自升式可旋转跨越架设计与性能分析

李 燕， 柳兆涛

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

输电线路跨越施工装备形式主要有脚手架式(毛竹、木杆和钢管)跨越架、金属格构式跨越架、索桥跨越等方式。虽然以上装备形式和施工方式不同，但都普遍存在着施工工作量大，周期长，费用高和安全隐患大等问题，并且传统毛竹、木质或钢管跨越架很难使用ANSYS、Midas等有限元分析软件对架体模型进行结构分析。因此提出自我式或旋转跨越架。

1 新型跨越架的研究

1.1 跨越架模型基本结构及参数

跨越架结构由4部分组成，即基础塔架、顶升套架、横担、臂架，基础为钢筋混凝土独立基础，如图1所示。基础塔架由18节1.8m×1.8m×3.0m的标准节组成，标准节的主弦杆采用规格为L160×12，斜腹杆为L100×10，直腹杆为L160×12。顶升套架由2节2.4m×2.4m×3.2m的标准节组成，该跨越架臂架采用的箱型截面，臂架上层宽4m，臂架下层宽2m，臂架上层由2根受拉主弦杆，下层由2根受压主弦杆组成的结构形式，根据计算要求合理布置斜腹杆。

图1 新型跨越架示意图

1.2 计算原则

根据跨越架模型的设计背景，提取出相应计算原则如下：

(1) 跨越架施工组装的荷载工况(基本风速为10m/s)。包括①荷载工况组合1：1.2×自重+1.4×结构风荷载(+X向)；②荷载工况组合2：1.2×自重+1.4×结构风荷载(+Y向)；③荷载工况组合3：1.2×自重+1.4×结构风荷载(45°偏角)

(2) 跨越架正常工作的荷载工况。包括①荷载工况组合4：1.2×自重+1.3×导线荷载+1.4×结构风荷载(+X向)；②荷载工况组合5：1.2×自重+1.3×导线荷载+1.4×结构风荷载(+Y向)；③荷载工况组合6：1.2×自重+1.3×导线荷载+1.4×结构风荷载(45°偏角)。

1.3 跨越架结构模型

对于新型跨越架，使用MIDAS/gen软件建立模型，采用梁单元模拟结构主弦杆，桁架单元模拟结构的直腹杆和斜腹杆, 采用板单元(板厚100mm)模拟顶升套架与架体连接处的回转支承，并施加对应的荷载，进行架体结构的性能分析。模型如图2所示。

图2 新型跨越有限元模型

1.4 跨越架计算分析结果

(1) 各工况下的应力比验算。使用MIDAS/gen进行钢构件验算分析，得出跨越架各个杆件在工作工况下的最大应力比，计算结果如表1所列。由表1可知，在各工况下结构各杆件的应力比均满足文[12]的要求。

表1 跨越架各构件最大应力比值

(2) 各工况下的最大位移。在各工况设计荷载作用下，得到六种工况作用下的结构应力云图如图3所示。经求解分别得到跨越架有限元模型在6种工况载荷作用下的结构响应数据，在各工况设计荷载作用下，结构整体应力变化均匀，各杆件都处于线弹性阶段。

图3 各工况下的应力云图

同时，提取出结构在6种工况作用下的最大应力值，如表2、表3所列。由表可知，臂架上弦杆应力值为正值，即上弦杆承受拉应力；下弦杆应力值为负，说明下弦杆承受压应力。施工组装时臂架最大Misess等效应力出现在臂架与标准节连接处上弦杆(工况3)，大小为141.2MPa，标准节最大Mises等效应力出现在标准节的底部(工况3)，大小为-67.6Mpa，。正常工作时臂架最大Misess等效应力出现在臂架与标准节连接处上弦杆(工况6)，大小为167.3MPa，标准节最大Mises等效应力出现在标准节的底部(工况6)，大小为-82.1Mpa，跨越架整体的最大应力值均小于规范中Q345钢的应力值，满足新型跨越架的强度要求。

表2 跨越架各构件最大应力值

(3) 各工况下的最大位移。在各工况设计荷载作用下，得到6种工况作用下的结构应力云图如图4所示。并提取出新型跨越架长悬臂臂端、短悬臂臂端、标准节顶部等关键节点处的位移，如表3、表4所列。

图4 各工况下的位移云图

表3 施工工况下跨越架最大位移

由表3可知，在施工工况作用下，跨越架的最大位移发生在长悬臂臂尖处，最大位移量达到402mm，短悬臂臂架和标准节的最大位移量分别为132mm和82mm，可得在施工工况下，跨越架的位移改变量相对较小。由表4可知，在工作工况下，当风荷载的方向与跨越架成45°方向时(即工况6)，长悬臂臂尖的位移比较大，其位移最大值为630mm，当风荷载的方向顺着跨越架的方向时(即工况3)，其位移最大值为437mm，各节点处的位移相对于工况6下的位移大大减小。与施工工况相比，跨越架的位移改变量都有相应的增加，并且工作工况下风荷载的施加方向对跨越架位移的改变量影响很小。在实际施工中，如果遇到大风天气，应把跨越架旋转至顺风向，停止施工；若风级过大，应及时降下跨越架，保证施工阶段的安全。

表4 正常工况下跨越架最大位移

(4) 跨越架屈曲分析结果。将自重荷载、导线荷载、风荷载作为变量，对各工况分别进行屈曲失稳分析，并取前4阶屈曲模态系数，分析结果如表5所列。

表5 屈曲分析结果

由表5可知，各工况下屈曲失稳系数均大于2.5，不会出现整体失稳和局部失稳。

4 结 论

本文在目前常见的跨越架结构形式及研究方法进行总结的基础上，提出新型自升式跨越架，并采用MIDAS/gen软件对新型跨越架的力学性能进行分析，得出以下结论：①根据跨越架整体结构计算结果可知，自升式跨越架的强度、刚度、稳定性均符合设计要求。②自升式跨越架与传统跨越架相比，跨越架工作高度达到 40 m， 跨越架伸展长度( 单侧) 达到40 m，跨越架及配重臂水平面回转范围在 0°～360°，占地面积小，节约了土地资源。③自升式跨越架对地形条件要求不高，安装和拆除工作简易，不影响被跨越物体正常工作、运行。节约了跨越架线的建设成本，具备良好的经济效益。④从有限元分析结果，跨越架在各工况荷载下上具有足够安全裕度，此新型跨越架尚且具有进一步优化的可行性。在应用于实际工程前，应进行合理可信的试验验证。

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