姜嵐 別一格 黃雄峰 王杰

1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院 宜昌443002

2.湖北省輸電線路工程技術(shù)研究中心 宜昌443002

3.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院 230009

4.國網(wǎng)湖北送變電工程有限公司 武漢430061

引言

內(nèi)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(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、易操作，起吊重量小，組立施工速度快［1-4］。由于內(nèi)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(nèi)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(nèi)懸浮外拉線抱桿組塔施工過程中起著十分關(guān)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(nèi)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(shè)條件的場地。在這些戶外環(huán)境的輸電線路施工過程中，風(fēng)荷載是現(xiàn)場主要影響因素。現(xiàn)場風(fēng)力較大時，容易引起吊裝設(shè)備的晃動，增加拉索系統(tǒng)的負擔(dān)，對施工人員和設(shè)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(fēng)振響應(yīng)進行了研究，得到風(fēng)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(fēng)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(fēng)速；黃銘楓［8］等人研究了大跨越鋼管塔雙平臂抱桿的風(fēng)致響應(yīng)，獲取抱桿在不同風(fēng)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(nèi)懸浮外拉線抱桿組塔施工原理分析的基礎(chǔ)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(nèi)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(fēng)荷載計算分析

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

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

1.1 基本風(fēng)壓

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

式中：ρ為空氣密度，取ρ ＝1.25kg／m3；v為當(dāng)?shù)仫L(fēng)速。

1.2 風(fēng)力系數(shù)

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

1.3 風(fēng)壓高度變化系數(shù)

由《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012），風(fēng)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(fēng)壓高度變化系數(shù)公式為：

式中：h為離地高度。

1.4 迎風(fēng)面積

風(fēng)荷載從抱桿的一側(cè)垂直作用于抱桿時，前片桁架會對后片桁架產(chǎn)生擋風(fēng)作用，如圖2所示。被前片遮擋后的后片風(fēng)荷載計算，應(yīng)按后片的迎風(fēng)面積乘以擋風(fēng)折減系數(shù)η 進行計算?？偟挠L(fēng)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(fēng)面積；A2為后片桁架的迎風(fēng)面積；η為前片桁架對后片桁架的擋風(fēng)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(jié)構(gòu)，中間為32m標(biāo)準節(jié)（標(biāo)準節(jié)長度為2m一段）。抱桿選用Q235 角鋼，標(biāo)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(shè)計，承托繩打設(shè)在輸電塔上，外拉線打設(shè)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(fēng)荷載計算

根據(jù)內(nèi)懸浮外拉線抱桿狀態(tài)，抱桿所受風(fēng)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(fēng)（0m／s）、2 級風(fēng)（3m／s）、4 級風(fēng)（7m／s）、6 級風(fēng)（10m／s），當(dāng)風(fēng)力超過6 級時，應(yīng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(biāo)準節(jié)4 節(jié)1段，共4 段。當(dāng)風(fēng)速為v＝10m／s，垂直作用于抱桿各段時，各段所受風(fēng)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(fēng)荷載的有限元分析

1.抱桿非工作狀態(tài)

當(dāng)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(dāng)風(fēng)從抱桿左側(cè)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(fēng)荷載。風(fēng)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(fēng)從左側(cè)吹向抱桿，左側(cè)的4 根拉索所受張力要大于右側(cè)的4 根拉索。

2.相同風(fēng)荷載下起吊

當(dāng)抱桿工作于最大工作高度120m 時，保持恒定的風(fēng)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(shè)抱桿傾斜方向與起吊塔片、起吊繩在同一平面內(nèi)，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(fēng)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(cè)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(dāng)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(cè)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(fēng)荷載下起吊

當(dāng)抱桿工作于最大工作高度120m 時，改變施工現(xiàn)場風(fēng)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(fēng)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(fēng)工況下，受力側(cè)外拉線所受拉力都遠遠大于無風(fēng)工況，且隨風(fēng)速的增加而增加；承托繩所受張力受風(fēng)荷載影響較小。由圖5 可知，隨著風(fēng)速的變大，起吊繩、外拉線所受張力隨高度的變化越劇烈。當(dāng)風(fēng)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(nèi)懸浮外拉線抱桿組塔受力分析如圖6所示。

圖6 內(nèi)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(cè)外拉線拉力的合力；γ 為受力側(cè)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(cè)兩根外拉線不平衡系數(shù)考慮為1.3［12］，則受力側(cè)單根外拉線的靜張力表達式為：

式中：θ為受力側(cè)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(gòu)件側(cè)承托繩的合力；S2為抱桿的起吊構(gòu)件反側(cè)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(cè)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(gòu)件側(cè)兩根承托繩所受靜張力比抱桿另一側(cè)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(gòu)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(jié)果與有限元分析結(jié)果對比如表8～表10所示。有限元分析結(jié)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(fēng)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(jié)果與風(fēng)載條件仿真結(jié)果差異越大；在不同風(fēng)荷載下起吊相同塔片時，風(fēng)荷載越大，外拉線、起吊繩受力的經(jīng)驗公式計算結(jié)果與風(fēng)載條件仿真結(jié)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(jié)果在各工況下都大于風(fēng)載條件仿真結(jié)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(jié)果的偏差百分比可知，經(jīng)驗公式計算結(jié)果與風(fēng)載條件下仿真結(jié)果有差異。在工程應(yīng)用中，應(yīng)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(fēng)或低風(fēng)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(fēng)速時，應(yīng)考慮風(fēng)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(fēng)速、拉索系統(tǒng)受力進行嚴格監(jiān)測，一旦超出安全閾值，應(yīng)立即停止施工。

4 結(jié)論

本文通過對不同工況下內(nèi)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(jié)果和經(jīng)驗公式計算結(jié)果進行對比，得出以下結(jié)論：

1.小吊重或低風(fēng)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(jié)果大于有限元分析結(jié)果，適用于實際工況。

2.大吊重或高風(fēng)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(jié)果大于經(jīng)驗計算結(jié)果，經(jīng)驗計算公式不再適用于實際工況，施工前需考慮風(fēng)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(yīng)注意使用條件。