力，實測值與理論計算值的誤差均不超過3%，實測的障礙點的高程略大于理論計算值，實測的高端錨點張力略小于理論計算值。

1 000 kV 浙福線8 標段4040 號塔位的架空輸電線路施工專用貨運索道(重型)已安全運輸鋼管塔材約2 ×105kg，其余塔位已架設(shè)約6 處專用索道(重型)，專用索道試運行時所測結(jié)果均符合理論計算值。

3 結(jié) 論

架空輸電線路施工專用貨運索道承載索斷面坐標和張力問題，可通過建立懸鏈線方程，以張力平衡、線長平衡和重力平衡為條件，利用Excel 的規(guī)劃求解工具解算各未知量。并將斷面參數(shù)和張力參數(shù)變換為數(shù)組，可簡單快速地在AutoCAD 內(nèi)畫出荷載前后的斷面和張力變化曲線。該模型計算結(jié)果與實測記錄相吻合，適用于施工現(xiàn)場的實際應(yīng)用。

［1］白雪松，繆謙．貨運施工索道懸索理論計算模型研究［J］． 電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(20):90-94．

［2］熊織明，鈕永華，邵麗東.500 kV 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］白雪松，繆謙，王立軍，等．貨運施工索道工作索計算軟件開發(fā)與應(yīng)用［J］．電力建設(shè)，2009，30(2):41-44．

［4］單圣滌．工程索道［M］．北京:中國林業(yè)出版社，2000:75-84．

［5］李博之．高壓架空輸電線路施工技術(shù)手冊(架線工程計算部分)［M］．北京:中國電力出版社，1989:1-5．

［6］丁宗保，黃成云，朱立明，等.1 000 kV 淮上線特高壓鋼管塔重型構(gòu)件索道運輸［J］．電力建設(shè)，2012，33(7):99-101．

［7］鄭麗鳳． 架空索道懸鏈線理論研究［D］． 福州:福建農(nóng)業(yè)大學(xué)，2002．

［8］靳義奎，陸建榮．多支點循環(huán)索道運輸在輸電線路中的應(yīng)用［J］．青海電力，2009，28(4):41-45．

［9］國家電網(wǎng)公司基建部．國家電網(wǎng)公司輸電線路工程貨運架空索道運輸標準化手冊［M］．北京:中國電力出版社，2010．

［10］孫竹森，繆謙，江明．輸電線路工程貨運架空索道標準化施工方案［J］．電力建設(shè)，2011，32(3):117-120．

［11］Q/GDW 418—2010 輸電線路工程貨運架空索道運輸施工工藝導(dǎo)則［S］．北京:國家電網(wǎng)公司，2010．

［12］國網(wǎng)交流工程［2013］237 號． 浙北—福州特高壓交流輸變電工程架空輸電線路施工貨運索道施工管理規(guī)定(試行)［S］． 北京:國家電網(wǎng)公司交流建設(shè)分公司，2013．

［13］中國電力科學(xué)研究院． 輸電線路工程貨運架空索道運輸標準化手冊:設(shè)計篇［S］．北京:中國電力科學(xué)研究院，2009．

［14］中國電力科學(xué)研究院． 輸電線路工程貨運架空索道運輸標準化手冊:施工運行篇［S］．北京:中國電力科學(xué)研究院，2009．