自升式可旋轉跨越架設計與性能分析

李 燕， 柳兆濤

(合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

輸電線路跨越施工裝備形式主要有腳手架式(毛竹、木桿和鋼管)跨越架、金屬格構式跨越架、索橋跨越等方式。雖然以上裝備形式和施工方式不同，但都普遍存在著施工工作量大，周期長，費用高和安全隱患大等問題，并且傳統毛竹、木質或鋼管跨越架很難使用ANSYS、Midas等有限元分析軟件對架體模型進行結構分析。因此提出自我式或旋轉跨越架。

1 新型跨越架的研究

1.1 跨越架模型基本結構及參數

跨越架結構由4部分組成，即基礎塔架、頂升套架、橫擔、臂架，基礎為鋼筋混凝土獨立基礎，如圖1所示。基礎塔架由18節1.8m×1.8m×3.0m的標準節組成，標準節的主弦桿采用規格為L160×12，斜腹桿為L100×10，直腹桿為L160×12。頂升套架由2節2.4m×2.4m×3.2m的標準節組成，該跨越架臂架采用的箱型截面，臂架上層寬4m，臂架下層寬2m，臂架上層由2根受拉主弦桿，下層由2根受壓主弦桿組成的結構形式，根據計算要求合理布置斜腹桿。

圖1 新型跨越架示意圖

1.2 計算原則

根據跨越架模型的設計背景，提取出相應計算原則如下：

(1) 跨越架施工組裝的荷載工況(基本風速為10m/s)。包括①荷載工況組合1：1.2×自重+1.4×結構風荷載(+X向)；②荷載工況組合2：1.2×自重+1.4×結構風荷載(+Y向)；③荷載工況組合3：1.2×自重+1.4×結構風荷載(45°偏角)

(2) 跨越架正常工作的荷載工況。包括①荷載工況組合4：1.2×自重+1.3×導線荷載+1.4×結構風荷載(+X向)；②荷載工況組合5：1.2×自重+1.3×導線荷載+1.4×結構風荷載(+Y向)；③荷載工況組合6：1.2×自重+1.3×導線荷載+1.4×結構風荷載(45°偏角)。

1.3 跨越架結構模型

對于新型跨越架，使用MIDAS/gen軟件建立模型，采用梁單元模擬結構主弦桿，桁架單元模擬結構的直腹桿和斜腹桿, 采用板單元(板厚100mm)模擬頂升套架與架體連接處的回轉支承，并施加對應的荷載，進行架體結構的性能分析。模型如圖2所示。

圖2 新型跨越有限元模型

1.4 跨越架計算分析結果

(1) 各工況下的應力比驗算。使用MIDAS/gen進行鋼構件驗算分析，得出跨越架各個桿件在工作工況下的最大應力比，計算結果如表1所列。由表1可知，在各工況下結構各桿件的應力比均滿足文[12]的要求。

表1 跨越架各構件最大應力比值

(2) 各工況下的最大位移。在各工況設計荷載作用下，得到六種工況作用下的結構應力云圖如圖3所示。經求解分別得到跨越架有限元模型在6種工況載荷作用下的結構響應數據，在各工況設計荷載作用下，結構整體應力變化均勻，各桿件都處于線彈性階段。

圖3 各工況下的應力云圖

同時，提取出結構在6種工況作用下的最大應力值，如表2、表3所列。由表可知，臂架上弦桿應力值為正值，即上弦桿承受拉應力；下弦桿應力值為負，說明下弦桿承受壓應力。施工組裝時臂架最大Misess等效應力出現在臂架與標準節連接處上弦桿(工況3)，大小為141.2MPa，標準節最大Mises等效應力出現在標準節的底部(工況3)，大小為-67.6Mpa，。正常工作時臂架最大Misess等效應力出現在臂架與標準節連接處上弦桿(工況6)，大小為167.3MPa，標準節最大Mises等效應力出現在標準節的底部(工況6)，大小為-82.1Mpa，跨越架整體的最大應力值均小于規范中Q345鋼的應力值，滿足新型跨越架的強度要求。

表2 跨越架各構件最大應力值

(3) 各工況下的最大位移。在各工況設計荷載作用下，得到6種工況作用下的結構應力云圖如圖4所示。并提取出新型跨越架長懸臂臂端、短懸臂臂端、標準節頂部等關鍵節點處的位移，如表3、表4所列。

圖4 各工況下的位移云圖

表3 施工工況下跨越架最大位移

由表3可知，在施工工況作用下，跨越架的最大位移發生在長懸臂臂尖處，最大位移量達到402mm，短懸臂臂架和標準節的最大位移量分別為132mm和82mm，可得在施工工況下，跨越架的位移改變量相對較小。由表4可知，在工作工況下，當風荷載的方向與跨越架成45°方向時(即工況6)，長懸臂臂尖的位移比較大，其位移最大值為630mm，當風荷載的方向順著跨越架的方向時(即工況3)，其位移最大值為437mm，各節點處的位移相對于工況6下的位移大大減小。與施工工況相比，跨越架的位移改變量都有相應的增加，并且工作工況下風荷載的施加方向對跨越架位移的改變量影響很小。在實際施工中，如果遇到大風天氣，應把跨越架旋轉至順風向，停止施工；若風級過大，應及時降下跨越架，保證施工階段的安全。

表4 正常工況下跨越架最大位移

(4) 跨越架屈曲分析結果。將自重荷載、導線荷載、風荷載作為變量，對各工況分別進行屈曲失穩分析，并取前4階屈曲模態系數，分析結果如表5所列。

表5 屈曲分析結果

由表5可知，各工況下屈曲失穩系數均大于2.5，不會出現整體失穩和局部失穩。

4 結 論

本文在目前常見的跨越架結構形式及研究方法進行總結的基礎上，提出新型自升式跨越架，并采用MIDAS/gen軟件對新型跨越架的力學性能進行分析，得出以下結論：①根據跨越架整體結構計算結果可知，自升式跨越架的強度、剛度、穩定性均符合設計要求。②自升式跨越架與傳統跨越架相比，跨越架工作高度達到 40 m， 跨越架伸展長度( 單側) 達到40 m，跨越架及配重臂水平面回轉范圍在 0°～360°，占地面積小，節約了土地資源。③自升式跨越架對地形條件要求不高，安裝和拆除工作簡易，不影響被跨越物體正常工作、運行。節約了跨越架線的建設成本，具備良好的經濟效益。④從有限元分析結果，跨越架在各工況荷載下上具有足夠安全裕度，此新型跨越架尚且具有進一步優化的可行性。在應用于實際工程前，應進行合理可信的試驗驗證。

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