基于Matlab的鐵塔組立鋼絲繩使用分析

李 軍 謝明武 李 明

（武警水電第六支隊(duì)，福建 廈門(mén)361009）

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)的飛速發(fā)展，社會(huì)對(duì)電能的需求越來(lái)越大，而我國(guó)電力資源的分布極不均衡，因而需要建設(shè)大量的輸電線路。鐵塔組立施工是輸電線路建設(shè)中的一項(xiàng)重要工作，耗資、耗工時(shí)通常占總工程的20%～30%。在鐵塔施工過(guò)程中，需要用到大量的鋼絲繩，而鋼絲繩的合理使用對(duì)施工安全起著決定性的影響。為了保證組塔施工安全，延長(zhǎng)鋼絲繩使用壽命，提高經(jīng)濟(jì)效益，施工組織前必須根據(jù)組塔的方式對(duì)鋼絲繩進(jìn)行受力計(jì)算、校核，通過(guò)計(jì)算選擇合適的施工參數(shù)。

1 鐵塔組立系統(tǒng)

本文以外拉線內(nèi)懸浮抱桿分解組塔系統(tǒng)為例進(jìn)行受力分析，如圖1所示。系統(tǒng)以抱桿頂部為支點(diǎn)，牽引裝置通過(guò)鋼絲繩、滑輪組件將地面組裝好的鐵塔片、段提升到安裝位置，在提升的過(guò)程中通過(guò)控繩來(lái)控制被吊塔材與已立鐵塔的間距，抱桿則由均勻分布在空間的4根外拉線與4根承托繩來(lái)固定。

圖1 外拉線內(nèi)懸浮抱桿分解組塔

2 鋼絲繩的使用分析

2.1 各鋼絲繩受力計(jì)算

組塔系統(tǒng)各鋼絲繩受力情況如圖2所示，首先以被吊塔材為研究對(duì)象，建立平衡方程：

式中，T為磨繩對(duì)被吊件的合力；G為被吊塔材重量；F為控制繩合力。

由式（1）、式（2）解得：

吊點(diǎn)繩受力：

圖2 鐵塔組立受力圖

磨繩受力：

式中，n為滑車(chē)組工作繩數(shù)；η為滑車(chē)效率。單根控制繩受力：

受力側(cè)承托繩合力：

式中，N為抱桿軸向壓力；Q為抱桿自重； 為承托繩與抱桿夾角；δ為抱桿傾角。

2.2 使用分析

本文利用Matlab軟件對(duì)影響各鋼絲繩受力的因素進(jìn)行定量分析，使用的參數(shù)如表1所示，各變化曲線如圖3～圖6所示。

表1 鐵塔組立相關(guān)參數(shù)表

圖3為磨繩合力、控制繩合力隨磨繩傾斜角α變化的圖形，從中可以看出，2個(gè)合力都隨α角的增大而增大，當(dāng)α角超過(guò)45°后，合力急劇增大，當(dāng)達(dá)到60°時(shí)，磨繩合力將增大1倍，控制繩的受力也接近被吊塔材重量。這必將極大地增加系統(tǒng)的額外功，加大鋼絲繩的安全風(fēng)險(xiǎn)。這就要求在施工的過(guò)程中盡量減小α角，當(dāng)場(chǎng)地或繩索長(zhǎng)度有限時(shí)也應(yīng)當(dāng)控制在45°以內(nèi)。由式（3）、式（4）很容易看出這2個(gè)合力還隨被吊塔材重量的增加而增大。因此，在鋼絲繩的選型和校核中主要考慮被吊塔材重量最大以及α角最大2種情況。

圖3 磨繩、控制繩受力變化曲線

圖4 吊點(diǎn)繩受力變化曲線

圖5 磨繩受力變化曲線

圖6 承托繩合力變化曲線

式（5）、式（7）是一個(gè)類型，已知合力與夾角計(jì)算單根繩的受力。以式（5）為例來(lái)分析夾角對(duì)繩的影響，變化情況如圖4所示。從圖中可知吊點(diǎn)繩受力隨著γ角的增大而增大，特別是當(dāng)γ角為110°以后，受力也將加速上升。因此在滿足被吊塔材平衡的條件下，吊點(diǎn)繩夾角越小越好，最大角度不宜超過(guò)110°。

由圖5可知，隨著工作繩數(shù)的增加，磨繩受力逐漸減小，但當(dāng)工作繩數(shù)量超過(guò)4根時(shí)，磨繩受力下降速度已經(jīng)很緩慢。相反，過(guò)多的繩子將會(huì)增加起吊系統(tǒng)的復(fù)雜程度和安全風(fēng)險(xiǎn)。所以，在施工的過(guò)程中并不是工作繩越多越好，工作繩總數(shù)不宜超過(guò)4根。切不可通過(guò)增加更多的動(dòng)滑車(chē)數(shù)量來(lái)提高起吊塔材的總量。

承托繩在起吊系統(tǒng)中不僅需要承受抱桿軸向壓力和抱桿自重，而且還要保證抱桿的平衡，承托繩與抱桿之間保持合適的角度至關(guān)重要。承托繩合力與夾角 之間的關(guān)系如圖6所示，過(guò)大的 角將會(huì)增大合力，特別是當(dāng)角度超過(guò)60°后，合力將加速上升。所以在實(shí)際施工過(guò)程中，承托繩與抱桿夾角不宜超過(guò)60°。

3 結(jié)論

為減少鋼絲繩所承受的載荷，提高施工安全性，起吊系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)應(yīng)該控制在以下范圍：（1）磨繩傾斜角不宜超過(guò)45°；（2）2控制繩、2吊點(diǎn)繩等分力之間夾角不宜超過(guò)110°；（3）起吊的工作繩數(shù)不宜超過(guò)4根；（4）承托繩與抱桿夾角不宜超過(guò)60°。鐵塔組立施工過(guò)程中發(fā)生的安全事故，往往都是因?yàn)殇摻z繩使用不當(dāng)造成的。合理確定各參數(shù)能減少鋼絲繩所承受的載荷，對(duì)延長(zhǎng)鋼絲繩的使用壽命和保障施工安全具有重要意義。因此，在施工方案的編制過(guò)程中要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境和各種施工機(jī)具合理確定各參數(shù)。

［1］王宏武.鋼絲繩承載受力特性分析及計(jì)算［J］.甘肅科技，2007（9）

［2］沈志.內(nèi)懸浮抱桿分解組立鐵塔施工受力分析［A］.2011年云南電力技術(shù)論壇文集［C］，2011

［3］國(guó)家電網(wǎng)公司.輸變電工程施工工藝示范手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2011

［4］DL5009.1—2002 電力建設(shè)安全工作規(guī)程 第1部分：火力發(fā)電廠［S］，2002