基于SolidWorks 的钢管式跨越架建模方法研究

李志军，刘 敏，甘利红，吴 钢，王志斌

（1.国网湖北省电力有限公司咸宁供电公司，湖北咸宁 437000；2.湖北科技学院工程技术研究院，湖北咸宁 437100）

0 引言

架线是送电线路的重要工序之一，具有技术要求高、施工难度大等特点。在架线施工作业中，跨越是常见的施工工况，从跨越高速公路、电气化铁路以及高压输电线路，到跨越江河、湖泊以及池塘[1]。当架线施工段有障碍物时，针对障碍物的大小、重要性以及其他条件确定是否搭设跨越架以及搭设跨越架的型式[2]。跨越架是线路施工过程中用来支撑导、地线，临时通过公路、铁路、电力线以及弱电线路的架子。按跨越架的材料分为竹竿跨越架、建筑用钢管搭设的跨越架以及金属格构式跨越架。钢管跨式越架由钢管架、拉线及封网组成。由于钢管式跨越架使用成本较高，主要应用于高速公路或一、二级公路跨越时使用。文献［3］研究了钢管式跨越架的搭设形式、适用范围以及设计方法。

脚手架是施工现场为方便工人操作，解决垂直和水平运输而搭设的一种临时性的建筑工具。其结构种类繁多，包括扣件式、门式钢管、碗扣式、扣盘式及铝合金，其中扣件式具有承载力较大、装拆方便和比较经济的优点，在钢管跨越架中应用比较广泛。文献［4］简述了BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）的应用背景，并基于BIM 实现安全脚手架的快速建模。文献［5］基于Revit 软件进行了二次开发，实现了脚手架的三维快速建模。文献［6］介绍了常用连墙件的优缺点，并且基于有限元分析软件ABAQUS 进行分析。

钢管式跨越架的有限元分析对于其结构研究非常重要，而模型处理是进行有限元分析的前提。BIM 的主流平台的提供商包括Autodesk、Bently 以及达索公司。Revit 是Autodesk 公司的建模平台，作为从设计到建造的全生命周期BIM 平台[7]。BIM 的专业性强，而SolidWorks 软件应用范围广、建模通用性强以及模型处理等方面具有优势。因此，本文基于SolidWorks 软件，结合有限元分析软件进行钢管式跨越架的建模方法研究。

1 钢管式跨越架

常规跨越架采用架体和封顶绝缘网的结合模式，架体的作用是承担导、地线的放线冲击，封顶绝缘网的作用是保护落线（图1）[1]。

图1 常规跨越架结构

跨越架型式多种多样，包括单侧单排、双侧单排、单侧双排、双侧双排以及双侧多排。单侧单排和双侧单排适用于弱电线、380 V 电力线及乡间公路；单侧双排适用于35 kV 及以下电力线、重要一级弱电线、公路及铁路，其高度限制在10 m以下；双侧双排适用于各种被跨越物，其高度限制在15 m以下；双侧多排根据实际需求进行设计（图2）[2]。

图2 跨越架的型式

JGJ 130—2011《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》中规定了钢管式脚手架搭设方法、规范要求及注意事项，主要包括立杆、纵横向水平杆、纵横向扫地杆及剪刀杆[8]。GB 15831—2006《钢管脚手架扣件》中扣件按照结构形式分为直角扣件、旋转扣件和对接扣件[9]。立杆之间采用对接扣件连接；立杆和纵横向水平杆、纵横向扫地杆之间采用直角扣件连接；剪刀杆和立杆、纵横向水平杆、纵横向扫地杆之间采用旋转扣件连接。钢管式跨越架主要由立杆、纵横向水平杆、纵横向扫地杆、剪刀杆及羊角撑组成，由钢管杆件用扣件连接而成的临时结构架，具有工作可靠、装拆方便和适应强等优点（图3）。

图3 钢管式跨越架的架体立面结构

2 钢管式跨越架的三维建模

单侧单排、单侧双排型式跨越架结构比较简单，可以作为其他相对复杂型式跨越架的研究基础。因此，本文选择单侧单排、单侧双排型式跨越架作为建模分析研究对象。

2.1 建模软件介绍

常见的三维建模软件包括SolidWorks、ProE、UG 及CATIA等。根据实践经验，SolidWorks 软件操作简单，模型处理便捷，处理后的模型导入有限元分析软件不会出现问题，不需要进一步的对模型进行处理。因此，本文基于SolidWorks 软件进行钢管式跨越架的建模方法研究。

SolidWorks 软件是世界上第一个基于Windows 平台开发的三维CAD 系统，具有功能强大、易学易用、技术创新三大特点，是主流的、领先的三维CAD 软件，广泛应用于航空航天、机械、国防、交通、模具、电子通信、医疗器械、娱乐工业等各个领域。零件、装配体及工程图是SolidWorks 软件系统中的对象。装配体由若干零件组成，通过配合关系、约束条件组合。工程图是用来记录和描述设计结果，是工程设计中的主要档案文件。

2.2 钢管式跨越架分析

钢管式跨越架主要包含两类零件，一类是钢管；另一类是扣件，包括直角扣件、旋转扣件及对接扣件，二者均为标准件。因此，建模重点内容是确定跨越架钢管的空间相对位置及长度设定。

钢管规格宜采用外径48.3 mm，壁厚3.6 mm，材料宜采用GB/T 13793—2016《直缝电焊钢管》或GB/T 3091—2015《低压流体输送用焊接钢管》中规定的Q235 普通钢管，质量应符合GB/T 700—2006《碳素结构钢》的规定[10]。

由扣件的结构特点可知，对接扣件不影响钢管的空间相对位置，而直角扣件、旋转扣件影响钢管的空间相对位置。直角扣件（十字扣），用于两根呈垂直交叉钢管的连接，钢管中心之间的中心距为53 mm（图4）；旋转扣件（回转扣），用于两根呈任意角度交叉钢管的连接，钢管中心之间的中心距为69 mm（图5）[11]。

图4 直角扣件

图5 旋转扣件

2.3 钢管式跨越架建模

建立钢管式跨越架的三维模型并进行简化处理是进行有限元分析仿真的基础工作。简化模型在特定的边界约束条件和载荷条件下进行求解，可以获得变形、应变及应力分布云图等仿真分析结果，作为判定钢管式跨越架结构是否可以满足实际应用要求的依据，规避结构设计中的潜在风险。

根据钢管的结构特点，进行有限元分析时通常钢管有两种处理方式：一是按照实体单元（Solid Element）考虑；二是按照梁单元（Beam Element）考虑。因此，钢管式跨越架在建模方法上形成两种思路：一种是实体模型；另一种是线体模型。

2.3.1 钢管式跨越架的实体模型

钢管式跨越架的实体模型利用SolidWorks 中焊件模块，采用结构件功能生成，具体软件操作方法步骤如下：定义钢管结构件的截面（外径×壁厚为48.3 mm×3.6 mm），并在SolidWorks 软件安装路径中建立模板，其扩展名为.sldlfp[11-12]。

基于上述影响因素进行综合设计，排布立杆、水平杆、扫地杆、剪刀杆及羊角撑。首先在零件中建立基准面，然后在基准面内应用2D 草图和3D 草图功能绘制钢管轴线，最后利用焊件模块中的结构件功能生成钢管的实体模型。

钢管式跨越架的实体模型（不包含扣件）如图6 所示。

图6 钢管式跨越架实体模型

2.3.2 钢管式跨越架的线体模型

利用SolidWorks 中2D 草图和3D 草图功能绘制钢管轴线的草图，然后基于草图利用SolidWork 中菜单栏的插入下的曲线功能形成钢管轴线的线体模型。钢管式跨越架线体模型导入ANSYS Workbench 软件后，通过模块DM（Design Modeler）赋予线体模型截面（Cross Section）。钢管式跨越架线体模型具体软件操作方法步骤如下，基于上述影响因素综合考虑进行设计，排布立杆、水平杆、扫地杆、剪刀杆及羊角撑。首先在零件中建立基准面，然后在基准面内应用2D 草图和3D 草图功能绘制钢管轴线，最后利用插入中的曲线功能生成钢管的线体模型[11-12]。钢管式跨越架线体模型（不包含扣件）如图7 所示。

图7 钢管式跨越架线体模型

3 结论

基于SolidWorks 软件，结合有限元分析软件ANSYS Workbench，提出了钢管式跨越架建模的两种方法，一种是实体模型，另一种是线体模型。通过对比，两种建模方式的繁简程度相当，均可高效、高质量地完成钢管式跨越架的建模工作，为建模工作提供新的思路，为后续钢管式跨越架的有限元分析研究奠定了坚实基础，有利于有限元分析方法在电力架线领域中推广应用。

目前，对于两种不同的建模方法对钢管式跨越架的有限元分析结果的是否存在影响，本研究尚未进行验证，将在后续的研究工作中通过实验和两种不同建模方法的仿真结果进行对比分析，进一步验证不同建模方法的适用性。