拾峰，史方亮，梅遷

(江蘇省宏源電力建設(shè)監(jiān)理有限公司，南京 210036)

0 引言

為滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，人們不斷地開發(fā)和利用地下煤炭資源，不可避免地破壞了地下巖體、土體的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起巖土體內(nèi)的應(yīng)力重新分布，巖層產(chǎn)生移動(dòng)、變形和破壞[1]。當(dāng)?shù)叵麻_采面積達(dá)到一定的范圍后，起始于采動(dòng)場(chǎng)附近的移動(dòng)和變形將擴(kuò)展到地表，形成地表變形區(qū)。這種變形直接波及地面建筑物、構(gòu)筑物的基礎(chǔ)，使其產(chǎn)生附加應(yīng)力和位移，嚴(yán)重影響構(gòu)筑物的正常使用和結(jié)構(gòu)的安全。我國(guó)乃至世界各國(guó)都存在著大量這種地表變形區(qū)或者潛在的地表區(qū)[2]。架空輸電線路是電網(wǎng)中重要的生命線工程[3]，伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，輸電線路的數(shù)量也迅速增長(zhǎng)，這就使得線路不可避免地途經(jīng)那些存在不穩(wěn)定地級(jí)的采空區(qū)，因此，研究采空區(qū)地表變形對(duì)輸電塔附加內(nèi)力的影響規(guī)律具有重要意義[4-6]。

1 理論模型

在采空區(qū)上方地表平坦，達(dá)到超充分采動(dòng)、采動(dòng)影響范圍內(nèi)沒有大的地質(zhì)構(gòu)造的條件下，最終形成的靜態(tài)地表移動(dòng)盆地可劃分為如下3個(gè)區(qū)域：(1)移動(dòng)盆地中間區(qū)域，如圖1中A，B，C，D所示區(qū)域，地表下沉均勻，其他移動(dòng)變形值近似為0；(2)移動(dòng)盆地內(nèi)邊緣區(qū)域，又稱壓縮區(qū)域，如圖1中A1，B1，C1，D1所示，在此區(qū)域內(nèi)地表產(chǎn)生壓縮變形；(3)移動(dòng)盆地外邊緣區(qū)域，又稱拉伸區(qū)域，如A2，B2，C2，D2所示，在此區(qū)域內(nèi)地表產(chǎn)生拉伸變形。

圖1 地表移動(dòng)盆地區(qū)域示意

根據(jù)礦山開采沉陷學(xué)有關(guān)理論，采用前蘇聯(lián)的三角函數(shù)預(yù)計(jì)方法[6]描述地表變形曲線，地表下沉曲線可表示為

(1)

式中：w(x)為距原點(diǎn)距離為x位置的地表下沉值；w0為最大下沉值；x為計(jì)算點(diǎn)坐標(biāo)；l為半盆地長(zhǎng)，m。

地表沿走向主剖面的傾斜值為

(2)

走向主剖面上的水平移動(dòng)值為

(3)

式中：b為水平移動(dòng)系數(shù)。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型的建立

本文選取2C-ZB22酒杯型輸電鐵塔為研究對(duì)象，呼稱高36 m，根開6 m，主材為Q345型鋼，輔助桿材為Q235型鋼，采用LGJ-300/40型導(dǎo)線，JLB40-150型地線，檔距為500 m輸電線路體系模型，如圖2所示。采用ANSYS建立有限元模型，輸電線體系中主材和主斜材采用BEAM188梁?jiǎn)卧M，輔助桿材采用LINK180桿單元模擬，絕緣子采用BEAM188梁?jiǎn)卧?，?dǎo)/地線采用LINK10桿(索)單元來模擬。塔腳固結(jié)，導(dǎo)/地線兩端鉸接。

圖2 塔線體系有限元模型

本文分別模擬了輸電塔單向拉伸、單向壓縮、雙向拉伸及雙向壓縮50，100，150，200和250 mm作用下體系附加內(nèi)力的變化，如圖3所示。

圖3 地表變形作用下附加內(nèi)力和變形變化規(guī)律模擬

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

由于輸電塔空間結(jié)構(gòu)對(duì)稱，外力荷載也對(duì)稱，4個(gè)塔腳上部主材附加應(yīng)力一致，本文取塔腳A側(cè)的主材來研究地表變形作用下輸電塔主材附加應(yīng)力變化規(guī)律，其具體位置如圖4所示。25 mm位移工況下主材應(yīng)力統(tǒng)計(jì)見表1，地表變形作用下主材應(yīng)力變化如圖5所示。

表1 25 mm位移工況下主材應(yīng)力統(tǒng)計(jì) MPa

圖4 輸電塔主材編號(hào)

圖5 地表變形作用下主材應(yīng)力變化

2.2.1 基礎(chǔ)單向拉伸主材應(yīng)力分析

分析圖5a，圖5b可知，在單向地表拉伸作用下，輸電塔底部主材(主材A和主材B)應(yīng)力明顯大于中部和上部主材，支架處主材G應(yīng)力最小，曲臂處主材D和主材E隨著拉伸位移量的增加而減小，支架處主材G應(yīng)力在拉伸位移量小于20 cm時(shí)隨著拉伸位移量的增加而減小，大于20 cm后隨著拉伸位移量的增加而增大，其余處主材應(yīng)力隨著拉伸位移量的增加而增大。當(dāng)?shù)乇砝?5 cm時(shí)，底部主材A應(yīng)力達(dá)到345 MPa，超越屈服極限。當(dāng)?shù)乇懋a(chǎn)生單向拉伸作用時(shí)，底部主材受力最為不利，此處構(gòu)件要注意加強(qiáng)。

由表1可知，當(dāng)?shù)乇韱蜗蚶?5 cm時(shí)，底部主材A應(yīng)力最大，為345 MPa，是輸電塔地基未產(chǎn)生地表變形工況的13.07倍；中部主材C次之，為193.07 MPa，是輸電塔地基未產(chǎn)生地表變形工況的7.41倍；支架主材C應(yīng)力最小，為2.97 MPa，是輸電塔地基未產(chǎn)生地表變形工況的53.4%。

2.2.2 基礎(chǔ)單向壓縮主材應(yīng)力分析

分析圖5c，圖5d可知，在單向地表壓縮作用下，輸電塔底部主材(主材A，B)應(yīng)力明顯大于中部和上部主材，支架處主材G應(yīng)力最小，橫擔(dān)處主材F應(yīng)力隨著壓縮位移量的增加而減小，其余處主材應(yīng)力隨著拉伸位移量的增加而增大。當(dāng)?shù)乇韷嚎s15 cm時(shí)，底部主材A應(yīng)力達(dá)到345 MPa，超越屈服極限。當(dāng)?shù)乇懋a(chǎn)生單向壓縮作用時(shí)，底部主材受力最為不利，此處構(gòu)件要注意加強(qiáng)。

由表1可知，當(dāng)單向壓縮位移量為25 cm時(shí)，底部主材A應(yīng)力最大，為345 MPa，是輸電塔地基未產(chǎn)生地表變形工況的13.07倍；中部主材C次之，為183.73 MPa,是輸電塔地基未產(chǎn)生地表變形工況的7.05倍；支架處主材G應(yīng)力最小，為14.07MPa，是輸電塔地基未產(chǎn)生地表變形工況的2.53倍。同基礎(chǔ)單向拉伸相比，主材D，E，F(xiàn)，G的隨位移量的變化規(guī)律明顯不同。同基礎(chǔ)單向拉伸位移量為25 mm的工況相比，下部主材B、中部主材C、橫擔(dān)主材F應(yīng)力減小；下曲臂主材D、上曲臂主材E、支架主材G應(yīng)力增大，底部主材A應(yīng)力未變。

2.2.3 基礎(chǔ)雙向拉伸主材應(yīng)力分析

分析圖5e，圖5f可知，在雙向地表拉伸作用下，輸電塔底部主材(主材A，B)應(yīng)力明顯大于中部和上部主材，支架處主材G應(yīng)力最小，底部主材A，B隨拉伸位移量的增加而增大，上部主材應(yīng)力變化不大，主材C應(yīng)力在拉伸位移量小于20 cm時(shí)隨拉伸位移量的增加而增大，在拉伸位移量大于20 cm時(shí)隨拉伸位移量的增加而減小。當(dāng)?shù)乇砝?5 cm時(shí)，底部主材A應(yīng)力達(dá)到345 MPa，超越屈服極限。當(dāng)?shù)乇懋a(chǎn)生雙向拉伸作用時(shí)，底部主材受力最為不利，此處構(gòu)件要注意加強(qiáng)。同基礎(chǔ)單向拉伸相比，主材E，F(xiàn)，G的隨位移量的變化規(guī)律明顯不同。

由表1可知，當(dāng)雙向拉伸位移量為25 mm時(shí)，底部主材A應(yīng)力最大，為345 MPa，是輸電塔地基未產(chǎn)生地表變形工況的13.07倍；中部主材C次之，為170.80 MPa，是輸電塔地基未產(chǎn)生地表變形工況的6.55倍；支架處主材G應(yīng)力最小，為5.60 MPa，是輸電塔地基未產(chǎn)生地表變形工況的1.01倍。同基礎(chǔ)單向拉伸位移量為25 cm的工況相比，中部主材C、橫擔(dān)主材F應(yīng)力減小，下部主材B、下曲臂主材D、上曲臂主材E、支架主材G應(yīng)力增大，底部主材A應(yīng)力未變。

2.2.4 基礎(chǔ)雙向壓縮主材應(yīng)力分析

分析圖5g，圖5h可知，在雙向地表壓縮作用下，輸電塔底部主材(主材A，B)應(yīng)力明顯大于中部和上部主材，支架處主材G應(yīng)力最小，底部主材A、主材B和中部主材C隨著拉伸位移量的增加而增大，上部主材應(yīng)力變化不大，當(dāng)?shù)乇砝?5 cm時(shí)，底部主材A應(yīng)力達(dá)到345 MPa，超越屈服極限。當(dāng)?shù)乇懋a(chǎn)生雙向拉伸作用時(shí)，底部主材受力最為不利，此處構(gòu)件要注意加強(qiáng)。同基礎(chǔ)單向壓縮相比，主材D，E，F(xiàn)，G的隨位移量的變化規(guī)律明顯不同。

由表1可知，當(dāng)雙向壓縮位移量為25 mm時(shí)，底部主材A應(yīng)力最大，為345 MPa，是輸電塔地基未產(chǎn)生地表變形工況的13.07倍；中部主材C次之，為232.83 MPa，是輸電塔地基未產(chǎn)生地表變形工況的8.93倍，同基礎(chǔ)單向壓縮位移量為25 mm的工況相比，橫擔(dān)主材F應(yīng)力減小，下部主材B、中部主材C、下曲臂主材D、上曲臂主材E、支架主材G應(yīng)力增大。底部主材A應(yīng)力未變。同基礎(chǔ)雙向拉伸位移量為25 mm的工況相比，下部主材B減小，中部主材C、下曲臂主材D、上曲臂主材E，橫擔(dān)主材F應(yīng)力、支架主材G應(yīng)力增大，底部主材A應(yīng)力未變。

3 結(jié)論

本文通過某礦區(qū)輸電塔有限元模擬計(jì)算，對(duì)比分析了輸電塔在受到地表單向拉伸、單向壓縮、雙向拉伸以及雙向壓縮的作用下附加內(nèi)力的變化規(guī)律，得到如下結(jié)論。

(1)在地表單向拉伸作用下，輸電塔底部主材受力最為不利，下部主材次之。底部主材應(yīng)力隨著拉伸位移的增大而增大，拉伸位移達(dá)到15 cm時(shí)，底部主材屈服。

(2)在地表單向壓縮作用下，輸電塔底部主材受力最為不利，下部主材次之。底部和下部主材應(yīng)力隨著拉伸位移的增大而增大，壓縮位移達(dá)到15 cm時(shí)，底部主材屈服。主材D，E，F(xiàn)，G隨位移量的變化規(guī)律與基礎(chǔ)單向拉伸相比明顯不同。

(3)在地表雙向拉伸作用下，輸電塔底部主材受力最為不利，下部主材次之。拉伸位移達(dá)到15 cm時(shí)，底部主材屈服，下部主材和曲臂處主材受力較單向拉伸作用時(shí)更為不利。

(4)在地表雙向壓縮作用下，輸電塔底部主材受力最為不利，下部主材次之。底部、下部和中部主材應(yīng)力隨著拉伸位移的增大而增大，壓縮位移達(dá)到15 cm時(shí)，底部主材屈服。下部主材、中部主材和橫擔(dān)處主材較單向壓縮作用時(shí)更為不利。

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