采動(dòng)區(qū)高壓輸電塔的變形和附加內(nèi)力分析

于建兵，于廣云，王永銳，楊 洋，周長艮

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008;2.連云港市高級(jí)技工學(xué)校，江蘇 連云港 222069)

1 工程概況

近年來，隨著煤礦塌陷區(qū)輸電線路的大量建設(shè)，人們對(duì)煤礦塌陷區(qū)的輸電鐵塔進(jìn)行了初步研究，并取得了一些成果。由于煤礦開采過程中地表的變形是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變形過程，輸電鐵塔在地表移動(dòng)過程中所處的不同位置，對(duì)輸電鐵塔的內(nèi)力和變形影響很大。因此，研究動(dòng)態(tài)地表變形對(duì)輸電鐵塔內(nèi)力和變形的影響規(guī)律，對(duì)塌陷區(qū)輸電鐵塔的建設(shè)和安全性評(píng)估具有重要的意義。本文以山西某礦為例，由于地下開采對(duì)地上的輸電塔的影響，下沉曲線見圖1。地表已經(jīng)產(chǎn)生沉陷及水平變形，具體情況見圖2。用有限元軟件ANSYS對(duì)輸電塔在地表變形下的受力進(jìn)行數(shù)值模擬，可為處于塌陷區(qū)任意位置的輸電鐵塔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和安全性評(píng)估提供理論依據(jù)。

2 模型建立與計(jì)算分析

2.1 模型的建立

以某線路中的直線跨越塔為計(jì)算實(shí)例建立模型，呼高21.00 m，總高度為21.30 m，根開3.73 m，直線跨越塔由各種等邊角鋼組成，塔腿部主材截面為 Q345等邊角鋼，型號(hào)為∠200×14。將輸電鐵塔桿件的中心軸線交點(diǎn)連接處作為模型節(jié)點(diǎn)，兩節(jié)點(diǎn)間的角鋼簡化為模型單元，采用ANSYS程序進(jìn)行數(shù)值分析，運(yùn)用自底向上的建模方式，建立模型時(shí)各桿件都用 BEAM 188單元，建立的ANSYS模型及節(jié)點(diǎn)編號(hào)如圖3。

圖1 下沉曲線

圖2 地表沉陷變形

2.2 變形工況

本文主要分析輸電塔在三種最不利工況下的附加內(nèi)力及位移。具體工況如下:

工況一，輸電塔僅在支座B發(fā)生最大下沉2.5 m;

工況二，輸電塔在支座B及支座D發(fā)生最大下沉2.5 m;

工況三，輸電塔在支座 A、支座 B及支座 D發(fā)生最大下沉2.5 m。

圖3 輸電塔模型及節(jié)點(diǎn)編號(hào)

2.3 計(jì)算分析

計(jì)算基于以下假設(shè):① 輸電鐵塔基礎(chǔ)不發(fā)生破壞或者較大的變形，即地表變形直接通過輸電鐵塔基礎(chǔ)作用于輸電鐵塔支座上;② 在沉陷變形過程中，節(jié)點(diǎn)不會(huì)先于桿件發(fā)生破壞;③ 采煤方向與X軸或者Y軸平行，不考慮成角度的情況，即輸電鐵塔的兩側(cè)基礎(chǔ)位移分別相同。.

由于本結(jié)構(gòu)桿件較多(圖4)，節(jié)點(diǎn)號(hào)也比較多，所以選取了比較重要的幾根桿件以及幾個(gè)節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行分析。桿件軸力及節(jié)點(diǎn)位移如表1及表2。

圖4 桿件編號(hào)

從表1可以發(fā)現(xiàn)，在工況一情況下各桿件的軸力值最大，最大值達(dá)到604 kN，當(dāng)多個(gè)支座發(fā)生豎向位移時(shí)，桿件的軸力有所下降;輸電鐵塔底部桿件的軸力變化較上部桿件變化幅度大，隨著高度增加，其軸力變化值越來越小;橫擔(dān)桿的軸力受豎向位移影響較小。

從表2可以發(fā)現(xiàn)，在各種工況下節(jié)點(diǎn)位移主要發(fā)生在X與Z方向上，Y方向的位移變化不大，輸電塔在支座發(fā)生豎向位移時(shí)，底部節(jié)點(diǎn)X方向與Z方向的位移受支座豎向位移的影響遠(yuǎn)小于頂部節(jié)點(diǎn)受支座豎向位移的影響。橫擔(dān)桿上各節(jié)點(diǎn)的豎向位移基本相等。

表1 各工況下桿件軸力 kN

表2 各工況下各節(jié)點(diǎn)的位移 mm

3 結(jié)論

1)在工況一情況下各桿件的軸力值最大，最大值達(dá)到604 kN，當(dāng)多個(gè)支座發(fā)生豎向位移時(shí)，桿件的軸力有所下降。輸電鐵塔底部桿件的軸力變化較上部桿件變化幅度大，隨著高度增加，其軸力變化值越來越小。

2)在各種工況下節(jié)點(diǎn)位移主要發(fā)生在X與Z方向上，Y方向的位移變化不大。輸電塔在支座發(fā)生豎向位移時(shí)，底部節(jié)點(diǎn)X方向與Z方向的位移受支座豎向位移的影響遠(yuǎn)小于頂部節(jié)點(diǎn)受支座豎向位移的影響。

3)橫擔(dān)桿上各節(jié)點(diǎn)的豎向位移基本相等，橫擔(dān)桿的軸力受豎向位移影響較小。

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