吴 凡1 史 跃2 黄成云2 周焕林1
(1.合肥工业大学土木与水利工程学院， 合肥 230009； 2.安徽送变电工程公司， 合肥 230022)
摘 要：特高压灵绍线长江大跨越输电线路铁塔具有高、大、重等特点，采用了落地双平臂抱杆对其进行施工。运用有限元方法对工程所用的双平臂抱杆及双平臂抱杆与铁塔的耦合结构进行了力学性能分析，分别得出多种工况下这两种结构的抱杆整体最大位移、最大应力和腰环拉线最大拉力。结果表明：当风向为45°方向时，抱杆处于最不利状态；与单抱杆结构相比，耦合结构中抱杆的最大位移增大，腰环拉线拉力减小。
关键词：双平臂抱杆； 铁塔； 耦合结构； 有限元； 力学性能
灵州—绍兴±800 kV特高压直流输电线路(以下简称“灵绍线”)起于宁夏回族自治区银川市灵州换流站，止于浙江省诸暨市绍兴换流站。线路架空距离为1 532 km，路径全长为1 720 km，其中一般线路长度为1 716.5 km，长江大跨越长度为3.5 km。长江大跨越标段位于安徽省境内。
国家电网特高压组塔工程的主要施工设备是各种形式的抱杆。常用的五类抱杆有：内悬浮外拉线抱杆、落地双平臂抱杆、落地双摇臂抱杆、单动臂抱杆、内悬浮双摇臂抱杆。“灵绍线”长江大跨越输电铁塔采用钢管塔设计，钢管塔单件有构件长、质量大、直径大等特点[1]，该跨越塔的吊装具有一定的难度[2]。国家电网安徽送变电工程公司根据实际的施工环境条件，采用落地双平臂抱杆进行施工。双平臂抱杆具有起吊半径大、起吊重量大、稳定性较好等优点[3]。双平臂抱杆在电力建设中应用很广泛，但目前针对它的理论研究还比较少，其在设计、组塔的使用过程中较多依靠工程经验，缺少成熟的理论依据。确保抱杆结构的安全对铁塔施工的意义重大[4]。本文以“灵绍线”长江大跨越工程为例，运用有限元方法对工程所用的双平臂抱杆及双平臂抱杆和铁塔的耦合结构进行计算[5-7]，分析施工过程中，耦合结构中的铁塔对抱杆力学性能的影响。
“灵绍线”长江大跨越塔组立所使用的双平臂抱杆为2 000 mm×2 000 mm方形截面，独立高度为 28 m，最大起升高度可达300 m，此时塔身部分含50节标准节(高6 m/节)，额定吊重为160 kN。抱杆钢材选用Q345钢，标准节选用的钢管规格有：□200×8(主弦杆)、φ90×5(直腹杆)、φ70×5(斜腹杆)、φ70×6(加强杆)。铁塔为2基，单基重达17 900 kN，呼高均为275 m，全高为280.2 m。输电线路塔主体结构为钢管结构，最大单管直径为1 626 mm，壁厚为30 mm，重128.1 kN。双平臂抱杆组塔示意如图1所示。
注：圈内数字表示腰环道数。
图1 双平臂抱杆组塔示意 m
抱杆主体及井架构件采用Beam 188梁单元模拟，腰环绳采用Link 10杆单元模拟，铁塔主体结构全部采用Beam 188梁单元模拟，杆件节点处按刚接处理。
抱杆的腰环相当于塔吊的附墙，需要安装在输电线路塔主材上，腰环需受力拉紧[8]。输电线路塔组立完成时，抱杆上共计18道腰环，因此可以根据腰环道数不同，将组立过程分为18种工况。由于篇幅所限，仅选取部分典型工况，参数如表1所示，图1 标示出了各工况最上部腰环的高度和位置，图2为3道腰环时的有限元模型示意。
表1 计算工况
腰环道数最上部腰环高度/m抱杆高度/m吊件重/kN起吊钢丝绳重/kN371.0096.7965706035.8487.00114.71128807159.06115.00138.71326008656.610157.35186.712743011651.815226.50252.74403015770.218272.00288.713905018016.6
a—双平臂抱杆;b—耦合结构。
图2 3道腰环时的有限元模型
双平臂抱杆计算荷载主要包含抱杆自重、吊件重量、吊钩重量、起吊钢丝绳重量、风荷载等。输电线路塔计算荷载主要包含输电线路塔自重、风荷载等。抱杆和输电线路塔的自重系数均取1.3，额定荷载系数取1.3，重力加速度取9.8 m/s2。
各工况吊件重量和起吊钢丝绳重量见表1，吊钩取25 430 kN。计算时考虑了30%偏载量。
风对受风物体产生的风压主要与风速有关，可按式(1)计算：
(1)
式中：p为工作状态下的计算风压；vs为计算风速，取10 m高度处的10 min平均风速10 m/s。
约定垂直于平臂的风向为90°方向；平行于平臂的风向为0°方向；上述二者的角平分线方向为45°方向。
作用在结构上的工作状态风荷载按式(2)计算：
PW=ApC
(2)
式中:A为实体迎风面积;C为风力系数。
总的风荷载为其各组成部分风荷载的总和[9]。
对各工况施加重力荷载、风荷载、吊重(包括吊钩、起吊钢丝绳重量)，定义相应荷载工况，对双平臂抱杆及双平臂抱杆和输电线路塔的耦合结构进行计算，分别得出这两种结构的抱杆整体最大位移、最大应力和腰环拉线最大拉力，计算结果见表2—表4。
表2 抱杆最大位移 mm
腰环道数0°风向45°风向90°风向抱杆耦合抱杆耦合抱杆耦合3463.7446.1469.0471.2459.5461.44538.7542.9544.3548.1533.8537.26562.0571.6566.1575.5559.0568.010621.3626.8626.8632.2615.8620.215330.2352.9334.4357.4327.4347.518554.4593.2556.4595.3553.4586.2
表3 抱杆最大应力 MPa
腰环道数0°风向45°风向90°风向抱杆耦合抱杆耦合抱杆耦合3147.0147.4147.3147.6147.6148.04163.2163.6163.5163.9163.8164.26182.9183.5183.2183.7183.5184.010181.0181.4181.2181.6181.6182.015111.6111.7111.7111.8111.9112.018197.5198.3197.7198.5198.0198.9
表4 腰环拉线最大拉力 N
腰环道数0°风向45°风向90°风向抱杆耦合抱杆耦合抱杆耦合327316257343083329177302512857343068929144344573278233739320446367783276540140359483964535494104373138231480154215747184414101528492261643296930697319702994118928156347295219674869486067353
可以看出：当风向为45°时，两种结构的抱杆整体最大位移和腰环拉线最大拉力均大于0°和90°风向的数值。这是由于风向为45°时，结构的实体迎风面积较大，会产生较大的风荷载。由此可知：当风向为45°方向时，结构处于最不利状态。
根据风向为45°时的计算结果，探讨在施工过程中，耦合结构中的输电线路塔对抱杆力学性能的影响。两种结构的抱杆力学性能对比如图3—图5所示。
图3 抱杆最大位移对比
图4 抱杆最大应力对比
图5 腰环拉线最大拉力对比
由图3可以看出：单抱杆结构的整体最大位移小于耦合结构中的抱杆整体最大位移。
由图4可以看出：单抱杆结构的最大应力与耦合结构中的抱杆最大应力接近。
由图5可以看出：单抱杆结构的腰环拉线最大拉力大于耦合结构的腰环拉线最大拉力。
1)当风向为45°方向时，抱杆的整体最大位移、腰环拉线最大拉力均大于0°和90°风向的数值，此时抱杆处于最不利状态，在工程施工中应密切关注风向等不利天气影响。
2)抱杆与输电线路塔耦合结构与单抱杆结构相比，抱杆整体最大位移增大，最大应力基本不变，腰环拉线最大拉力减小。
因此，在双平臂抱杆设计和施工时应考虑在建铁塔对抱杆整体位移增大的不利影响。
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(1.School of Civil Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China;class='content_center'>2.Anhui Electric Transmission and Transformation Company, Hefei 230022, China)
ABSTRACT：The Yangtze River long-span ultra high voltage transmission line tower of Lingshao has the characteristics of high-rise, large-scale and large-mass. The tower was constructed by grounded double flat-arm holding pole. The mechanical property of the double flat-arm holding pole, as well as the coupling structure of double flat-arm holding pole and trasmission line tower, were analyzed by the finite element method. The overall maximum displacement and stress of the pole, the maximum tension of the girdle cable under a variety of conditions were obtained respectively. The results indicated that 45°wind direction might lead to the most unfavorable state for the pole. Compared with the single pole structure, the maximum displacement of the pole in coupling structure increased, while the maximum tension of the girdle cable decreased.
KEY WORDS：double flat-arm holding pole; steel tower; coupling structure; finite element; mechanical property
DOI:10.13206/j.gjg201603013
收稿日期：2015-10-08
通信作者：周焕林，zhouhl@hfut.edu.cn。
*国家电网公司交流建设分公司科技项目(SGZB0000JLJS1400072)。
第一作者：吴凡，男，1993年出生，硕士研究生。
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