李 響 童 冠 周幼輝 陳保家 張松華

(1. 三峽大學(xué) 水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計與維護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峽大學(xué) 機(jī)械與動力學(xué)院， 湖北 宜昌 443002；3.湖北省送變電工程公司， 武漢 430000)

受沖擊液壓裝配式跨越架拉線優(yōu)化布置研究

李 響1，2童 冠1周幼輝1陳保家1張松華3

(1. 三峽大學(xué) 水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計與維護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峽大學(xué) 機(jī)械與動力學(xué)院， 湖北 宜昌 443002；3.湖北省送變電工程公司， 武漢 430000)

以一種新型液壓裝配式電網(wǎng)跨越架為研究對象，介紹了其結(jié)構(gòu)和安裝過程．結(jié)合常見的跨越架拉線布置方式，選取跨越架架體的拉線間距和拉線層數(shù)為主要設(shè)計要素．為了提高此類型跨越架架體的抗沖擊能力，本文模擬計算了跨越架在發(fā)生電纜斷裂事故后受的等效沖擊載荷，研究了在等效沖載荷作用下兩個設(shè)計要素改變時跨越架架體承載響應(yīng)變化．針對這種類型跨越架的拉線布置提出優(yōu)化建議，明顯增強(qiáng)了其抗沖擊性能．

跨越架； 拉線間距； 拉線層數(shù)； 抗沖擊性能

輸變電工程施工中，新建輸電線路往往會與已運(yùn)行的高壓輸電線路、鐵路及高速公路等被跨物在地理位置上產(chǎn)生交叉，在架線施工時，為了確保新建線路導(dǎo)地線與被跨物之間的安全距離，在張力展放新建線路導(dǎo)地線及緊掛線時，需要預(yù)先在兩者之間搭設(shè)絕緣安全網(wǎng)[1-2]．安全網(wǎng)及其配套支撐裝置統(tǒng)稱為跨越架．隨著電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，跨越施工量越來越多，跨越難度越來越大，跨越的要求也越來越高．當(dāng)前，跨越施工中所采用的跨越架有多種形式，如毛竹跨越架、腳手架跨越架、索道式跨越架、抱桿自立式跨越架等[3-5]．這些跨越架都存在某些方面的不足，特別是缺乏抗沖擊性能．液壓裝配式拉線電網(wǎng)跨越架是根據(jù)實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)設(shè)計的一種抗沖擊跨越架，為了增強(qiáng)其抗沖擊性能，本文對跨越架在電纜線繩等效鞭擊載荷作用下，跨越架架體的受力進(jìn)行了分析，并提出了和常見的拉線方式不同的一種拉線布置方式．

1 液壓裝配式跨越架

液壓裝配式跨越架由固定部分，架體和安全網(wǎng)3個主要部分組成，如圖1所示．固定部分由底座和架體拉線構(gòu)成．底座為可移動底座，直接放置在平整加固的地面上，底座四周安裝多條鎖腳錨繩．架體高度大于40 m，由多個長度為1.5 m的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)裝配完成．安全網(wǎng)尺寸為64 m×8 m，通過數(shù)量較多的小滑輪和吊帶懸掛在兩根承載繩之下．安全網(wǎng)[6]通過循環(huán)繩牽引，抽動循環(huán)繩可定位并固定安全網(wǎng)位置．

圖1 液壓裝配式跨越架整體結(jié)構(gòu)圖

為了防止安全網(wǎng)發(fā)生枕形收縮，網(wǎng)上排列布置有多根玻璃鋼管支撐桿，并在其中由外向內(nèi)依次內(nèi)置多根φ8 mm、φ16 mm迪尼瑪繩．

液壓裝配式電網(wǎng)跨越架的具體安裝步驟為：1)定位基點(diǎn)，安裝底座及其鎖腳錨繩．2)安裝頂升機(jī)構(gòu)，獨(dú)立泵站，油管及拉線．3)液壓下頂升，引進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，提升架體．4)安裝下層拉線和上層拉線后，拆除頂升機(jī)構(gòu)，上臨時拉線．5)安裝其他3根立柱，在地面組裝好橫梁后，依靠跨越架架體，整體吊裝到頂部．6)展放粗引繩，用粗引繩展放循環(huán)繩，再用循環(huán)繩展放迪尼瑪承載繩．7)將安全網(wǎng)升空并定位．

根據(jù)安裝過程可以看出，該類型跨越架安裝及拆除過程不依靠吊車，易于組裝和拆除，有能夠根據(jù)地形靈活施工的優(yōu)點(diǎn)．同時，根據(jù)跨越架結(jié)構(gòu)可以分析得到：當(dāng)安全網(wǎng)網(wǎng)端受到?jīng)_擊時，這些內(nèi)置的迪尼瑪繩依次破斷，其承載力是逐步加大的，可有效吸收沖擊能量的同時，不發(fā)生完全性破壞，起到最終的保護(hù)作用[7-8]；架體底座通過鎖腳錨繩固定，在受到?jīng)_擊時，能夠通過幅度可控的旋轉(zhuǎn)和偏移，抵消吸收沖擊載荷的作用，已經(jīng)具有良好的抗沖擊性能．

為了進(jìn)一步增強(qiáng)液壓裝配式跨越架的抗沖擊性能，增強(qiáng)架體本身的穩(wěn)定性，需要對跨越架的受斷繩事故沖擊作用的過程進(jìn)行模擬，合理地選擇優(yōu)化跨越架架體的拉線布置方式．

2 架體拉線的常見布置形式

拉線是架體結(jié)構(gòu)的重要組成部分，拉線在幾個不同的方向、不同高度上支持架體桿身以保證架體直立和穩(wěn)定[9-10]．架體拉線布置時，需要合理選擇考慮的因素有：拉線層次、拉線層間距、拉線傾角、拉線平面布置、拉線初應(yīng)力等[11-12]．液壓裝配式跨越架架體高度約為40 m，屬于高度較低的架體，因此選擇拉線的布置層次為2～3層．由于跨越架由4根立柱并列在兩旁，多個拉線交錯共錨腳更便于施工，所以拉線的平面布置形式已經(jīng)相對固定．因此，針對液壓裝配式跨越角的拉線優(yōu)化布置的主要變量為：拉線層間距和拉線傾角．

拉線的層次布置決定了拉線層間距，根據(jù)工程實(shí)踐表明拉線層間長細(xì)比通常為60～100，一般在80左右為最好，此時的立柱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)值較高．根據(jù)立柱高度、拉線層間長細(xì)比要求和桿身寬度的選擇，可以合理確定拉線層數(shù)和拉線層間距．

而拉線布置的傾角一般在30～60°范圍內(nèi)．若傾角過大，拉線內(nèi)力、桿身軸力、纖繩節(jié)點(diǎn)水平位移均顯著增加，但纖繩長度及占地面積減?。蝗魞A角太小，則利弊相反．所以纖繩傾角過大過小，均不利，最好45°左右．拉線的布置可以相互平行(如圖2a所示)，或數(shù)層拉線共一地錨(如圖2b所示)．

圖2 幾種不同的拉線布置方式

當(dāng)立柱高度較大時，多采用相互平行布置或2～3層拉線共一地錨．當(dāng)立柱高度較低，或拉線內(nèi)力不大時，可將同一側(cè)拉線固定在一個地錨(如圖2c所示)．

3 跨越架架體及拉線有限元模型

由于跨越架的立柱底座由鎖腳錨繩固定，拉線自身的內(nèi)力不大，故選擇將單根立柱同一側(cè)拉線固定在一個地錨上．跨越架高度約為40 m，屬于常見立柱中較矮的類別，所以選擇拉線層數(shù)為2～3層．由于跨越架內(nèi)層，為需要保護(hù)的被跨物，應(yīng)盡量減小占地面積，所以內(nèi)側(cè)的拉線角度盡量更大，選定跨越架內(nèi)層的拉線對地角度為60°．而跨越架外側(cè)有更多的施工面積，應(yīng)該盡量減小拉線內(nèi)力，所以選定跨越角拉線外層拉線的對地角度為45°．

立柱為27節(jié)長度為1.5 m的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)安裝完成，總高度約為40 m，在頂端標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接處，打兩側(cè)拉線，根據(jù)內(nèi)側(cè)拉線60°，外側(cè)拉線45°的標(biāo)準(zhǔn)，確定地錨位置．立柱截面方形，尺寸為800 mm×800 mm，立柱壁厚25 mm，橫梁尺寸采用圓管結(jié)構(gòu)，橫梁圓管為外徑φ200 mm，壁厚20 mm．有限元建模時，拉線采用link180單元，橫梁及立柱采用beam188單元．設(shè)定材料彈性模量為2.06E5 MPa，泊松比為0.3．根據(jù)不同工況添加載荷和約束進(jìn)行計算[13-15]．

輸電線路張力架線施工中，跨越架的作用是確保該新建導(dǎo)地線與帶高壓電的被跨線路之間的安全距離．當(dāng)所展放的高張力引繩、導(dǎo)地線或走板發(fā)生斷裂時，其斷開部分可能瞬間接觸到跨越架，使跨越架承受到較大沖擊力．?dāng)嗬K工況非常復(fù)雜，本文選取的是常見且具有代表性的兩種情況．

第一種是一牽一展放引繩時斷繩，屬于高概率事件，有較大危害性．這種工況中常見的情形是，絕緣的錦綸引繩牽引φ15 mm鋼絲繩，由于錦綸繩性能存在缺陷或年久退化，該繩容易多發(fā)斷裂事故．此時兩級引繩之間無走板，僅靠旋轉(zhuǎn)連接器連接．

第二種是一牽多展放導(dǎo)線時斷繩，屬于低概率事件，但危害大．這種工況中最常見的情形是使用無扭鋼絲繩一根牽引4根導(dǎo)線，由于鋼絲繩性能存在缺陷，發(fā)生斷裂事故．此時無扭鋼絲繩和導(dǎo)線之間有重約40 kg的走板．

這兩種情況，斷點(diǎn)都在牽引繩上，一般情況下旋轉(zhuǎn)連接器或走板越接近牽引機(jī)，牽引張力越大，牽引繩斷繩概率也越大．?dāng)帱c(diǎn)位置可能在跨越架所在檔，也可能在跨越架鄰檔，甚至在更遠(yuǎn)檔．?dāng)帱c(diǎn)距離跨越架3檔以外時，由于斷繩的能量被提前逐步釋放，或因走板受到放線滑車的攔阻，跨越架受到的沖擊載荷相對大大減少了．

所以主要研究斷點(diǎn)距離跨越架不大于3檔的情況下的斷繩沖擊．根據(jù)初步測算得到不同工況下，跨越架受到的沖擊力值見表1．由于沖擊力作用存在各種不同的方向，在可能出現(xiàn)的方向角度范圍內(nèi)，選取9個不同的方向，施加相同大小的作用力，分析作用力對立柱的作用效果[16-17]，結(jié)果顯示沖擊力從水平方向沖擊橫梁時，立柱的變形最大，作用效果最明顯．所以，選取恒定沖擊力為指向跨越架外側(cè)的水平方向，大小為254 729 N．

表1 不同工況下跨越架所受的沖擊力

4 裝配式跨越架拉線優(yōu)化布置

液壓裝配式跨越架架體由多個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組成，根據(jù)已有施工經(jīng)驗(yàn)，拉線總是布置在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接處．根據(jù)第2、3節(jié)確定的已知條件，頂層拉線位置和角度已經(jīng)相對確定，為了確定在液壓裝配式跨越架柱體中間層拉線的合理布置位置，對布置位置以每一個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的長度采用逐例分析，分別仿真計算中間層拉線在不同位置時，架體和橫梁的變形情況及應(yīng)力分布，最后得到優(yōu)化模型．

設(shè)組成跨越架一側(cè)的兩根立柱分別為立柱1和立柱2，將左側(cè)立柱1的節(jié)點(diǎn)從下往上依次編號為2～26，將右側(cè)立柱2的節(jié)點(diǎn)依次編號為30～54．橫梁附近的節(jié)點(diǎn)為立柱1的27號節(jié)點(diǎn)，立柱2的55號節(jié)點(diǎn)．對拉線布置在不同節(jié)點(diǎn)的情形分別施加沖擊載荷進(jìn)行分析，圖3為分析過程中的兩個不同位置的實(shí)例．

圖3 拉線優(yōu)化布置示例分析模型

當(dāng)中間層拉線處于不同節(jié)點(diǎn)位置時，立柱最大應(yīng)力和變形變化情況分別如圖4～5所示．根據(jù)圖4所示，所增加的第2層拉線的位置越靠近頂端，立柱的變形越小，但是與頂層拉線位置小于1個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)距離時，立柱的變形會發(fā)生突變．突變的原因是此時兩層拉線都固定在同一個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)上，并沒有發(fā)揮增加一層拉線的固定作用．而根據(jù)圖5所示，所增加的第2層拉線位置，在立柱的頂端或底端時，立柱的應(yīng)變越小，越往立柱的中點(diǎn)位置，同樣的沖擊作用下，立柱產(chǎn)生的應(yīng)變響應(yīng)越大．

據(jù)此，給出拉線布置兩點(diǎn)建議：1)增加立柱底部的固定裝置，可以增強(qiáng)立柱抵抗沖擊的能力．這相當(dāng)于在立柱的底部多增加一層拉線的作用．2)第2層拉線可以添加在靠近頂端的位置，但是與頂層拉線的距離，不應(yīng)小于1個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)．

圖4 拉線位置與立柱應(yīng)力的關(guān)系

圖5 拉線位置與立柱變形的關(guān)系

由表2、3結(jié)果可以看出，在同樣的沖擊載荷作用下，僅用在距離頂端1～4個節(jié)點(diǎn)的位置增加一層拉線時，立柱的變形減小了約25%～33%．立柱的應(yīng)力雖然有所增大，但是最大只有60.8 MPa，一般鋼材(Q235等)即可承受，因此在其制造材料的承受范圍內(nèi)．需要說明的是，此處選用的是一牽四工況的沖擊載荷(見表1)，力值高達(dá)254 729 N，此時橫梁已經(jīng)被破壞，只要跨越架立柱沒有傾倒，防護(hù)網(wǎng)仍能起到較好的保護(hù)作用．綜上分析結(jié)果，同時考慮施工實(shí)際，在距離上層拉線位置2～4個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)節(jié)點(diǎn)位置增加一層拉線的抗沖擊的作用效果比較明顯．

表2 拉線位于不同位置時立柱受力變形情況

表3 各不同位置拉線優(yōu)化結(jié)果

5 結(jié) 語

當(dāng)立柱受到均勻載荷作用時，將第2層纖繩拉線布置于立柱結(jié)構(gòu)的中部位置，才滿足架體結(jié)構(gòu)的下層纖繩拉線的長細(xì)比在60～100之間，此時帶拉線立桿的穩(wěn)定性才較好．因此，常見的類似電網(wǎng)施工過程中，在立柱頂部和中部布置兩層拉線．而針對這種受到線纜沖擊載荷工況的跨越架的設(shè)計，立柱結(jié)構(gòu)上端受到集中載荷，應(yīng)該著重針對該工況進(jìn)行具體分析，故不能直接采用上述常見的纖繩拉線布置方式．據(jù)具體的情況重新設(shè)計，對在受等效沖擊荷載作用下的立柱的承載響應(yīng)進(jìn)行分析，從而得出在跨越架立柱頂層集中布置兩層拉線的形式．可知在立柱受不均勻沖擊載荷下的纖繩拉線布置與受均勻載荷下的纖繩拉線布置存在很大差別．因此，出現(xiàn)液壓式裝配跨越架的架體拉線布置與常見的中部布置第2層拉線不一樣的情形．本文的研究結(jié)論對于新型液壓裝配式電網(wǎng)跨越架的研發(fā)和拉線優(yōu)化布置將具有重要的理論指導(dǎo)和工程實(shí)踐意義．

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[責(zé)任編輯 張 莉]

Pulling Layout Optimization of Hydraulic Assembled Crossing Affected by Breaking Cable's Impact

Li Xiang1,2Tong Guan1Zhou Youhui1Chen Baojia1Zhang Songhua3

(1. Hubei Key Laboratory of Hydroelectric Machinery Design & Maintenance, China Three Gorges Univ.， Yichang 443002, China; 2. College of Mechanical & Power Engineering， China Three Gorges Univ.， Yichang 443002, China; 3. Hubei Electric Power Engineering Company, Wuhan 430000, China)

This paper uses a new hydraulic power grid crossing as the research object and introduces its structure and installation process. Referring to widely used crossing's pulling layout, the pulling spacing and pulling layers are selected as the main design elements. In order to improve its impact resistance of the crossing frame, the paper simulates the crossing frame in cable cord equivalent impact in the cable breaking accident and studies crossing frame's bearing responding to the change of two design elements under the action of equivalent impact. The paper suggests the pulling layout optimization of this crossing, so as to enhance the impact resistance of the power grid assembled crossing.

crossing; pulling spacing; pulling layers; impact resistance

2016-08-23

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51305232、51205230)；湖北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015CFB445)

李 響(1979-)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計．E-mail：lixiangcfy@163.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.02.017

TM752+.2

A

1672-948X(2017)02-0079-05