平臂塔式跨越架的結構設計

陳雪松，羅義華，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.安徽省電力公司，安徽 合肥 230009)

跨越架是一種能迅速搭建并跨越一定范圍的架體，其作用是保證輸電線路架線施工時被跨越設施的安全運行。跨越架從最初的腳手架式，發展形成了站立式抱桿、金屬格構式和索橋跨越等多種形式。呂江林[1]等介紹了常用跨越架線施工方法，闡述其工作原理和應用范圍，并對跨越架線施工影響因素進行了分析；王玉華[2]討論了高鐵跨越架結構風荷載計算方法、斷線荷載模擬，提出了新的整體穩定分析方法；石亮[3]等設計了一種安全、穩固、結構輕巧且安裝方便的模塊化輸電線路跨越架；丁晨[4]研發了一種抱桿自立式跨越架，利用了抱桿強度高和抗載能力強的特性；梁益嘉等[5]提出了一種高機動性、能夠快速自動展開的車載移動式跨越架。

平臂自升塔式跨越架的設計借鑒了塔式起重機的結構設計理念。文朝輝等[6]建立了塔式起重機模型，實現了塔式起重機的系列化、規范化力學分析；滕儒民等[7]結合CAD的裝配參數化技術，有效地解決了動臂塔式起重機臂架系統有限元模型參數化的問題；周奇才等[8]提出了基于連續體拓撲優化的桁架結構優化設計方法，實現塔式起重機臂桁架結構腹桿的布局優化；賈潔等[9]以結構橫截面尺寸為優化變量，并對其結構質量最小化進行迭代計算，實現了起重臂結構的輕量化設計，并且提升了臂架強度；包恩和等[10]指出鋼框架局部變形中，柱變形與總變形比值隨柱梁剛度比和梁柱截面高度比的增大而減小；趙維等[11]對跨越架封網結構在不同工況下的力學性能進行分析，總結出封網結構的相關參數的影響規律；高強等[12]以某型式塔機轉臺機構為研究對象，設計了一種均載機構，并進行了動力學仿真計算。

1 工程概況

本文研究的平臂塔式跨越架用于跨越鐵路、公路或已有輸電線路，保證新建輸電線路架線施工時被跨越設施的安全。跨越架主體采用鋼結構，分自立式塔身和橫梁臂架，并配備自升降系統和轉臺機構。可靈活調整跨越架的高度和角度。塔身由標準節組立而成，跨越高度可達60 m；臂架可在空中對接，保護范圍可達120 m；臂架上頂面直接形成1個寬4 m的放線平臺，無需其他封網設施，即可同時完成4根導線的跨越工作。2個跨越架對接后結構形式如圖1所示。

圖1 對接的跨越架

跨越架的設計主要包括結構型式設計、截面尺寸選型和轉臺機構設計3個方面。

2 結構型式設計

2.1 塔身設計

采用上回轉式自升塔式跨越架，塔身固定不動，主要承受軸力荷載。由于上部旋轉而塔身不轉，塔身的受力情況隨臂架的不同方位而在變化，故而采用桁架式塔身結構，并沿塔身高度做成等截面結構。塔身標準節如圖2所示，塔身標準節規格為1.8 m×3 m，最大組合高度為60 m，各節間為螺栓連接。

圖2 標準節

2.2 臂架設計

臂架是跨越架的重要組成部分，承受著跨越架主要的工作載荷。設計了一種箱型截面型式的臂架結構，如圖3所示，臂架標準節的設計長度10 m，由5個2 m段組成，上平面寬4 m，下底寬1.2 m，高度為1.5 m。其中按應力分布的趨勢，臂架主弦桿每10 m設置為一個變截面段，同一區段內的桿件截面參數相同。長臂部分長40 m，由4節臂架標準節組成，短臂和橫擔部分長20 m，由2節臂架標準節組成，各節間為法蘭盤連接。

圖3 臂架

3 截面選型

跨越架實際應用時，作業人員首先在被跨越的設施兩側地面上進行跨越架的組立安裝，跨越架可根據被跨越設施實際情況，通過頂升套架上的液壓裝置，逐步完成塔身標準節的連接，將臂架升至預期高度。跨越架主體立柱部分安裝完畢后，可通過操作轉臺機構，將兩側長懸臂架在被跨越設施上方連為一體，格構式臂架上頂面直接形成放線平臺，起到硬封網作用。

采用上述結構設計方案分別建立了施工安裝時的單個平臂塔式跨越架有限元模型(見圖4)和對接后的跨越架有限元模型(見圖5)，其中梁單元模擬跨越架的主弦桿，桿單元模擬跨越架的輔材，分析不同荷載組合作用下的結構響應。

圖4 單個跨越架模型

圖5 對接的跨越架模型

根據《起重機設計規范》(GB/T 3811—2008)要求[13]，平臂塔式跨越架按極限狀態設計法，跨越架體主要承受自重荷載、配重荷載、導線荷載和風荷載。其中風荷載分為正常工作風荷載(風速為10 m/s)和極限大風荷載(風速為27 m/s)，并要求跨越架結構在大風工況下能保證結構安全、不發生傾覆事故，在正常工作工況下跨越架結構的變形能滿足跨越放線施工的要求，其結構荷載如表1所示。

表1 架體荷載

3.1 塔身截面選型

塔身由標準節組立而成，因此只需優化一個標準節內的桿件截面型號。標準節主弦桿編為1號，直腹桿編為2號，中間斜腹桿編為3號，如圖2所示。塔身標準節主要承受軸力作用，為了滿足構件的穩定性和施工組裝方便快捷的要求，應優先考慮等邊角鋼的截面型式。參考《起重機設計規范》(GB/T 3811—2008)對長細比和應力的限值要求[13]，對跨越架結構模型進行鋼構件驗算分析，對型鋼庫的角鋼進行優選，塔身標準節截面選型結果如表2所示。

表2 塔身標準節選型結果

3.2 臂架截面選型

臂架結構采用變截面結構設計，每段標準節的截面型號都不相同，考慮臂架桿件較多，不宜將每個桿件的截面屬性設為變量，基于結構的受力特點和初步的計算結果，將同一位置及功能相近的桿件分組歸并。如圖6所示，從臂尖到塔身處，分別編號為1、2、3、4，短懸臂編號為5，長懸臂輔材編為6，短懸臂輔材編為7。依據截面選型優化設計方法，確定臂架各部分結構型鋼型號，臂架選型結果如表3所示。

圖6 臂架桿件編號

表3 臂架標準節選型結果

在上述選型基礎上，對結構的整體安全性也經過校核，符合要求。

4 轉臺機構設計

根據塔式起重機的回轉結構形式，設計了一種雙回轉式轉臺機構，即對稱布置一對行星小齒輪，其中輸出的小齒輪作為行星齒輪圍繞著齒圈做回轉運動。該轉臺機構包括上支座、下支座和回轉支承3個部分。

4.1 轉臺模型

建立轉臺的三維有限元模型如圖7所示。轉臺彈性模量為E=2.06×105MPa，泊松比γ=0.3，密度ρ=7.8×10-3kg/mm3，采用四面體實體單元模擬回轉支承，殼單元模擬上、下支座。在仿真模擬中，齒圈與下支座、回轉支承與上支座、下支座與塔身主弦桿固接，并在齒輪間定義接觸約束模擬齒輪嚙合運動。

圖7 轉臺模型

轉臺的受力復雜，全部荷載包括起升平面內的懸臂自重、導線荷載以及作用在轉臺回轉平面內水平方向上的風力、回轉過程中產生的扭矩等。計算時，主要考慮垂直力、扭矩和彎矩對轉臺的共同作用，并選擇對跨越架最不利的工況(在最不利工況下，轉臺機構一邊承受155.8 kN壓力，一邊承受82.8 kN拉力)進行分析計算，平臂自升塔式跨越架轉臺載荷如表4所示。

表4 回轉過程中轉臺荷載

4.2 計算結果

轉臺應力如圖8所示，高應力區集中在上支座的上、下蓋板以及肋板與主弦受壓一側對稱線附近以及下支座的下蓋板、肋板與主弦支腿受壓一側的對稱線附近。其中，上支座上蓋板的最大應力為75.02 MPa，下蓋板的最大應力為110.15 MPa，轉臺下支座上蓋板的高應力區發生在主弦支腿受壓一側附近，最大應力值為88.54 MPa。下蓋板高應力區發生在主弦支腿受壓一側的對角線上，其最大應力值為81.29 MPa。轉臺最大應力在下支座肋板與上蓋板受壓側的交接處，其應力值為200.01 MPa，均低于材料的屈服極限。

轉臺變形最大點發生在上支座受壓一側主弦懸臂端，最大變形為0.3 mm，滿足轉臺機構剛度大、承載力強的要求，轉臺的位移見圖9。

圖8 應力云圖

圖9 位移云圖

5 結論

以平臂塔式跨越架為研究對象，完成了跨越架結構型式設計、截面尺寸選型以及轉臺機構3個部分結構設計。基于起重機空間桁架結構特點，完成了塔身和臂架標準節結構設計，臂架可直接作為封網結構，避免傳統跨越施工的封網時間和費用；完成了塔身和臂架截面優化選型，跨越架結構的位移、應力等符合安全要求；設計了一種雙回轉式轉臺機構，轉臺受力合理，保證塔架回轉過程中的平穩性。該塔架結構在輸電導線跨越架線工程中可發揮重要的安全防護作用，具有一定的應用和推廣價值。