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      兩種材質(zhì)輸電線路施工跨越架的力學(xué)對比分析

      2018-10-08 08:35:34劉鐵趙東孫田鴿涂雪松王舒琴
      關(guān)鍵詞:架結(jié)構(gòu)桿件橫梁

      劉鐵,趙東,孫田鴿,涂雪松,王舒琴

      (1.國網(wǎng)馬鞍山供電公司,安徽 合肥 243000;2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

      0 引言

      架空輸電線路是電力系統(tǒng)的重要組成部分,隨電力系統(tǒng)規(guī)模的日益擴(kuò)大,高電壓遠(yuǎn)距離輸電線路日益增多,加快輸電線路建設(shè)以及新技術(shù)的發(fā)展對經(jīng)濟(jì)和社會的影響面也更廣??缭郊苁且环N能迅速搭建的跨越一定范圍的金屬支架體,其作用是保證送電線路架設(shè)施工中跨越區(qū)域的安全[1]。目前,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,傳統(tǒng)的跨越架已經(jīng)越來越無法滿足安全、可靠、高效的施工需求[2-4]。在電壓等級越來越高,和新建超高壓輸電線路需跨越的已運(yùn)行電力線路、鐵路、高速公路、湖泊、經(jīng)濟(jì)作物區(qū)及其他障礙物越來越多的背景下,自升降式跨越架與傳統(tǒng)跨越架相比,占地面積小,對地形條件要求不高,安裝和拆除工作簡易,不影響被跨越物體正常工作、運(yùn)行,節(jié)約了跨越架線的建設(shè)成本,具備良好的經(jīng)濟(jì)效益。

      本文提出一種新型的組合式跨越架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),通過對鋼材和鋁合金兩種材質(zhì)的跨越架進(jìn)行有限元計(jì)算,著重對比分析了兩種材質(zhì)的跨越架結(jié)構(gòu)在施工組裝工況、大風(fēng)工況和斷線工況下的力學(xué)性能和適用性。

      1 項(xiàng)目概況

      本組合式跨越架主要由立柱、橫梁和拉線三部分組成,立柱與橫梁材質(zhì)分別采用鋼材和鋁合金[5-6],拉線采用單根JL/G1A-300/25鋼芯鋁絞線,通過力學(xué)計(jì)算結(jié)果確定材質(zhì)選擇??缭郊艿鬃鶠殇摻罨炷联?dú)立基礎(chǔ),跨越架設(shè)計(jì)最大寬度為10.5 m,最大跨越高度18.9 m,最大跨越檔距50 m。組合式跨越架按標(biāo)準(zhǔn)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工,標(biāo)準(zhǔn)節(jié)長度為2~2.55 m,截面尺寸為0.7 m×0.7 m,便于構(gòu)件運(yùn)輸、組裝、升降。

      根據(jù)《跨越電力線路架線施工規(guī)程》DL/T 5106-1999[7]中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行跨越架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)??缭郊芗茼攲挾冗x取按式(1)

      式中:B-跨越架架頂寬度,單位m;Zx-施工線路導(dǎo)線或地線在安裝氣象條件下在跨越點(diǎn)處的風(fēng)偏距離,單位m;b-跨越架所遮護(hù)的最外側(cè)導(dǎo)、地線間在橫線路方向的水平距離,單位m;?-跨越交叉角,單位°。

      分析國內(nèi)110 kV線路建設(shè)情況,最外側(cè)導(dǎo)、地線間在橫線路方向的水平距離最大為11.3 m,按上式計(jì)算,跨越架架頂寬度B需要設(shè)置在20 m以上才能滿足需求,造成跨越架整體尺寸較大。因本跨越架采用單排桁架結(jié)構(gòu),為便于進(jìn)行組裝、運(yùn)輸,截面尺寸較小,故將跨越架寬度設(shè)計(jì)為10.5 m,若經(jīng)過計(jì)算跨越寬度需大于10 m,則按兩側(cè)橫擔(dān)分別設(shè)置跨越架考慮[8]。

      綜上,跨越架結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

      2 跨越架結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析

      2.1 鋼材跨越架結(jié)構(gòu)分析

      2.1.1 整體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

      鋼管跨越架結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析模型如圖2所示。在其結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算模型中,拉線采用桁架單元模擬,立柱與橫梁全部采用梁單元模擬,立柱的底部節(jié)點(diǎn)以及拉線底端采用固定支座,約束三個(gè)方向的平動和轉(zhuǎn)動位移,構(gòu)件截面為700 mm×700 mm的鋼管跨越架。

      圖2 鋼管跨越架有限元計(jì)算模型

      2.1.2 跨越架工作荷載

      根據(jù)跨越架的實(shí)際工作情況,跨越架結(jié)構(gòu)主要承受結(jié)構(gòu)自重、配重、風(fēng)荷載和斷線沖擊荷載[9]的作用。其中風(fēng)荷載分為正常工作風(fēng)荷載(風(fēng)速為10 m/s)和極限大風(fēng)荷載(風(fēng)速為27 m/s),荷載工況布置如表1所示。其中,荷載組合1、2為施工狀態(tài)下荷載組合,荷載組合3、4為大風(fēng)狀態(tài)下荷載組合,荷載組合5、6為斷線狀態(tài)下荷載組合。

      表1 荷載工況組合

      2.1.3 型鋼跨越架結(jié)構(gòu)分析

      1)型鋼跨越架結(jié)構(gòu)應(yīng)力

      采用有限元法對鋼管跨越架進(jìn)行力學(xué)分析,整理跨越架結(jié)構(gòu)在各工況下的有限元計(jì)算結(jié)果,提取出各節(jié)點(diǎn)位置的最大組合應(yīng)力,繪制出各工況下跨越架最大組合應(yīng)力曲線圖,如圖3所示。

      圖3 各工況下跨越架鋼構(gòu)件最大組合應(yīng)力值

      表2 各工況下鋼構(gòu)件最大組合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 單位:MPa

      由圖3和表2可知,在施工工況下,鋼管跨越架最大組合應(yīng)力為270.26 Mpa,出現(xiàn)在橫梁跨中的下弦桿(工況1)。在大風(fēng)工況下,鋼管跨越架最大組合應(yīng)力為226.41 Mpa,出現(xiàn)在橫梁跨中的下弦桿(工況3)。在斷線工況下,鋼管跨越架最大組合應(yīng)力為225.68 MPa,出現(xiàn)在橫梁跨中的下弦桿(工況6)。橫梁直桿的最大應(yīng)力比為0.961,橫梁斜腹桿的最大應(yīng)力比為0.069,立柱直桿的最大應(yīng)力比為0.194,立柱斜腹桿的最大應(yīng)力比為0.057,水平斜桿的最大應(yīng)力比為0.934。

      由以上可知:鋼管跨越架結(jié)構(gòu)中各類桿件的應(yīng)力比均未超過 1.0,滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求[10]。

      2)型鋼跨越架結(jié)構(gòu)位移

      在不同的荷載工況下,鋼管跨越架結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的位移計(jì)算結(jié)果如表3所示,各工況下型鋼跨越架結(jié)構(gòu)最大豎向位移值曲線圖如圖4所示。最大豎向位移出現(xiàn)在橫梁跨中位置,最大值為20.37 mm,跨中相對于跨端的豎向位移為20.37-(-24.24)=44.60 mm??缭郊軝M梁跨度為16.1 m,有

      滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003中結(jié)構(gòu)撓度小于跨度的1/250的要求。

      表3 各工況下型鋼跨越架結(jié)構(gòu)最大豎向位移值單位:mm

      圖4 各工況下型鋼跨越架結(jié)構(gòu)最大豎向位移值

      2.2 鋁合金跨越架結(jié)構(gòu)分析

      2.2.1 結(jié)構(gòu)分析的計(jì)算模型

      鋁合金跨越架結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型與鋼管跨越架結(jié)構(gòu)的一致。在有限元計(jì)算模型中,拉線采用桁架單元模擬,立柱與橫梁全部采用梁單元模擬,立柱的底部節(jié)點(diǎn)以及拉線底端采用固定支座,約束三個(gè)方向的平動和轉(zhuǎn)動位移,構(gòu)件截面為700 mm×700 mm的鋁合金圓管跨越架。

      2.2.2 鋁合金跨越架結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

      1)鋁合金跨越架結(jié)構(gòu)應(yīng)力

      圖5 各工況下鋁合金跨越架桿件最大組合應(yīng)力值

      表4 各工況下鋁合金跨越架桿件最大組合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果單位:MPa

      由圖5和表4可知,在施工工況下,鋁合金跨越架最大組合應(yīng)力為134.85 MPa,出現(xiàn)在橫梁跨中的下弦桿(工況1)。大風(fēng)工況下,鋁合金跨越架最大組合應(yīng)力為112.96 MPa,出現(xiàn)在橫梁跨中的下弦桿(工況3)。在斷線工況下,鋁合金跨越架最大組合應(yīng)力為112.90 MPa,出現(xiàn)在橫梁跨中的下弦桿(工況 6)。

      2)鋁合金跨越架結(jié)構(gòu)位移

      在不同的荷載工況下,得出鋁合金跨越架結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的位移如表5所示。各工況下鋁合金跨越架結(jié)構(gòu)最大豎向位移值曲線圖如圖6所示。最大豎向位移出現(xiàn)在橫梁跨中位置,最大值為30.55 mm,跨中相對于跨端的豎向位移為30.55-(-35.44)=65.99 mm,因此說明采用鋁合金材質(zhì)的模型是合理的,能夠滿足安全性能的要求。

      表5 各工況下鋁合金跨越架結(jié)構(gòu)最大豎向位移值單位:mm

      圖6 各工況下鋁合金跨越架結(jié)構(gòu)最大豎向位移值

      3 兩種材質(zhì)跨越架結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能對比

      3.1 構(gòu)件截面規(guī)格

      鋼管跨越架和鋁合金跨越架各類桿件的截面規(guī)格對比如表6所示。

      表6 兩種材質(zhì)跨越架各類桿件的截面規(guī)格對比

      由表6可知,鋁合金跨越架各類桿件的截面選取較鋼管跨越架大很多,由于鋁合金材質(zhì)較輕,鋁合金跨越架一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的質(zhì)量為163.7 kg,而鋼管跨越架一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的質(zhì)量為209.5 kg,因此從經(jīng)濟(jì)效益和便于運(yùn)輸?shù)慕嵌葋砜矗X合金跨越架更好。

      3.2 跨越架結(jié)構(gòu)應(yīng)力

      鋼管跨越架和鋁合金跨越架各類桿件的最大組合應(yīng)力值的對比如表7所示。

      表7 兩種材質(zhì)跨越架桿件最大組合應(yīng)力值對比單位:MPa

      由于鋁合金跨越架各類桿件截面選取較大,因此鋁合金跨越架各類桿件最大組合應(yīng)力較鋼管跨越架小,計(jì)算結(jié)果差別較明顯,最大組合應(yīng)力均出現(xiàn)在橫梁跨中的下弦桿,且最大應(yīng)力值均未超過材料強(qiáng)度。

      3.3 跨越架結(jié)構(gòu)位移

      組合式鋼管跨越架和鋁合金跨越架結(jié)構(gòu)豎向最大位移值的對比如表8所示。

      表8 兩種材質(zhì)跨越架結(jié)構(gòu)豎向最大位移值對比單位:mm

      由表8可知,鋁合金跨越架和鋼管跨越架的最大水平位移相差不大,而鋁合金跨越架的相對豎向位移值較大,但依然能夠滿足結(jié)構(gòu)安全性能的要求。

      4 結(jié)論

      本文提出了一種新型跨越架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,并采用有限元法分別對鋼管和鋁合金材質(zhì)的跨越架結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)性能分析,得出如下結(jié)論:

      (1)鋁合金跨越架一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的重量為163.7 kg,而鋼管跨越架一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的重量為209.5 kg,由于鋁合金材質(zhì)較輕,因此從經(jīng)濟(jì)效益和便于運(yùn)輸?shù)慕嵌葋砜?,鋁合金跨越架較優(yōu)。

      (2)根據(jù)各工況下跨越架力學(xué)計(jì)算結(jié)果,可知鋼管跨越架和鋁合金跨越架的最大組合應(yīng)力值分別為270.26 Mpa、134.85 Mpa,均出現(xiàn)在橫梁跨中下弦桿位置,而鋁合金跨越架各類桿件最大組合應(yīng)力較鋼管跨越架小,計(jì)算結(jié)果差別較明顯,因此鋁合金跨越架更可取。鋼管跨越架和鋁合金跨越架的最大相對豎向位移值分別為44.60 mm和65.99 mm,均滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的力學(xué)性能要求。

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