可拆分式抱桿的研制及其在青藏直流工程中的應用

朱艷君，江明，黃克信，繆謙

(1.國家電網公司直流建設分公司，北京市，100052;2.中國電力科學研究院，北京市，100192)

0 引言

青藏直流輸電線路工程，東起青海格爾木換流站，西至西藏拉薩換流站，線路全長1 038 km，平均海拔約4 650 m，最高海拔為5 300 m［1］。高原缺氧、地勢復雜等惡劣的自然條件造成了廣大工程建設者的勞動能力、負載能力等大幅下降［2］。因此，在工程建設中減輕施工設備及工器具自重，以降低施工人員的勞動強度是保障工程建設的關鍵之一。

輸電線路施工抱桿為鐵塔組立施工的主要起重設備，一般按照鐵塔參數(shù)和施工要求進行設計，即滿足抱桿強度、剛度、穩(wěn)定性等要求的同時，兼顧施工及運輸安裝對尺寸及重量的要求。常規(guī)抱桿一般采用整體標準節(jié)，整體標準節(jié)易加工、造價低，但是其整體尺寸及單體重量僅能滿足常規(guī)輸電線路鐵塔組立施工的勞動強度，且采用機械運輸時占用空間大、運輸效率低。常規(guī)抱桿標準節(jié)一般單節(jié)長度約3 m、單節(jié)質量約150 kg［3］，人力運輸?shù)膭趧訌姸纫呀浐艽蟆Ｓ捎谇嗖馗咴厥獾淖匀粭l件和青藏直流輸電線路工程鐵塔特點，抱桿仍為整個線路工程地形惡劣地區(qū)組塔的主要施工設備。在青藏線路工程建設中，施工人員作業(yè)能力大幅下降，只有大幅減少設備重量，才能保障工程建設的順利進行。如果按照常規(guī)設計思路，在抱桿總長度不能更改的前提下，采用減少標準節(jié)長度的方法減輕抱桿標準節(jié)重量，則導致抱桿標準節(jié)數(shù)量增多，整體自重、組裝難度增加，直線度很難滿足設計要求，且連接螺栓較多、組裝質量很難控制，不僅增加了成本和工作量，也對施工造成了一定的安全質量隱患，因此必須采用全新結構形式的抱桿。

1 抱桿設計

抱桿的重量主要集中在標準節(jié)，因此可以采用將標準節(jié)拆分為標準節(jié)片的方式來降低抱桿單件自重。根據(jù)青藏直流工程施工環(huán)境要求和鐵塔的結構特點，可拆分式抱桿的參數(shù)確定如下:最大長度為26 m，抱桿最大截面為500 mm×500 mm，許用軸心壓力為89 kN，最大起重量為21.5 kN，抱桿本體最大單重不超過25 kg。

為了減輕單件自重，抱桿上下節(jié)采用1 m楔形鋁合金格構式端節(jié)［4］，其單件質量為24.7 kg。抱桿標準節(jié)長為3 m，截面為500 mm×500 mm，由4個完全相同的標準節(jié)片和3個穩(wěn)定框通過螺栓連接組成，其單件最大質量為23.5 kg。抱桿可拆分式標準節(jié)如圖1所示，采用了可拆分標準節(jié)和1 m端節(jié)后，抱桿本體的最大重量不超過25 kg，能夠有效降低人力搬運的勞動強度，而且可拆分式標準節(jié)在運輸時占用空間小，也方便機械運輸。

圖1 拆分式標準節(jié)Fig.1 Structure of modular mast section

2 材料選用

在青藏直流工程中，選用的機械設備材料應考慮其低溫韌性。抱桿材料一般選用鋼材和鋁合金。鋁合金在低溫時強度增加、塑形提高，但剛度低，連接時需鉚接在鋼材上再通過螺栓連接，不適合制成可拆分式標準節(jié)，而格構式端節(jié)主材宜采用鋁合金。因此，抱桿端節(jié)主材選用2A12鋁合金，拆分式標準節(jié)采用鋼材。常用結構鋼一般選用Q235和Q345。Q235屬于碳素結構鋼，分為A、B、C、D共4個質量等級。Q345屬于低合金結構鋼，分為A、B、C、D、E共5個質量等級。從經濟角度上，Q345性價比相對Q235較高，市場價格也略高些。Q345比Q235屈服強度提高約45%，理論上用Q345可節(jié)約用鋼量15% ～25%。故抱桿標準節(jié)主材采用Q345，部分輔材可選用Q235。從材料的經濟性能來考慮，型號高的鋼材成本高，產量也較少，應用廣泛的是B、C、D共3種型號。鋼材的型號依次更適合用于低溫狀態(tài)，并能提供安全的力學性能和穩(wěn)定的化學性能［5］。其化學成分僅在磷、硫指標上有微小差別，但是最重要的區(qū)別在于沖擊韌性試驗溫度。一般0～-20℃時采用C級鋼，當溫度低于-20℃時采用D級鋼。綜合考慮青藏高原地區(qū)的氣候條件和施工環(huán)境等因素，抱桿標準節(jié)主材選用Q345C，輔材選用Q235C。

3 抱桿檢測

可拆分式抱桿的標準節(jié)由多個標準節(jié)片通過螺栓連接組成，抱桿強度與螺栓連接的可靠性是保障抱桿施工安全的關鍵。為了確保可拆分式抱桿的安全性，按照抱桿設備標準要求［6］，對抱桿進行了100%、125%、150%額定軸向壓力應力測試。抱桿臥式加載方式，加載時采取拉力表與手扳葫蘆串聯(lián)，以記錄拉力數(shù)值。測試應變片貼在抱桿端部和中間部分，抱桿測試方法如圖2所示，結構應力測試布點如圖3所示，測試結果如圖4所示。載荷測試中最大應力均小于材料的許用應力(138 MPa)，強度和穩(wěn)定性安全系數(shù)均大于2.5， 且試驗中螺栓連接可靠、無明顯變形，抱桿測試合格。

圖4 測點應力Fig.4 Stress of test points

4 工程應用

可拆分式抱桿于2011年4月運抵青藏直流工程第10標段453號鐵塔進行工程應用。該鐵塔塔型為ZV42-30，呼高 30 m、全高 35 m、根開 10.52m、橫擔寬度30 m、總質量14.7 t。鐵塔基礎海拔4 910 m，為第10標段中海拔最高的鐵塔，塔位處空氣含氧量不到平原地區(qū)的50%［7］。抱桿運抵塔料場后，需人工搬運至200 m外高約80 m的山頂塔位處。搬運時，2人抬1個標準節(jié)片，平均單人負重約12 kg，有效降低了工地運輸?shù)娜肆趧訌姸取１U分片運抵塔位后在塔位處組裝，組裝完成后搬起并進行內懸浮外拉線抱桿鐵塔組立施工。之后該抱桿完成了該標段施工難度較大的421號等鐵塔組立施工。由于抱桿起重量大，其橫擔采用整體吊裝，減少了高空作業(yè)量。

拆分式抱桿在機械運輸時將標準節(jié)拆成片式包裝，占用空間小。采用專用的木箱包裝后，更加方便機械運輸及機械裝卸，且運輸費用低。抱桿單件重量小，工地運輸時能夠有效減輕施工人員在人力搬運時的勞動強度。抱桿結構安全可靠、施工安全性高，有效減輕了施工人員勞動強度，受到現(xiàn)場施工人員的好評。同時在使用中發(fā)現(xiàn)抱桿連接螺栓的數(shù)量相對較多，需進一步優(yōu)化連接設計，盡可能地降低勞動強度。工程應用表明可拆分式抱桿特別適用于高海拔等自然條件惡劣地區(qū)鐵塔組立施工，能夠有效減輕施工人員勞動強度，提高施工安全性。

5 性能比較

為了減輕高海拔地區(qū)施工勞動強度，施工單位選取抱桿時一般選用自重輕、起質量小的鋁合金抱桿，導致組塔施工中吊裝次數(shù)增多且高空對接塔片的工作量增加，勞動強度增加、施工效率降低。可拆分式抱桿與青藏直流工程十標段使用的鋁合金抱桿的各項性能參數(shù)見表1。根據(jù)表1中各項參數(shù)分析得出，可拆分式抱桿相對鋁合金抱桿具有以下優(yōu)點:

(1)起質量大，減少了吊裝次數(shù)和高空作業(yè)量，提高了安全性和施工效率。

(2)單件質量輕，能夠有效降低工地運輸人力搬運的勞動強度。

(3)機械運輸時占用空間小，機械運輸、裝卸方便。

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6 結語

經過工程應用及性能比較可以看出:可拆分式抱桿設計新穎、實用性強，長途運輸時占用空間小，工地運輸單件重量輕，能夠有效減輕施工人員在人力搬運時的勞動強度，特別適用于自然條件惡劣地區(qū)的大型鐵塔組立施工。

［1］祁正吉.青藏直流聯(lián)網工程線路施工全面開始［N］.國家電網報，2010-08-10.

［2］吳繼森.高原施工中人身保障問題的探討［J］.山西建筑，2004，25(12):123-124.

［3］郭玉珠，邵麗東，熊織明格構式鋼管抱桿的研制、試驗及應用［J］.電力建設，2009，30(5):95-96.

［4］江明，郭玉瑩.鋁鋼組合式抱桿穩(wěn)定臨界力計算及分析［J］.電力建設，2006，27(12):24-26.

［5］成大先.機械設計手冊(第 1卷)［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2009.

［6］DL/T319—2010架空輸電線路施工抱桿通用技術條件及試驗方法［S］.

［7］盛裴軒.大氣物理學［M］.北京:北京大學出版社，2008:55-65.