輸電線路懸索式跨越架抗沖擊性能影響規(guī)律研究

馬勇， 夏擁軍， 張恒武， 易南健

(1. 中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192；2. 國網(wǎng)湖南省電力有限公司，湖南 長沙 410009)

0 引言

近年來，為解決我國能源分布問題，特高壓工程開展大規(guī)模建設(shè)[1—5]，但其施工安全性不容忽視。架線施工在跨越高鐵、高速公路與重要輸電線路時(shí)，通常會(huì)在導(dǎo)線下方搭設(shè)跨越架來保護(hù)被跨物[6—10]。懸索式跨越架(以下簡(jiǎn)稱跨越架)因比強(qiáng)度大，不受地形影響，故而被廣泛應(yīng)用，但其設(shè)計(jì)通常基于靜力學(xué)方法。在實(shí)際應(yīng)用過程中，導(dǎo)線在斷線或跑線事故工況下將對(duì)跨越架產(chǎn)生高速?zèng)_擊，采用沖擊動(dòng)力學(xué)的方法對(duì)跨越架力學(xué)行為進(jìn)行描述更為準(zhǔn)確，但該方法會(huì)帶來巨大的成本與難度。

跨越架的承載索與絕緣網(wǎng)由不同直徑的超高分子量聚乙烯(ultra high molecular weight polyethylene，UHMWPE)繩組成，UHMWPE因力學(xué)性能優(yōu)異，成功應(yīng)用于航空航天、軍事與醫(yī)療等領(lǐng)域[11—15]。國內(nèi)外研究學(xué)者已開展UHMWPE層合板抗沖擊性能影響研究，Kromm等人[16]對(duì)UHMWPE纖維在不同加載速度和溫度下進(jìn)行了拉伸和蠕變?cè)囼?yàn)，Li等人[17]研究了UHMWPE纖維層壓板在一定應(yīng)變率范圍內(nèi)的單向拉伸性能，推導(dǎo)了材料強(qiáng)度和彈性模量的動(dòng)態(tài)增長因子，孫非等[18]開展了手槍彈對(duì)帶UHMWPE軟防護(hù)明膠靶標(biāo)沖擊效應(yīng)的數(shù)值分析。除此之外，Alex J等人[19]在分子水平出發(fā)研究了基體彈性體的分子動(dòng)力學(xué)對(duì)UHMWPE層合板沖擊變形的影響。目前，關(guān)于跨越架用UHMWPE繩的研究較少，繩編制結(jié)構(gòu)因與層合板完全不同，材料性質(zhì)存在差異。陳保家等[20]僅通過懸鏈線公式進(jìn)行了跨越架承載索線密度與破斷力的定性分析。然而現(xiàn)有仿真方法不夠成熟，跨越技術(shù)參數(shù)對(duì)跨越架抗沖擊影響規(guī)律未深入研究[21]。

因此，文中通過不同直徑UHMWPE繩在一定拉伸速率下的拉伸試驗(yàn)得到其材料屬性，提出UHMWPE繩的沖擊仿真方法，建立UHMWPE繩在一定沖擊載荷下的有限元模型，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證仿真方法的正確性。在此基礎(chǔ)上，建立跨越架參數(shù)化三維模型，系統(tǒng)地開展其在導(dǎo)線斷線和跑線事故工況下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，為今后跨越架基于動(dòng)力學(xué)的設(shè)計(jì)方法與施工提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 跨越架承載索動(dòng)力學(xué)仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

1.1 跨越架的工作原理簡(jiǎn)介

跨越架保護(hù)系統(tǒng)如圖1所示。導(dǎo)線在兩桿塔間的跨越距離一般為300 m左右，鋼絲繩通過一定動(dòng)力將導(dǎo)線從張力側(cè)通過鐵塔引至牽引側(cè)。為防止導(dǎo)線與牽引系統(tǒng)出現(xiàn)故障后砸向被跨越物，在導(dǎo)線與被跨越物之間搭設(shè)跨越架。開展跨越架全尺寸真型試驗(yàn)研究需投入大量時(shí)間、人力與財(cái)力，且導(dǎo)線與牽引板的高空跌落極具危險(xiǎn)性。因此，建立一定跨越距離與落線高度下的承載索動(dòng)力學(xué)仿真模型，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性，進(jìn)而開展跨越架全尺寸模型動(dòng)力學(xué)仿真分析。

圖1 跨越架保護(hù)被跨物原理示意Fig.1 Protection principle sketch of spanning frame

1.2 承載索仿真模型的建立

1.2.1 模型建立

以常用直徑為20 mm的UHMWPE繩作為仿真采用承載索，仿真過程基于懸鏈線理論[22]。設(shè)承載索的張力為3 kN，配重與兩滑車間的跨距為100 m，可計(jì)算得到承載索的空間位置坐標(biāo)。在有限元軟件中，構(gòu)造承載索的數(shù)值模型，如圖2所示。承載索兩端點(diǎn)與轉(zhuǎn)向滑輪中心點(diǎn)進(jìn)行鉸接，配重塊載荷為750 kg，系統(tǒng)重力場(chǎng)設(shè)置為9.8 m/s2，使配重塊垂直提升至跌落高度h，并自由釋放。配重塊在跌落h的高度后將以一定速度帶動(dòng)承載索向下運(yùn)動(dòng)，發(fā)生阻尼振動(dòng)，阻尼系數(shù)通過真型試驗(yàn)承載索的載荷時(shí)程曲線得到為0.2，接觸算法采用常用的懲罰函數(shù)法，載荷跌落過程中記錄承載索鉸接處的應(yīng)力時(shí)程曲線。

圖2 承載索仿真模型Fig.2 Simulation model of loading cable

1.2.2 單元類型

承載索是一根長度約為150 m、直徑為20 mm的UHMWPE繩，屬于典型的大柔度體。承載索在承受橫向作用力時(shí)，不能承受彎矩作用，故不能選擇梁?jiǎn)卧ｈ旒軉卧怀惺茌S向拉力，可將承載索簡(jiǎn)化為有限數(shù)量個(gè)首尾鉸接相連的桁架單元進(jìn)行求解計(jì)算，且桁架單元的計(jì)算效率與精度較高。

1.2.3 材料屬性

UHMWPE繩具有高度非線性本構(gòu)關(guān)系[11]，需開展跨越架外側(cè)承載索、中間承載索與絕緣網(wǎng)用不同直徑UHMWPE繩(直徑分別為22 mm，20 mm，12 mm)的拉伸性能試驗(yàn)。彈性模量隨拉伸載荷的變化而變化。在數(shù)值仿真中，無法簡(jiǎn)單地用一個(gè)彈性模量來刻畫UHMWPE繩的本構(gòu)關(guān)系。因此，模型計(jì)算時(shí)應(yīng)輸入圖3的本構(gòu)關(guān)系。

圖3 材料屬性試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Test results of material properties

1.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，根據(jù)圖2所示承載索仿真模型參數(shù)制定了相應(yīng)的真型試驗(yàn)方案，如圖4所示，其中(a)為試驗(yàn)方案示意圖，(b)為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖。

圖4 驗(yàn)證性試驗(yàn)Fig.4 Verification test

由圖4可知，導(dǎo)向滑輪懸掛于門架，門架通過地錨進(jìn)行錨固。配重塊懸掛于中間門架，配重塊在自由落體達(dá)到與仿真相同的高度時(shí)，將帶動(dòng)承載索進(jìn)行跌落沖擊。此過程通過傳感器記錄載荷時(shí)程曲線，最后對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到應(yīng)力時(shí)程曲線。圖5為承載索張力時(shí)程曲線對(duì)比結(jié)果。

圖5 承載索張力時(shí)程曲線對(duì)比結(jié)果Fig.5 Comparison of tension time history curves of loading cable

由試驗(yàn)結(jié)果可知最大應(yīng)力峰值誤差為0.67%。前2個(gè)時(shí)間周期內(nèi)，試驗(yàn)得到的應(yīng)力幅值、振動(dòng)周期與仿真結(jié)果一致性較好。2個(gè)時(shí)間周期后，試驗(yàn)結(jié)果的應(yīng)力幅值和周期均小于仿真結(jié)果，這是由于試驗(yàn)過程中門架晃動(dòng)耗散了部分動(dòng)能。通過試驗(yàn)得到仿真與試驗(yàn)結(jié)果一致性較好，仿真方法可作為承載索及跨越架動(dòng)力學(xué)響應(yīng)規(guī)律分析。

2 跨越架動(dòng)力學(xué)規(guī)律研究

2.1 計(jì)算工況

影響跨越系統(tǒng)的主要參數(shù)為導(dǎo)線截面、跨越距離與落線高度。目前特高壓直流與交流線路工程常用導(dǎo)線分別為1 250 mm2鋼芯鋁絞線與630 mm2鋼芯鋁絞線，分裂數(shù)為6或8，但一般采用一牽二放線。根據(jù)安規(guī)要求，確定跨越距離為100～500 m，落線高度為5～30 m。為研究跑線和斷線兩種工況下跨越技術(shù)參數(shù)對(duì)跨越架的影響，分析工況見表1。

表1 計(jì)算工況Table 1 Calculating condition

2.2 模型建立

為進(jìn)行模型的快速建立，通過自主研發(fā)的參數(shù)化建模軟件輸入導(dǎo)線截面、跨越距離與表2中幾何參數(shù)，可快速生成三維模型，如圖6所示。斷線工況即為牽引板走到跨越檔中部，鋼絲繩斷開，導(dǎo)線與牽引板一同跌落沖擊；跑線工況即為牽引板走到跨越檔的鄰檔，導(dǎo)線斷開，將斷點(diǎn)設(shè)置于距離滑車5 m的位置，斷點(diǎn)左側(cè)為牽引板與導(dǎo)線，斷點(diǎn)右側(cè)為鋼絲繩。當(dāng)導(dǎo)線在此處斷開后，跨越檔的整檔導(dǎo)線會(huì)沖擊跨越架，這是跑線條件下的最危險(xiǎn)工況。

表2 跨越架的結(jié)構(gòu)參數(shù)值Table 2 Structural parameters of spanning frame

圖6 跨越架沖擊系統(tǒng)三維模型Fig.6 3D Modelfor impact system of spanning frame

2.3 結(jié)果分析與討論

2.3.1 跨越架弧垂變化規(guī)律分析

因仿真過程設(shè)定的是牽引板與導(dǎo)線沖擊跨越架中間位置，因此弧垂變化主要取決于中間承載索。分析整個(gè)沖擊過程可知，首先牽引板沖擊中間承載索到極限位置，如圖7(a)所示。隨后，牽引板從中間承載索上滑落，帶動(dòng)導(dǎo)線纏繞絕緣網(wǎng)，如圖7(b)所示，因牽引板的高速滑落具有隨機(jī)性，導(dǎo)致跨越架的弧垂最大弧垂具有一定的隨機(jī)性。

圖7 牽引板在跨越架上的滑落過程應(yīng)力云圖Fig.7 Slipping process of traction plate on spanning frame

整體而言，弧垂變化均出現(xiàn)2次波峰，牽引板下壓承載索到極限位置導(dǎo)致第一次波峰出現(xiàn)，如圖7(a)所示。牽引板滑落與絕緣網(wǎng)纏繞后繼續(xù)下降，導(dǎo)致第二次波峰，如圖7(b)所示。通過提取仿真結(jié)果中不同落線高度、跨越距離與導(dǎo)線類型中間承載索的弧垂變化，如圖8所示。

圖8 跨越技術(shù)參數(shù)對(duì)跨越架弧垂變化影響規(guī)律Fig.8 Effect of spanning technical parameters on sag change of spanning frame

由圖8(a)的弧垂最大波峰可知，弧垂隨落線高度的增加有增加趨勢(shì)，但在沖擊過程中，牽引板會(huì)在承載索上出現(xiàn)隨機(jī)性滑移，導(dǎo)致規(guī)律變化不明顯，具有一定隨機(jī)性，但整體而言，隨落線高度的變化，弧垂變化在4 m左右。由圖8(b)可知，弧垂最大值隨跨越距離的變化無明顯規(guī)律。由圖8(c)可知，1 250 mm2鋼芯鋁絞線比630 mm2鋼芯鋁絞線導(dǎo)致的跨越架弧垂要大，這是由大截面導(dǎo)線線密度與牽引板重量較大所致。

2.3.2 跨越架受力變化規(guī)律分析

(1) 跨越架受力隨時(shí)間變化。在導(dǎo)線斷線撞擊過程中，跨越架動(dòng)力學(xué)響應(yīng)如圖9所示。

圖9 導(dǎo)線沖擊下跨越架動(dòng)力學(xué)響應(yīng)Fig.9 Dynamic response of spanning frame under impact

由圖9可知，外側(cè)承載索、中間承載索與絕緣網(wǎng)繩受力呈震蕩增加然后減小的趨勢(shì)。在導(dǎo)線斷線撞擊之前，承載索自重產(chǎn)生的初始張力值保持不變；導(dǎo)線沖擊跨越架時(shí)，因沖擊震蕩導(dǎo)致承載索張力在1 s內(nèi)呈波動(dòng)增加；導(dǎo)線完成撞擊后，承載索張力逐漸減小，最后穩(wěn)定在由導(dǎo)線與牽引板自重產(chǎn)生的張力狀態(tài)。

(2) 落線高度的影響。依據(jù)表1中工況1，當(dāng)落線高度從5 m到30 m時(shí)，跨越架各部件荷載結(jié)果見圖10與圖11。

圖10 斷線工況不同落線高度下跨越架動(dòng)力學(xué)響應(yīng)Fig.10 Dynamic response of spanning frame in diffe-rent falling heights under wire breaking condition

圖11 跑線工況不同落線高度下跨越架動(dòng)力學(xué)響應(yīng)Fig.11 Dynamic response of spanning frame in diffe-rent falling heights under wire running condition

由圖10(a)與圖11(a)可知外側(cè)承載索張力、中間承載索張力、絕緣網(wǎng)繩張力與接觸力隨落線高度的增加而單調(diào)增大，并非線性關(guān)系，這是因?yàn)閷?dǎo)線與跨越架屬于高速?zèng)_擊，輸入條件的輕微擾動(dòng)會(huì)造成輸出結(jié)果較大的擾動(dòng)，模型中落線高度不同造成牽引板在跨越架上的初始撞擊位置會(huì)稍有不同，故呈現(xiàn)出結(jié)果的非線性增加。

由圖10(b)與圖11(b)可知，斷線工況下，安全系數(shù)隨落線高度的增加而呈非線性減小，外側(cè)承載索的安全系數(shù)最大，中間承載索安全最小。

(3) 跨越距離的影響。依據(jù)表1工況2，當(dāng)跨越距離從100 m到500 m時(shí)，斷線和跑線工況下，跨越架各部件荷載結(jié)果見圖12與圖13。

圖12 斷線工況不同跨越距離下跨越架動(dòng)力學(xué)響應(yīng)Fig.12 Dynamic response of spanning frame in diffe-rent spanning distances under wire breaking condition

圖13 跑線工況不同跨越距離下跨越架動(dòng)力學(xué)響應(yīng)Fig.13 Dynamic response of spanning frame in diffe-rent spanning distances under wire running condition

由圖12和圖13可知，外側(cè)承載索張力、中間承載索張力、絕緣網(wǎng)繩中的張力與接觸力隨跨越距離的增加，不同跨越距離影響下的張力和安全系數(shù)變化趨勢(shì)與在不同落線高度影響下的趨勢(shì)相似，但張力變化范圍要小于落線高度，即跨越架動(dòng)力學(xué)響應(yīng)對(duì)落線高度的敏感度更高。

(4) 導(dǎo)線截面的影響。依據(jù)表1的工況3，在斷線和跑線工況下，導(dǎo)線截面在630 mm2和1 250 mm22種情況下，跨越架各部件荷載結(jié)果如圖14與圖15所示。

圖14 斷線工況不同截面導(dǎo)線的跨越架動(dòng)力學(xué)響應(yīng)Fig.14 Dynamic response of spanning frame in diffe-rent wire types under wire breaking condition

圖15 跑線工況不同截面導(dǎo)線的跨越架動(dòng)力學(xué)響應(yīng)Fig.15 Dynamic response of spanning frame in diffe-rent wire types under wire running condition

由圖14和圖15可知，1 250 mm2鋼芯鋁絞線導(dǎo)致的跨越架各部件的最大張力要大于630 mm2鋼芯鋁絞線導(dǎo)致的相應(yīng)最大張力，這是由于大截面導(dǎo)線線密度與牽引板重量較大所致，且中間承載索承受張力最大，從安全系數(shù)角度考慮，跨越架在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)優(yōu)先考慮絕緣網(wǎng)和中間承載索。

3 結(jié)論

文中通過對(duì)比承載索動(dòng)力學(xué)仿真模型與試驗(yàn)結(jié)果，確定了跨越架動(dòng)力學(xué)仿真方法，通過跨越架參數(shù)化建模程序開展了主要跨越技術(shù)參數(shù)對(duì)跨越架動(dòng)力學(xué)的響應(yīng)規(guī)律，得到結(jié)論如下：

(1) 建立了基于桁架單元的承載索動(dòng)力學(xué)仿真方法，通過了試驗(yàn)驗(yàn)證，仿真的最小誤差為0.67%，此方法可用于跨越架的動(dòng)力學(xué)仿真分析。

(2) 斷線工況增加了牽引板的沖擊，其對(duì)跨越架產(chǎn)生的沖擊載荷為跑線的2～3倍。因此，跨越架在設(shè)計(jì)或校核時(shí)，應(yīng)著重考慮斷線工況的影響。

(3) 跨越架沖擊載荷隨落線高度和跨越距離的增加而增加，且落線高度的影響大于跨越距離。中間承載索和絕緣網(wǎng)安全系數(shù)較小，跨越架在設(shè)計(jì)或校核時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮這2個(gè)部件。

(4) 1 250 mm2鋼芯鋁絞線較630 mm2鋼芯鋁絞線的線密度、牽引板重量大，故前者對(duì)跨越架沖擊較大，因此，跨越架在設(shè)計(jì)或校核時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮導(dǎo)線截面和牽引板的影響。

(5) 沖擊過程中，牽引板會(huì)在跨越架上滑落，跨越架弧垂隨落線高度的增加有增加趨勢(shì)，但也具有一定隨機(jī)性，其弧垂變化水平在4～4.5 m，故跨越架在設(shè)計(jì)或校核時(shí)應(yīng)考慮弧垂變化的裕度。

文中通過跨越架的小尺度試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真模型的可行性，進(jìn)而通過仿真模型開展了懸索式跨越架的全尺寸模型受力分析，這對(duì)懸索式跨越架的使用具有重要指導(dǎo)意義。今后將開展懸索式跨越架的全尺寸模型試驗(yàn)，進(jìn)一步優(yōu)化仿真模型精度。