铁塔与抱杆耦合系统抗风能力研究

肖 琦，宋 玉，孙海军，闫 宾

(1.东北电力大学 建筑工程学院，吉林 吉林 132012；2.中铁二十三局工程有限公司，重庆 401122；3.国网新源控股有限公司技术中心，北京 100000)

铁塔与抱杆耦合系统抗风能力研究

肖 琦1，宋 玉1，孙海军2，闫 宾3

(1.东北电力大学 建筑工程学院，吉林 吉林 132012；2.中铁二十三局工程有限公司，重庆 401122；3.国网新源控股有限公司技术中心，北京 100000)

抱杆和铁塔一样属于高耸结构，其高柔特性导致其对水平荷载非常敏感，针对淮上1 000 kV特高压输电线路工程铁塔组立施工，选用座地双摇臂抱杆组立铁塔，并对铁塔与抱杆耦合系统的抗风性能进行研究。运用ANSYS软件对铁塔与抱杆耦合系统进行静力分析，明确铁塔与抱杆耦合系统在保证安全的情况下所能承受的最大风速，确定抱杆使用范围，从而为铁塔组立施工方案的编制提供依据。这种施工方法对临近带电体组塔施工、山区组塔施工等无法架设外拉线的塔位组塔施工有一定的借鉴意义。

组塔；抱杆；抗风；静力分析

淮南-南京-上海工程线路工程(13标)，路径长度为37.287 km，共有铁塔72基。导线型号为8×JL1/LHA1-465/210铝合金芯铝绞线，地线一侧采用OPGW-185光缆，另一侧采用JLB20A-185铝包钢绞线。杆塔采用自立式钢管塔。沿线地形主要为平地和河网。设计气象条件为最大风速32 m/s，覆冰10 mm。线路大致平行于500千伏东洋、东仲线走线，相距50 m-60 m，铁塔组立时，外拉线抱杆不能使用。铁塔塔高在98 m-137.3 m，基础根开在19.050 m-29.230 m。相对于以往1000千伏特高压线路工程，本工程钢管塔设计上具有根开大、外形高、横担长、塔材重等特点。

目前国内外以往在山区以及邻近电力线路等无法架设外拉线的情况下大多采用内悬浮内拉线抱杆、座地双摇臂抱杆、座地双平臂抱杆以及塔式起重机等组立铁塔，但在无法架设外拉线塔位组立特高压双回路钢管塔仍有很多困难[1-3]。借鉴以往工程经验，对比不同抱杆使用条件，如表1所示，为有效解决临近500千伏电力线路外拉线设置受限、塔位现场的构件小运和组装场的构件移位等问题，塔位拟定大面积采用T2T100座地双平臂抱杆进行组立，但根据目前市场上抱杆的供需情况，该公司现有的座地双平臂抱杆数量不能满足本标段的组塔进度要求，急需其它抱杆补充组塔，于是制造使用了最大高度120 m的座地双摇臂抱杆[4-11]。

表1 其它抱杆类型及其特点

由于占地协调问题，本标段大部分塔位未能施工，影响架线施工及整条线路的工程进度，因此组塔施工工期较紧，但由于本标段位于中纬度地带、海陆相过渡带，又逢夏秋多风季节，而座地双摇臂抱杆工作状态最大设计风速在10.6 m/s，据统计该地夏秋季节最大月平均风速为7 m/s，超过设计风速的次数较多，为了满足组塔进度要求，需要在超过设计风速时继续施工。考虑到抱杆设计安全系数为2.1，经过计算可得到该抱杆在工作状态能承受13.8 m/s的风速，非工作状态能承受36 m/s的风速。运用ANSYS软件对铁塔与抱杆耦合系统进行静力分析，明确铁塔与抱杆耦合系统在保证安全的情况下所能承受的最大风速，为铁塔组立提供依据，从而缩短组塔工期，使组塔施工满足进度要求[12-20]。

1 校核工况

通过对铁塔吊装工艺分析，我们选取座地双摇臂抱杆吊装SZV323型铁塔上横担作为分析对象，在如下各种工况下校核铁塔与抱杆耦合系统的安全指标。

工作状态，摇臂回转角度分别为0°、22.5°、45°、90°，摇臂仰起角度分别为3°、45°、87°，离地十米高平均风速分别为10.8 m/s、11.8 m/s、12.8 m/s、13.8 m/s，风向分别为0°、45°、90°，吊重分为平衡吊装5t/5t、偏载吊装5 t/2.5 t和2.5 t/0 t。

非工作状态，摇臂回转角度为0°，摇臂仰起角度为3°，风速分别为32 m/s、34 m/s、36 m/s，风向为分别为0°、45°、90°，摇臂端部加锚固绳。

本文将运用ANSYS软件对铁塔和抱杆耦合系统进行分析，通过对不同工况的受力分析可得出结构的承载规律，模拟铁塔组立施工的实际工作情况。

图1 系统分段图

2 荷载说明

铁塔与抱杆耦合系统的计算荷载有重力和吊重荷载、风荷载。重力荷载考虑1.1的调整系数和1.1的动力系数；工作状态下的吊重荷载包括吊钩重量、起调绳重量和起吊物重量，考虑起重物风荷载的作用；风荷载根据风速与风载的关系求得，将铁塔与抱杆分别划分为13个区段，由离地十米高标准风速求得每区段的风载，其分段图如图1所示。

3 模型建立

运用有限元分析软件ANSYS建立铁塔与抱杆耦合结构的三维模型。建模时，铁塔和抱杆均采用空间刚架有限元模型，铁塔全部杆件以及抱杆的主体、双摇臂、桅杆采用梁单元模拟，即利用Beam188单元模拟，杆件之间的连接默认为刚接；调幅绳、内拉线、腰环、锚固绳等只承受拉力的构件采用Link10单元模拟，与抱杆主体、摇臂或塔身主材的连接默认为铰接；摇臂与主体的连接处、桅杆与主体的连接处采用自由度耦合处理，释放转动轴方向转动的约束；铁塔四肢与抱杆底部采用固定约束。校核工况初始状态模型如图2所示。

图2 初始状态模型图

图3 36 m/s风速、45°风向时的整体力学模型

4 有限元计算结果与分析

4.1 有限元计算结果

将铁塔和抱杆耦合系统每段的等效静力风荷载平均分配到铁塔相应高度处主材节点位置，以非工作状态36 m/s风速、45°风向工况为例，如图3所示为此工况下的整体力学模型，图4为此工况下的整体位移图。通过有限元分析得到铁塔和抱杆耦合系统在不同工况下的位移变化和应力分布以及内拉线、腰环、锚固绳的受力情况。

表3 非工作状态铁塔与抱杆最大应力、位移、铁塔最大位移

非工作状态扬起3°，回转0°铁塔与抱杆最大应力/MPa)整体最大位移/mm铁塔最大位移/mm风向0°79．219976．432m/s大风风向45°97．9278108风向90°98．719476．4风向0°79．422586．134m/s大风风向45°103314121．8风向90°10221986．2风向0°80．725396．536m/s大风风向45°109352136．6风向90°10624696．6

由表2、表3可知，非工作状态大风工况下随着风速的增加，最不利工况为36 m/s风速45°风向时；调幅绳、内拉线、腰环、锚固绳最大拉应力出现在内拉线处，其大小为482 MPa；铁塔与抱杆最大应力出现在回转体处，其大小为109 MPa；整体最大位移出现在抱杆桅杆顶部，其大小为352 mm；铁塔最大位移出现在铁塔顶端，其大小为136.6 mm。

表4 平衡吊装工作状态铁塔与抱杆最大应力(MPa)

表5 平衡吊装工作状态铁塔最大位移(mm)

表6 偏载吊装工作状态铁塔与抱杆最大应力(MPa)

表7 偏载吊装工作状态铁塔最大位移(mm)

由表4、表5可知，平衡吊装工作状态下，各风速下最不利工况均在45°风向、回转体回转45°、摇臂仰起45°。13.8 m/s风速时：调幅绳、内拉线、腰环、锚固绳最大拉应力出现在内拉线处，其大小为380 MPa；铁塔与抱杆最大应力出现在回转体处，其大小为169 MPa；整体最大位移出现在抱杆双摇臂端部，其大小为141.7 mm；铁塔最大位移出现在铁塔顶部，其大小23.2 mm。

由表6、表7可知，偏载吊装工作状态下，各风速下最不利工况均在45°风向、回转体回转45°、摇臂仰起3°。13.8 m/s风速时：调幅绳、内拉线、腰环、锚固绳最大拉应力出现在内拉线处，其大小为420 MPa；铁塔与抱杆最大应力出现在回转体处，其大小为318 MPa；整体最大位移出现在抱杆偏载较大侧摇臂端部，其大小为382.3 mm；铁塔最大位移出现在铁塔顶部，其大小为26.2 mm。

4.2 结果分析

通过各种工况下最大应力和最大位移与结构构件容许应力和结构允许最大位移对比判断铁塔组立施工是否安全可靠。

抱杆主材采用Q345，其容许应力值为[σ]=310 MPa，摇臂与抱杆主材连接处出现应力集中现象，如图5所示，13.8 m/s大风偏载工况下甚至出现其应力值大于容许应力值，发生屈服破坏，因此需要采取措施加固摇臂与主材连接处，如施焊加劲肋或者更换大截面钢材。

图5 回转体处应力集中现象图

调幅绳、内拉线、腰环、锚固绳采用φ18钢丝绳，其破断力为162 kN，内拉线处受力最大，绳索最大拉应力为482 MPa，即拉力为122.6 kN，故绳索强度满足使用要求，整个体系中桅杆顶部和摇臂端部位移较大，偏载工况45°风向下偏载较大侧摇臂端部位移可达到382.3 mm，若要保证体系更大的安全系数，可将内拉线和调幅绳更换为直径更大的钢丝绳。

铁塔组立后结构倾斜应小于塔高的1.2‰，即应小于156 mm，而铁塔最大位移出现在36 m/s大风工况45°风向时，为136.6 mm，小于规定的最大位移，满足要求。

通过分析可知，铁塔与抱杆耦合系统在非工作状态下能够抵御风速为36 m/s的大风工况，通过对摇臂第一节管材进行更换，增大杆件截面面积，铁塔与抱杆耦合系统可以在13.8 m/s风速下继续工作。

5 结 论

本文针对淮南-南京-上海工程线路工程(13标)在无法打设外拉线情况下的特高压铁塔组立施工，并运用Ansys有限元分析软件对铁塔组立施工不同工况进行分析。通过分析得到，若采取对摇臂与抱杆杆身连接处的补强处理，该抱杆可在工作状态承受13.8 m/s的风速，非工作状态承受36 m/s的风速，从而满足施工环境要求，按时完成铁塔组立施工作业。

通过有限元分析得到铁塔和抱杆耦合系统在不同工况下的位移变化和应力分布以及调幅绳、内拉线、腰环、锚固绳的受力情况等结果可得出以下结论，对铁塔组立施工方案的编制提供了依据，同时也为对临近带电体组塔施工、山区组塔施工等无法架设外拉线的塔位组塔施工有一定的借鉴意义。

(1)摇臂与回转体连接处的管材以及抱杆杆身、桅杆与回转体的连接处出现应力集中现象，这些部位设计时应考虑局部补强措施；

(2)腰环以上抱杆位移明显增大，绳索拉力中内拉线拉应力最大，设计时应选取合适的钢丝绳直径；

(3)铁塔组立过程中抱杆附着在铁塔上对铁塔的影响很小，因此抱杆设计及使用时可将抱杆附着在铁塔上；

(4)偏载工况对抱杆受力不利，铁塔组立施工时应尽量避免偏载吊装，条件不允许平衡吊装时应根据抱杆设计要求控制偏载重量；

(5)铁塔与抱杆均属于高耸结构，风荷载作用对其稳定有较大影响，抱杆设计时应考虑风荷载作用，增强抱杆抗风能力，施工时也要加强对当地风速的监测，以保证铁塔组立安全施工。

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Wind Resistant Performance of the Coupling System Between the Tower and the Pole

XIAO Qi1，SONG Yu1，SUN Hai-jun2，YAN Bin3

(1.Architecture Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012；2.The sixth engineering LTD of China railway twenty-three bureau，Chongqing，401122；3.Technology Center State Grid XINYUAN Company LED.，Beijing，100000)

Pole and tower belonging to the same high-rise structures，which led to its characteristic soft high load levels are very sensitive.For Huainan-Shanghai UHV transmission line project 1000KV tower erecting construction，the choice of the seat to the double pole rocker Assembling tower，and to study the coupling system tower and pole wind resistance.Using the ANSYS software to the tower and derrick coupling system for static analysis，determine the Tower and derrick coupling system maximum safe wind speed，determine the scope of the system used，for the tower construction plan formulation provides the basis.This method of construction have a certain significance for the Assembling Tower Construction in the mountains and near the charged body where can not be set the wire rope in the outside of the tower.

Assembling tower；Derrick；Wind resistance；Static analysis

2016-04-12

肖 琦(1962-)，女，吉林省吉林市人，东北电力大学建筑工程学院教授，硕士，主要研究方向：输电线路防灾减灾、输电线路及杆塔结构设计理论及设计方法.

1005-2992(2016)06-0091-06

TH21

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