徐城城，葉建云，周煥林

(1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，合肥市230009;2.浙江省送變電工程公司，杭州市310016)

0 引言

浙江省送變電工程公司某工程施工所使用的起重機(jī)械為雙平臂抱桿，該抱桿的額定起重質(zhì)量為160 kg(鉤下質(zhì)量)，考慮吊鉤總質(zhì)量25 kg，工作幅度3～30m，起吊鋼絲繩額定速度60m/min，起吊設(shè)備采用牽引機(jī)，起吊鋼絲繩規(guī)格為φ20×1 700m，自質(zhì)量1.56 kg/m，破斷拉力219 kN，吊鉤行程約263m，走4道鋼絲繩。抱桿設(shè)計(jì)的氣象條件設(shè)定為:最大工作風(fēng)速10.8m/s，最大非工作狀態(tài)風(fēng)速35m/s。工作狀態(tài)下，起吊繩允許偏擺橫向3°(垂直于起重臂方向)，縱向3°(沿起重臂方向)。抱桿的最大使用高度265m(起重臂下平面至地面距離)，塔身截面尺寸為2.4m×2.4m，其中最大鋼管規(guī)格φ203×16 mm2;三角形吊臂截面高1 250 mm，寬1 350 mm。平臂采用雙吊點(diǎn)形式，下支座下端采用法蘭形式與井架連接，各連接部位設(shè)置良導(dǎo)體，接地可靠。

典型的組立鐵塔施工方法有內(nèi)懸浮外拉線抱桿分解組塔法［1］、內(nèi)懸浮內(nèi)拉線抱桿分解組塔法［2］、內(nèi)懸浮外拉線搖臂抱桿與落地?fù)u臂抱桿分解組塔法、塔式起重機(jī)分解組塔法、流動式起重機(jī)分解組塔法［3］及履帶吊和抱桿聯(lián)合施工法［4］。抱桿具有很好的施工適應(yīng)性，是組立輸電高塔的重要起重機(jī)械。國內(nèi)通常采用的抱桿形式有落地四搖臂抱桿、落地雙平臂抱桿、內(nèi)懸浮雙搖臂抱桿、落地雙搖臂抱桿等［5］。229m高的蕪湖長江大跨越塔、257m高的馬鞍山長江大跨越塔、346.5m高的江陰長江大跨越塔和122.8m高的特高壓黃河大跨越塔等均采用了抱桿組立吊裝［6-15］。浙江省送變電工程公司在施工過程中采用履帶吊與抱桿聯(lián)合施工法，根據(jù)不同工況的施工高度選擇吊裝方式，高度低的時候采用履帶吊，達(dá)到一定高度后采用抱桿吊裝。

1 校核工況

1.1 基本約定

抱桿如圖1所示。依據(jù)抱桿運(yùn)行技術(shù)參數(shù)，從數(shù)值模擬的適用性和有效性出發(fā)，進(jìn)行以下約定。

圖1 抱桿和鐵塔示意圖Fig.1 Sketch map of holding pole and tower

平臂的水平投影位置(即為回轉(zhuǎn)角度——上回轉(zhuǎn)體與下回轉(zhuǎn)體間的夾角)分為工作狀態(tài)0°、22.5°、45°，見圖2;非工作狀態(tài)下:0°，加錨固繩。

圖2 平臂位置示意圖Fig.2 Sketch map of flat arm's position

風(fēng)向:垂直于平臂的風(fēng)向?yàn)?°方向;平行于平臂的風(fēng)向?yàn)?0°方向;上述二者的角平分線方向?yàn)?5°方向，如圖3所示。

圖3 風(fēng)向示意圖Fig.3 Sketch map of wind direction

起吊繩偏離方向:工作狀態(tài)下起吊繩允許偏擺橫向3°(垂直于起重臂方向)，縱向3°(沿起重臂方向)，如圖4所示。

1.2 校核工況

通過對抱桿吊裝施工工藝和當(dāng)?shù)貧庀筚Y料的分析，選取以下工況為校核工況。

圖4 起吊繩偏離方向示意圖Fig.4 Sketch map of hoisting rope deviation

(1)最終位置非工作工況A(平臂0°)。在平臂24m 處對稱錨固于地面;風(fēng)向:45°、90°;風(fēng)速:22，24.5，28.5m/s。

(2)最終位置非工作工況B(平臂22.5°)。風(fēng)向:0°;風(fēng)速:24.5，28.5，35m/s。

(3)最終位置非工作工況C(平臂45°)。風(fēng)向:0°;風(fēng)速:24.5，28.5，35m/s。

(4)初始位置工作工況A(平臂0°)。風(fēng)向:0°、45°、90°;吊重荷載:16 t/16 t、16 t/8 t、8 t/0 t。

(5)初始位置工作工況B(平臂22.5°)。風(fēng)向:0°、45°、90°;吊重荷載:16 t/16 t、16 t/8 t。

(6)初始位置工作工況C(平臂45°)。風(fēng)向:0°、45°、90°;吊重荷載:16 t/16 t、16 t/8 t、8 t/0 t。

(7)最終位置工作工況A(平臂0°)。風(fēng)向:0°、45°、90°;吊重荷載:16 t/16 t、16 t/8 t、8 t/0 t。

(8)最終位置工作工況B(平臂22.5°)。風(fēng)向:0°、45°、90°;吊重荷載:16 t/16 t、16 t/8 t。

(9)最終位置工作工況C(平臂45°)。風(fēng)向:0°、45°、90°;吊重荷載:16 t/16 t、16 t/8 t、8 t/0 t。

其中工作工況校核風(fēng)速為10.8m，風(fēng)向考慮最不利情況(自較輕吊裝側(cè)吹向較重吊裝側(cè));最終位置工作高度為266.153m，即雙平臂離地面的距離為266.153m，初始位置工作高度為85.153m，也即雙平臂離地面的距離為85.153m。

1.3 荷載說明

分析計(jì)算時考慮的荷載主要有:重力荷載、風(fēng)荷載、吊重(包括吊鉤、吊繩的質(zhì)量)。重力載荷考慮1.1的調(diào)整系數(shù)和1.1的動力系數(shù)。風(fēng)載荷計(jì)算綜合考慮了相關(guān)規(guī)范、抱桿高度、結(jié)構(gòu)特性及當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件。根據(jù)《電力建設(shè)安全工作規(guī)程》規(guī)定:六級及以上大風(fēng)不得進(jìn)行高處作業(yè)，同時氣象統(tǒng)計(jì)資料顯示近年來當(dāng)?shù)氐淖畲箫L(fēng)速為35m/s，故抱桿設(shè)計(jì)的氣象條件為:工作狀態(tài)的最大計(jì)算風(fēng)速為10.8m/s，非工作狀態(tài)最大計(jì)算風(fēng)速為35m/s。

2 模型建立

根據(jù)抱桿的實(shí)際形態(tài)，建立非線性有限元模型。其中主體、雙平臂、桅桿采用梁單元模擬，即利用beam188單元模擬主桿、斜腹桿、加強(qiáng)桿、弦桿等，桿件之間的連接默認(rèn)為剛接。拉桿、腰環(huán)和錨固繩等只承受拉力的構(gòu)件采用link10單元模擬，與主體或平臂的連接默認(rèn)為鉸接。平臂與回轉(zhuǎn)塔身連接處設(shè)立耦合重合節(jié)點(diǎn)，釋放端點(diǎn)轉(zhuǎn)動自由度，使模型更準(zhǔn)確地反應(yīng)抱桿作業(yè)時的受力和位移的情況。主桿與地面為固接，沿主桿每隔一段間距設(shè)置附著腰環(huán)，減小主桿的自由高度。最終位置工況模型單元總數(shù)為11 236，節(jié)點(diǎn)數(shù)為6 636。計(jì)算時依據(jù)上述不同的工況，對模型進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。建立的三維有限元模型如圖5所示。

圖5 計(jì)算模型Fig.5 Computation model

3 有限元計(jì)算結(jié)果與分析

對各工況施加重力載荷、風(fēng)載荷、吊重(包括吊鉤、吊繩)，定義相應(yīng)載荷工況。起吊繩偏離采用以下方法進(jìn)行施加。

設(shè)吊重(包括吊鉤、吊繩)為G，橫向偏離荷載F1=G·tanα1(α1為橫向偏離角度)，F(xiàn)2=G·tanα2(α2為縱向偏離角度)。

通過非線性有限元數(shù)值模擬，確定風(fēng)向45°、90°為典型工況，其子工況最大位移計(jì)算結(jié)果、井架上拔力計(jì)算結(jié)果分別見表1、表2。

表1 最大位移計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculation results of the maximum displacement mm

表2 井架上拔力計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of tension on derrick kN

從表1中可以看出，工作工況在風(fēng)向45°和90°不平衡吊時整體位移較大，有2個主要原因:一方面，偏載導(dǎo)致較大的不平衡彎矩;另一方面，較大的迎風(fēng)面積產(chǎn)生較大的水平風(fēng)載，使整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大彎曲變形。平衡吊裝相比較于偏載吊裝可顯著減小系統(tǒng)最大位移。

從表2中可以看出，初始位置工作工況B在風(fēng)向45°、16/8 t不平衡吊，非工作工況A在風(fēng)向45°和90°、24.5m/s風(fēng)速及以上時上拔力均超出了控制的1 018 kN。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在滿足最大位移、上拔力、腰環(huán)拉力及平臂應(yīng)力設(shè)計(jì)要求的工況中選取較不利的幾種工況進(jìn)行線性屈曲分析，即通過有限元分析軟件對較不利的工況進(jìn)行線性穩(wěn)定性分析，得出其特征值。特征值又稱為屈曲因子或者安全系數(shù)，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時的屈曲荷載為屈曲因子乘以給定的荷載。當(dāng)屈曲荷載大于1時說明作用于結(jié)構(gòu)上的荷載必須增大才能引起結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。具體計(jì)算詳見表3。

表3 線性屈曲分析計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of linear buckling analysis

表3表明，抱桿體系屈曲因子均大于6倍以上，穩(wěn)定安全性高。

4 改進(jìn)措施

最終位置非工作工況A在平臂24m處進(jìn)行了錨固，通過計(jì)算了解到，該錨固狀況下的井架上拔力在風(fēng)速為 24.5，28.5m/s、風(fēng)向45°和風(fēng)速為 28.5m/s、風(fēng)向90°時超過了1 018 kN的上拔力限值要求。建議此工況下，雙平臂采用隨風(fēng)轉(zhuǎn)動的措施;當(dāng)抱桿雙平臂隨風(fēng)轉(zhuǎn)動風(fēng)速33m/s及以上時亦不能滿足上拔力要求，此時，施工單位調(diào)整工作方案，采取降抱桿處理。針對降低抱桿高度的模型進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果見表4。

表4 降抱桿處理計(jì)算結(jié)果對比Tab.4 Calculation results result comparison for pole at different height

表4表明，抱桿降低工作高度后，整體位移、井架軸力、腰環(huán)拉力均減小。抱桿結(jié)構(gòu)下降4m即可以滿足設(shè)計(jì)要求，說明降抱桿措施得當(dāng)。

5 結(jié)論

本文介紹了浙江省送變電工程公司施工用抱桿的計(jì)算工況和作用載荷，并利用大型有限元程序?qū)ΡU結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非線性有限元分析。通過結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)了不滿足控制條件的工作工況，并給出了解決措施。分析結(jié)果對施工方案的制定起到了指導(dǎo)性的作用。考慮到抱桿系統(tǒng)安全性要求極高，通過對雙平臂抱桿的計(jì)算得出以下建議。

(1)平臂端部、回轉(zhuǎn)支撐和桅桿頂部板材及平臂根部與滑輪軸連接處，計(jì)算建模時都存在自由度耦合和結(jié)構(gòu)合理等效簡化，這些部位應(yīng)力計(jì)算結(jié)果均較大，應(yīng)該加強(qiáng)該部位銷軸、連接板和焊縫的外觀檢查。抱桿井架上拔力最大的位置一般出現(xiàn)在第1道腰環(huán)附近，應(yīng)注意加強(qiáng)該部位的維護(hù)檢修。

(2)在施工過程中應(yīng)確保腰環(huán)合理打設(shè)，其鋼絞線及圓鋼(雙鉤)道數(shù)和型號不應(yīng)低于計(jì)算時采取的數(shù)據(jù)。隨著輸電塔和抱桿的升高要及時打設(shè)腰環(huán)。

(3)密切關(guān)注惡劣天氣狀況對工程施工的不良影響，加強(qiáng)氣象監(jiān)測，嚴(yán)禁大風(fēng)和冰雪災(zāi)害天氣時工作。

(4)抱桿的結(jié)構(gòu)性能可以采取現(xiàn)場試驗(yàn)的方法，通過位移觀測和應(yīng)力檢測，來進(jìn)一步分析驗(yàn)證。

［1］李慶林.特高壓輸電線路鐵塔組立抱桿的方案選擇［J］.電力建設(shè)，2007，28(3):29-33.

［2］郎福堂，郭昕陽.組合式抱桿組立大跨越鐵塔施工技術(shù)［J］.電力建設(shè)，2007，28(11):25-30.

［3］劉利平，張茂盛.大截面、大荷載、長抱桿在1000kV線路組塔施工中的應(yīng)用［J］.東北電力技術(shù)，2009(10):7-12.

［4］邱強(qiáng)華，葉建云，黃超勝，等.大型履帶吊在高塔組立中的應(yīng)用［J］.電力建設(shè)，2010，31(5):122-125.

［5］黃超勝，丁仕洪，汪國林，等.370m高塔抱桿內(nèi)拉線的研究與應(yīng)用［J］.電力建設(shè)，2011，32(8):122-127.

［6］夏紹凱，楊韶明，牛忠榮.電測法分析大型吊裝抱桿的應(yīng)力狀態(tài)［J］.工程與建設(shè)，2006，20(6):694-696.

［7］黃成云，黃朝永，崔青松，等.多檔連續(xù)整體裝配式架線方法［J］.電力建設(shè)，2008，29(1):34-35.

［8］熊織明，鈕永華，邵麗東.500kV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.

［9］熊織明，邵麗東，吳建宏，等.346.5m輸電高塔施工技術(shù)［J］.特種結(jié)構(gòu)，2004，21(3):18-21.

［10］黃成云，朱冠旻，殷傳儀.特高壓黃河大跨越鐵塔塔頭吊裝［J］.電力建設(shè)，2008，29(4):20-23.

［11］鄭懷清，熊織明，王曦辰，等.1000kV交流特高壓線路鐵塔組立技術(shù)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(20):15-19.

［12］黃成云，朱立明，丁宗保，等.特高壓鋼管塔軌道運(yùn)輸方案［J］.電力建設(shè)，2010，31(9):71-73.

［13］丁仕洪，周煥林，葉建云，等.某大跨越高塔抱桿的非線性有限元靜力分析［J］.特種結(jié)構(gòu)，2011，28(3):46-49.

［14］汪瑞，周煥林，秦大燕，等.扣塔組立用抱桿的非線性有限元分析［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2012，27(6):54-57.

［15］周煥林，葉建云，羅義華.舟山大跨越高塔抱桿現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)［J］.電力建設(shè)，2009，30(8):63-65.

［16］趙世興，李新民，張存有.750kV送電線路鐵塔內(nèi)懸浮外拉線抱桿施工工藝與控制［J］.中國電力，2009，42(6):89-91.