架空输电线路内悬浮抱杆倾覆受力分析

蒙春玲，王金龙，郭立波

（中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山西太原 030001）

随着输电线路电压等级不断提高，特别是特高压工程的建设，输电线路铁塔高度不断增加，横担长度越来越长，单件质量越来越大，铁塔组立成为施工技术安全风险高、安装效率低、劳动强度大、施工成本高的主要部分。目前，组塔方式主要有直升机吊装组塔、吊车组塔、落地抱杆组塔和内悬浮抱杆组塔，由于受地形、成本的制约，内悬浮抱杆组塔仍是施工组塔的主要方式。内悬浮抱杆组塔又分为内悬浮外拉线抱杆分解组塔和内悬浮内拉线抱杆分解组塔，内悬浮外拉线抱杆组塔为三级风险，其抬升过程风险更高，需采取措施保障安全。本文以工程案例来说明内悬浮外拉线抱杆在抬升过程中意外倾倒的受力情况。

某工程中，施工人员在将第1层18 m位置拉线翻至抱杆36 m高度处的过程中，先将第1层18 m处的4根拉线拆除放至地面，然后登高至36 m处挂设完成B、C、D腿3根拉线（尚未锚固），当挂设第4根A腿方向拉线时，现场突起七级阵风，最大风速达16.7 m/s（气象站距地10 m实测数据），气象站海拔高度1 119 m，塔位海拔高度1 727 m，根据相关气象规范[1]，折算塔位计算风速19 m/s，引起抱杆AC方向剧烈晃动，设置在抱杆26 m处的4根拉线受到剧烈冲击，其中C腿设置在抱杆26 m处拉线断裂，抱杆失稳倒向A腿方向，随后B腿拉线断裂。抱杆现场情况如图1所示，塔腿平面布置及拉线对地夹角参数如表1所示，拉线破断力为74 kN。计算分析采用三维直角坐标系，X轴沿横担方向，Y轴沿线路方向，Z轴与重力方向一致。

表1 塔腿平面布置及拉线对地夹角参数表

图1 抱杆现场情况示意图

本文分别采用线性和非线性2种方法对抱杆失稳倾倒进行分析，结合相关设计规范[2-3]，确定计算参数和计算原则。

2.1 采用SmartTower分析

采用SmartTower进行线性计算分析，确定计算参数及原则如下：一是根据抱杆规格、尺寸进行建模，并设置为梁单元，26 m处拉线设置为拉索；
二是计算风速为19 m/s，组合系数为0.9，重要性系数为1.0；
三是风荷载分别按90°、60°、45°、0°这4种工况计算；
四是抱杆顶部原木及人重按400 kg考虑，折算荷载加至抱杆顶部A腿侧；
五是36 m处B、C、D拉线风荷载、自重加载至抱杆顶端对应节点。

2.2 采用有限元分析

采用有限元软件进行非线性计算分析，计算参数及原则如下：一是抱杆采用BEAM189梁单元，26 m处拉线设置为LINK10单元，并设置为仅承受轴向拉力；
二是计算风速为19 m/s，组合系数为0.9，重要性系数为1.0；
三是风荷载分别按90°、60°、45°、0°这4种工况计算；
四是抱杆顶部原木及人重按400 kg考虑，折算荷载加至抱杆顶部A腿侧；
五是36 m处B、C、D拉线风荷载、自重加载至抱杆顶端对应节点；
六是抱杆按2 m每段加载其实际风荷载和自重。

3.1 采用SmartTower计算

采用SmartTower建模并进行线性计算分析，按单柱拉线塔进行计算。

a）抱杆根据实际杆件尺寸、规格进行建模，拉线采用拉索根据拉线实际物理参数、尺寸、连接位置进行建模。

b）计算风速19 m/s，组合系数0.9，重要性系数1.0，考虑10%（7.4 kN）的拉索初始力。各工况荷载下抱杆顶部位移及拉线张力如表2所示。

表2 SmartTower计算结果

c）当60°受力瞬时增大时，X方向上的位移18.56 mm，Y方向上的位移3.18 mm，综合位移达18.83 mm时，C腿拉索内力达73.86 kN，C腿拉索破坏。

当45°受力瞬时增大时，X方向位移6.41 mm，Y方向位移26.017 mm，综合位移达26.80 mm时，C腿拉索内力达73.901 kN，C腿拉索破坏。

C腿拉索破坏时，60°瞬时力大约是45°瞬时力的1.222倍。因此，初步判断45°瞬时力是导致C腿拉索破坏的主要原因，破坏时抱杆顶部位移约

26.80 mm。

3.2 采用有限元分析

采用有限元建模并进行几何非线性计算分析。

a）根据抱杆实际杆件尺寸、规格进行建模，抱杆采用BEAM189梁单元，26 m处拉线设置为LINK10单元，并设置为仅承受轴向拉力。

b）计算风速19 m/s，组合系数0.9，重要性系数1.0，考虑10%（7.4 kN）的拉索初始力。各工况荷载下抱杆顶部位移及拉线张力如表3所示。c）当受45°风荷载时，X方向位移71.42 mm，Y方向位移71.19 mm，Z方向位移3.78 mm，综合位移达100.91 mm时，C腿拉索内力达21.03 kN。d）当抱杆顶部施加一定位移，X方向位移为289 mm，Y方向为288 mm，Z方向为15.59 mm，综合位移达408.3 mm时，C腿拉索内力达到73.968 kN，C腿拉索破坏，此时抱杆倾角约0.65°。抱杆每段2 m，质量约260 kg，整个抱杆质量4 680 kg，垂直荷载约46.8 kN。因此，抱杆顶部位移是导致C腿拉索破坏的主要原因，破坏时抱杆顶部位移为408.3 mm。

表3 有限元计算结果

a）综合线性和几何非线性有限元分析计算，45°风瞬时力是导致抱杆顶部位移的主要因素，顶部位移较大是导致拉索破坏的主要原因。

b）施工中进行抱杆抬升时，应先设置好顶端拉线，然后拆除下部拉线。

c）抱杆组立、拉线设置及杆塔组立时，应时刻关注天气状况，如遇特殊天气，提前采取安全措施，必要时应暂停施工。

d）建议施工现场配备风向、风速测量装置，便于施工现场及时采取预控措施。

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