特高壓跨越施工封網(wǎng)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

趙 維，黃成云，羅本壁，周煥林

(1．合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)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(wǎng)公司交流建設(shè)分公司，北京 100052)

?

專論

特高壓跨越施工封網(wǎng)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

趙 維1，黃成云2，羅本壁3，周煥林1

(1．合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)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(wǎng)公司交流建設(shè)分公司，北京 100052)

封網(wǎng)結(jié)構(gòu)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(shù)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(tài)更符合，考慮絕緣撐桿及網(wǎng)的影響，利用有限元軟件建立封網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型，對封網(wǎng)結(jié)構(gòu)在不同工況下的力學(xué)性能進行分析。研究結(jié)果表明：隨檔距增大，承載索弧垂和最大張力均增大；隨預(yù)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(wǎng)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(wǎng)形式承受沖擊荷載的能力顯著強于局部封網(wǎng)。

跨越施工；封網(wǎng)；有限元法；弧垂；張力

特高壓工程建設(shè)發(fā)展迅速，線路輸電距離遠，區(qū)域跨度廣，重大交叉跨越多。跨越施工技術(shù)設(shè)計時，須充分考慮封頂網(wǎng)的安全穩(wěn)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(wǎng)跨越施工方式，給出了計算承力索在事故、封網(wǎng)以及初始安裝狀態(tài)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)布置，且選用迪尼瑪繩作為承載索時，跨越檔應(yīng)限制的檔距及鐵塔應(yīng)增加的高度進行計算分析，對跨越檔的設(shè)計參數(shù)提出了建議。文獻[5]對懸索跨越施工所用封頂網(wǎng)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(tǒng)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(wǎng)的結(jié)構(gòu)形式，比較分析了不同形式的優(yōu)缺點與適用條件。

對于封網(wǎng)結(jié)構(gòu)有限元計算，確定其形態(tài)是一個非線性大位移問題。封網(wǎng)結(jié)構(gòu)的形狀確定和預(yù)應(yīng)力分布是一對互相影響的參數(shù)，其工作狀態(tài)的幾何狀態(tài)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(yù)應(yīng)力分布差異的參數(shù)分析，找出了影響索網(wǎng)結(jié)構(gòu)形態(tài)穩(wěn)定的主要因素。文獻[9]推導(dǎo)了索網(wǎng)節(jié)點位移與索元內(nèi)力增量所必須滿足的平衡方程與變形協(xié)調(diào)方程的增量形式，對預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行初始平衡態(tài)以及荷載態(tài)下的節(jié)點位移和索力計算。文獻[10]在索和膜結(jié)構(gòu)幾何非線性分析的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了直接迭代法的基本方程，同時給出了索和膜結(jié)構(gòu)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(wǎng)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(gòu)建跨越施工中封網(wǎng)結(jié)構(gòu)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(tài)和變形情況進行有限元分析，并對計算結(jié)果進行對比分析，總結(jié)出封網(wǎng)結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)的影響規(guī)律，給跨越封網(wǎng)施工提供一定的參考，以期提高跨越施工的安全性。

1 封網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型建立

如圖1所示，一般封網(wǎng)結(jié)構(gòu)由承載索、絕緣尼龍網(wǎng)、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(wǎng)的寬度)，而且在架線中發(fā)生事故狀態(tài)時能承擔(dān)一定長度導(dǎo)線的重量。

圖1 局部封網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)模型

2 力學(xué)分析

封網(wǎng)位置位于整個跨越檔正中間，封網(wǎng)長度取50 m，每隔5 m設(shè)置玻璃桿網(wǎng)撐，整個封網(wǎng)共計11根空心玻璃桿。封網(wǎng)密度為橫向與縱向每隔1 m設(shè)置尼龍繩，編織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。張力放線采用“一牽四”方式，導(dǎo)線規(guī)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(dǎo)線在跨越施工時產(chǎn)生斷裂，發(fā)生事故導(dǎo)線的斷裂端從水平狀態(tài)開始在豎直平面內(nèi)向下擺動，最終撞擊封網(wǎng)結(jié)構(gòu)的端部玻璃撐桿，現(xiàn)取沖擊荷載系數(shù)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(fā)生斷裂事故的跨越檔兩側(cè)的跨越檔內(nèi)，因?qū)Ь€斷裂，導(dǎo)線上原有張力消失，在重力作用下，導(dǎo)線會從原有高度下落，最終落到整個封網(wǎng)結(jié)構(gòu)上。在不考慮導(dǎo)線風(fēng)偏及其他環(huán)境因素影響下，可將導(dǎo)線下落的位置模擬為在封網(wǎng)寬度正中心。

2.1 局部封網(wǎng)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(guān)系曲線分別如圖4、圖5所示。

圖3 局部封網(wǎng)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(fā)現(xiàn)事故荷載增大承載索弧垂和張力，結(jié)合工程經(jīng)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(cè)與橫梁的連接處很容易出現(xiàn)斷裂危險。

2.2 局部封網(wǎng)時預(yù)緊力對弧垂和張力的影響

僅以預(yù)緊力作為變量，以200 m跨越檔距為例，預(yù)緊力與承載索弧垂以及承載索最大張力的關(guān)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(yù)緊力對于弧垂的控制作用減小，沖擊事故工況時，預(yù)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(yù)緊力對承載索弧垂的影響

圖7 預(yù)緊力對承載索最大張力的影響

由圖7可以看出，隨預(yù)緊力增大，承載索弧垂線性減小，最大張力線性增大。故封網(wǎng)裝置安裝過程中應(yīng)采用適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，在保證封網(wǎng)距離被跨物足夠的安全距離前提下，盡量減小預(yù)緊力。

2.3 局部封網(wǎng)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(guān)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(yù)緊力和導(dǎo)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(yīng)提高封網(wǎng)高度，使封網(wǎng)裝置與被跨物的安全距離得到保證，同時提高承載索規(guī)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(wǎng)時跨越檔距對弧垂和張力的影響

采用局部封網(wǎng)時研究跨越檔距對弧垂影響的基本思路，設(shè)定檔距作為單一變量。因雙索全封網(wǎng)形式下，承載索結(jié)構(gòu)和封網(wǎng)結(jié)構(gòu)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(wǎng)形式為全封網(wǎng)結(jié)構(gòu)，封網(wǎng)寬度為8 m，在整個封網(wǎng)長度與封網(wǎng)寬度上，每隔1 m設(shè)1條尼龍繩，編織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，撐桿結(jié)構(gòu)每隔5 m設(shè)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(guān)系曲線分別如圖11、圖12所示。

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

圖10 全封網(wǎng)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(wǎng)和全封網(wǎng)可以看出，對于承載索弧垂和最大張力，局部封網(wǎng)沖擊荷載對封網(wǎng)結(jié)構(gòu)的影響較大，而全封網(wǎng)沖擊荷載對封網(wǎng)結(jié)構(gòu)的影響較小，全封網(wǎng)形式抗沖擊荷載能力更強。

2.5 全封網(wǎng)時承載索規(guī)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(guī)格與承載索弧垂以及承載索最大張力的關(guān)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(yù)緊力和導(dǎo)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(guī)格對承載索弧垂的影響

圖14 承載索規(guī)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(wǎng)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(yīng)綜合兩者因素，選取合適的承載索規(guī)格。

3 結(jié)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(jié)合工程經(jīng)驗，跨越施工一般不宜采用過大的跨越檔距。

b.隨預(yù)緊力增大，承載索弧垂線性減小，最大張力線性增大。故封網(wǎng)裝置安裝過程中應(yīng)采用適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，在保證封網(wǎng)距離被跨物足夠的安全距離前提下，盡量減小預(yù)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(yīng)提高封網(wǎng)高度，使封網(wǎng)裝置與被跨物的安全距離得到保障，同時提高承載索的規(guī)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(guī)格的承載索，更能保障封網(wǎng)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(yīng)綜合兩者因素，選取合適的承載索規(guī)格。

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

[1] 欒 勇．無跨越架跨越施工局部封網(wǎng)承力索受力計算分析[C]．全國架空輸電線路技術(shù)交流研討會，2013．

[2] 李振東，馬洪波．無跨越架帶電跨越施工技術(shù)應(yīng)用[J]．東北電力技術(shù)，2009，30(10)：1-6．

[3] 彭道文．基于ANSYS的接觸網(wǎng)承力索弛度計算[J]．市政技術(shù)，2010，28(1)：43-44．

[4] 李慶林，凌一朋，郭學(xué)聞．無跨越架不停電架線的跨越檔設(shè)計參數(shù)選擇[J]．電力建設(shè)，2009，30(6)：54-57．

[5] 蔡生泉，劉利平．懸索跨越架跨越施工綜述[J]．電力建設(shè)，2007，28(11)：35-38．

[6] 凌一朋，李慶林．對不停電跨越施工安全的探討與建議[J]．電力建設(shè)，2007，28(8)：32-34．

[7] 張 弓，孫偉軍，吳堯成，等．架空送電線路跨越高速鐵路施工技術(shù)[J]．電力建設(shè)，2011，32(9)：94-97．

[8] 余志祥，蔡宏儒．索網(wǎng)結(jié)構(gòu)有限元找形與參數(shù)分析[J]．四川建筑科學(xué)研究，2004，30(2)：13-15．

[9] 韓大建，蘇建華．一種確定預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)結(jié)構(gòu)幾何形狀與索力的方法[J]．工程力學(xué)，2005，22(3)：107-111．

[10] 萬紅霞，吳代華，陳軍明．索和膜結(jié)構(gòu)初始形狀確定的直接迭代法[J]．土木工程與管理學(xué)報，2005，22(2)：86-89．

[11] 周煥廷，袁 健，李國強．索網(wǎng)結(jié)構(gòu)找形分析及其在ANSYS中的實現(xiàn)[J]．水利與建筑工程學(xué)報，2007，5(4)：19-21．

[12] 楊 欽，李承銘．ANSYS索結(jié)構(gòu)找形及懸鏈線的模擬[J]．土木建筑工程信息技術(shù)，2010，2(4)：61-65．

[13] 王新敏．ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)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(wǎng)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(jié)構(gòu)工程等方面的研究。

2017-01-24)