特高壓跨越施工封網結構力學分析

趙 維，黃成云，羅本壁，周煥林

(1．合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；2．安徽省送變電工程公司，安徽 合肥 230022； 3．國家電網公司交流建設分公司，北京 100052)

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專論

特高壓跨越施工封網結構力學分析

趙 維1，黃成云2，羅本壁3，周煥林1

(1．合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；2．安徽省送變電工程公司，安徽 合肥 230022； 3．國家電網公司交流建設分公司，北京 100052)

封網結構對于保障特高壓跨越輸電線路施工安全具有重要意義，其具有較高的技術和施工要求，但目前對于其研究大多簡化為單索計算。為與實際狀態更符合，考慮絕緣撐桿及網的影響，利用有限元軟件建立封網結構模型，對封網結構在不同工況下的力學性能進行分析。研究結果表明：隨檔距增大，承載索弧垂和最大張力均增大；隨預緊力增大，承載索弧垂與最大張力分別呈線性減小與增大；隨承載索間距增大，弧垂和張力也明顯增大；隨承載索直徑增大，會使封網裝置與被跨物的安全距離更得到保障，但承載索最大張力會顯著增大；全封網形式承受沖擊荷載的能力顯著強于局部封網。

跨越施工；封網；有限元法；弧垂；張力

特高壓工程建設發展迅速，線路輸電距離遠，區域跨度廣，重大交叉跨越多。跨越施工技術設計時，須充分考慮封頂網的安全穩定性，以確保對被跨越物的有效保護。文獻[1]對無跨越架局部封網跨越施工方式，給出了計算承力索在事故、封網以及初始安裝狀態下孤垂及水平張力的計算公式。文獻[2]以500 kV王南甲乙線π入渤海變送電線路新建工程為例，詳細敘述了采用封網方式，無跨越架帶電跨越2條66 kV帶電線路的施工工藝、方法和施工原理。文獻[3]建立了電氣化鐵路接觸網承力索的有限元模型，對不同工況條件下的承力索弛度進行了仿真分析，精確計算了弛度的大小，提出了一種新的弛度計算方法。文獻[4]針對跨越檔全封網布置，且選用迪尼瑪繩作為承載索時，跨越檔應限制的檔距及鐵塔應增加的高度進行計算分析，對跨越檔的設計參數提出了建議。文獻[5]對懸索跨越施工所用封頂網種類、懸掛方式等進行分析，對其所用架體材料、方法做了綜合評述。文獻[6]對傳統跨越架線施工存在的難度進行剖析，提出采用新觀念和新做法，以提高不停電跨越架線施工的安全性。文獻[7]針對架空送電線路跨越高速鐵路施工的特點，介紹了不同跨越架和封頂網的結構形式，比較分析了不同形式的優缺點與適用條件。

對于封網結構有限元計算，確定其形態是一個非線性大位移問題。封網結構的形狀確定和預應力分布是一對互相影響的參數，其工作狀態的幾何狀態一般難以事先確定，必須通過找型方法。文獻[8]通過考慮自重和初始預應力分布差異的參數分析，找出了影響索網結構形態穩定的主要因素。文獻[9]推導了索網節點位移與索元內力增量所必須滿足的平衡方程與變形協調方程的增量形式，對預應力索網結構進行初始平衡態以及荷載態下的節點位移和索力計算。文獻[10]在索和膜結構幾何非線性分析的基礎上，推導了直接迭代法的基本方程，同時給出了索和膜結構采用直接迭代法進行初始形狀確定的求解方法。文獻[11]論述了采用幾何非線性有限元方法，并利用ANSYS 有限元軟件對常見的索網找形過程進行了研究。文獻[12]提出了采用多段索單元來模擬懸鏈線索單元。

本文通過ANSYS有限元軟件，構建跨越施工中封網結構的模型，并通過直接迭代法找形。對承力裝置在不同條件、不同工況下的受力狀態和變形情況進行有限元分析，并對計算結果進行對比分析，總結出封網結構相關參數的影響規律，給跨越封網施工提供一定的參考，以期提高跨越施工的安全性。

1 封網結構模型建立

如圖1所示，一般封網結構由承載索、絕緣尼龍網、滑輪及撐桿組合而成。撐桿的作用是保持承載索間距離(即封網的寬度)，而且在架線中發生事故狀態時能承擔一定長度導線的重量。

圖1 局部封網形式

承載索迪尼瑪繩選取LINK10索單元模擬；絕緣撐桿選取BEAM188梁單元模擬；絕緣尼龍網也選取LINK10索單元模擬[13]。模型如圖2所示。

圖2 雙索局部封網模型

2 力學分析

封網位置位于整個跨越檔正中間，封網長度取50 m，每隔5 m設置玻璃桿網撐，整個封網共計11根空心玻璃桿。封網密度為橫向與縱向每隔1 m設置尼龍繩，編織成網狀結構。張力放線采用“一牽四”方式，導線規格為LGJ800/55。

事故工況分析分為兩種：一種是沖擊工況；另一種是非沖擊工況。

a.沖擊事故工況。主要荷載形式為沖擊荷載，即導線在跨越施工時產生斷裂，發生事故導線的斷裂端從水平狀態開始在豎直平面內向下擺動，最終撞擊封網結構的端部玻璃撐桿，現取沖擊荷載系數為1.5。

b.非沖擊事故工況。荷載形式主要為重力荷載，即在發生斷裂事故的跨越檔兩側的跨越檔內，因導線斷裂，導線上原有張力消失，在重力作用下，導線會從原有高度下落，最終落到整個封網結構上。在不考慮導線風偏及其他環境因素影響下，可將導線下落的位置模擬為在封網寬度正中心。

2.1 局部封網時跨越檔距對弧垂和張力的影響

非沖擊事故工況弧垂如圖3所示，跨越檔距與承載索弧垂以及承載索最大張力的關系曲線分別如圖4、圖5所示。

圖3 局部封網非沖擊事故工況弧垂

由圖4、圖5可以看出，在安裝工況下，隨著跨越檔距的增加，承載索弧垂和最大張力均增大。在事故工況下，隨檔距增加，承載索弧垂也隨之增大，且增大趨勢略有增加，即承載索弧垂對檔距的敏感性隨著檔距的增加而增大。同時可以看出，隨檔距增加，張力不斷增大，但增長速度逐漸減小，即承載索張力對檔距的敏感性隨檔距的增加而減小。

對比事故工況與安裝工況，可以發現事故荷載增大承載索弧垂和張力，結合工程經驗，跨越施工一般不宜采用過大跨越檔距。

對比沖擊與非沖擊事故工況，可以看出，沖擊荷載相比于非沖擊荷載對承載索弧垂和張力增大更多，沖擊荷載更易給承載索帶來較大的安全隱患，尤其是離沖擊作用點較近的一側與橫梁的連接處很容易出現斷裂危險。

2.2 局部封網時預緊力對弧垂和張力的影響

僅以預緊力作為變量，以200 m跨越檔距為例，預緊力與承載索弧垂以及承載索最大張力的關系曲線分別如圖6、圖7所示。

由圖6可以看出，與安裝工況相比，在事故工況下，預緊力對于弧垂的控制作用減小，沖擊事故工況時，預緊力的影響作用最小。

圖4 跨越檔距對承載索弧垂的影響

圖5 跨越檔距對承載索最大張力的影響

圖6 預緊力對承載索弧垂的影響

圖7 預緊力對承載索最大張力的影響

由圖7可以看出，隨預緊力增大，承載索弧垂線性減小，最大張力線性增大。故封網裝置安裝過程中應采用適當的預緊力，在保證封網距離被跨物足夠的安全距離前提下，盡量減小預緊力。

2.3 局部封網時承載索間距對弧垂和張力的影響

以承載索間距為變量，200 m跨越檔距為例，承載索間距與承載索弧垂以及承載索最大張力的關系曲線分別如圖8、圖9所示。

由圖8、圖9可以看出，在3種工況下，承載索間距越大，承載索的弧垂和最大張力也越大，僅增大的幅度略有不同。相對于預緊力和導線砸落位置距兩承載索中心距離對承載索弧垂與最大張力的影響，承載索間距的影響明顯要大，即承載索間距的增大會使承載索弧垂與最大張力明顯增大。架線施工中，承載索間距較大時，應提高封網高度，使封網裝置與被跨物的安全距離得到保證，同時提高承載索規格以增強承載索的承載能力。

圖8 承載索間距對承載索弧垂的影響

圖9 承載索間距對承載索最大張力的影響

2.4 全封網時跨越檔距對弧垂和張力的影響

采用局部封網時研究跨越檔距對弧垂影響的基本思路，設定檔距作為單一變量。因雙索全封網形式下，承載索結構和封網結構的自重較大，故從實際施工方面考慮，跨越檔距選取100 m、200 m和300 m 3種形式。

封網形式為全封網結構，封網寬度為8 m，在整個封網長度與封網寬度上，每隔1 m設1條尼龍繩，編織成網狀結構，撐桿結構每隔5 m設置1根。

非沖擊事故工況弧垂如圖10所示，跨越檔距與承載索弧垂以及承載索最大張力的關系曲線分別如圖11、圖12所示。

由圖11、圖12看出，全封網條件下，隨檔距增大，承載索弧垂和最大張力變化規律整體上與局部封網相似，但弧垂的增量要小很多，即全封網形式更能保證封網裝置與被跨物的安全距離。

圖10 全封網非沖擊事故工況弧垂

圖11 跨越檔距對承載索弧垂的影響

圖12 跨越檔距對承載索最大張力的影響

對比局部封網和全封網可以看出，對于承載索弧垂和最大張力，局部封網沖擊荷載對封網結構的影響較大，而全封網沖擊荷載對封網結構的影響較小，全封網形式抗沖擊荷載能力更強。

2.5 全封網時承載索規格對弧垂和張力的影響

以承載索直徑為變量，200 m跨越檔距為例，承載索規格與承載索弧垂以及承載索最大張力的關系曲線分別如圖13、圖14所示。

由圖13、圖14可以看出，在3種工況下，承載索直徑越大，承載索的弧垂越小，而最大張力越大。相對于預緊力和導線砸落位置距兩承載索中心距離對承載索弧垂與最大張力的影響，其影響較大， 即承載索直徑的增大會使承載索弧垂明顯減小，

圖13 承載索規格對承載索弧垂的影響

圖14 承載索規格對承載索最大張力的影響

最大張力明顯增大。由此可知，承載索直徑越大，會使封網裝置與被跨物的安全距離更得到保障，但承載索最大張力會顯著增大，故架線施工中，應綜合兩者因素，選取合適的承載索規格。

3 結論

a.隨跨越檔距增大，承載索弧垂和最大張力均增大。事故荷載對承載索弧垂和張力的影響非常大，結合工程經驗，跨越施工一般不宜采用過大的跨越檔距。

b.隨預緊力增大，承載索弧垂線性減小，最大張力線性增大。故封網裝置安裝過程中應采用適當的預緊力，在保證封網距離被跨物足夠的安全距離前提下，盡量減小預緊力。

c.承載索間距增大，承載索的弧垂和最大張力也明顯增大。架線施工中，承載索間距較大時，應提高封網高度，使封網裝置與被跨物的安全距離得到保障，同時提高承載索的規格以增強承載索的承載能力。

d.承載索直徑增大，承載索的弧垂明顯減小，而最大張力明顯增大。即選擇更大規格的承載索，更能保障封網裝置與被跨物的安全距離，但承載索最大張力會顯著增大，故架線施工中，應綜合兩者因素，選取合適的承載索規格。

e.全封網形式封網結構自重較大，承力索最大張力高于局部封網，因此其對承力索的要求更高，但全封網形式弧垂較小，有利于保障封網裝置與被跨物的安全距離，提高抗沖擊能力。

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[13] 王新敏．ANSYS工程結構數值分析[M]．北京：人民交通出版社，2007．

Mechanics Analysis on Closed Net Structure in UHV Crossing Construction

ZHAO Wei1,HUANG Chengyun2,LUO Benbi3,ZHOU Huanlin1

(1.College of Civil Engineering，Hefei University of Technology，Hefei,Anhui 230009，China;2.Anhui Electric Transformation and Transmission Company，Hefei,Anhui 230022，China;3.State Grid AC Engineering Construction Company，Beijing 100052，China)

Closed net structures of great significance for the protection of the safety of UHV transmission line crossing construction，which has high requirements on construction technology. At present，most of the studies are simplified to single cable. For more in line with the actual state，the influence of insulation rod and net is considered. The model of closed net structure is built by finite element software and the mechanical properties of closed net structure are analyzed in different work conditions.The results show that the sag and tension of carrying cable increase with the increase of span. With the increase of pretension，the sag and the maximum tension of the cable linearly decrease and increase，respectively.With the increase of carrying cable spacing，the sag and maximum tension increase significantly. With the increase of carrying cable diameter，the safe distance between closed net and crossed object is more secure，but the maximum tension increases sharply.The ability of whole closed net arrangement to bear impact load is significantly stronger than that of partial closed net.

crossing construction;closed net;finite element method; sag;tension

國家電網公司科技項目資助(SGHEJY00TGJS1600057)

TM753

A

1004-7913(2017)04-0001-05

趙 維(1992)，男，碩士，主要從事結構工程等方面的研究。

2017-01-24)