基于SolidWorks 的鋼管式跨越架建模方法研究

李志軍，劉 敏，甘利紅，吳 鋼，王志斌

（1.國網湖北省電力有限公司咸寧供電公司，湖北咸寧 437000；2.湖北科技學院工程技術研究院，湖北咸寧 437100）

0 引言

架線是送電線路的重要工序之一，具有技術要求高、施工難度大等特點。在架線施工作業中，跨越是常見的施工工況，從跨越高速公路、電氣化鐵路以及高壓輸電線路，到跨越江河、湖泊以及池塘[1]。當架線施工段有障礙物時，針對障礙物的大小、重要性以及其他條件確定是否搭設跨越架以及搭設跨越架的型式[2]。跨越架是線路施工過程中用來支撐導、地線，臨時通過公路、鐵路、電力線以及弱電線路的架子。按跨越架的材料分為竹竿跨越架、建筑用鋼管搭設的跨越架以及金屬格構式跨越架。鋼管跨式越架由鋼管架、拉線及封網組成。由于鋼管式跨越架使用成本較高，主要應用于高速公路或一、二級公路跨越時使用。文獻［3］研究了鋼管式跨越架的搭設形式、適用范圍以及設計方法。

腳手架是施工現場為方便工人操作，解決垂直和水平運輸而搭設的一種臨時性的建筑工具。其結構種類繁多，包括扣件式、門式鋼管、碗扣式、扣盤式及鋁合金，其中扣件式具有承載力較大、裝拆方便和比較經濟的優點，在鋼管跨越架中應用比較廣泛。文獻［4］簡述了BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）的應用背景，并基于BIM 實現安全腳手架的快速建模。文獻［5］基于Revit 軟件進行了二次開發，實現了腳手架的三維快速建模。文獻［6］介紹了常用連墻件的優缺點，并且基于有限元分析軟件ABAQUS 進行分析。

鋼管式跨越架的有限元分析對于其結構研究非常重要，而模型處理是進行有限元分析的前提。BIM 的主流平臺的提供商包括Autodesk、Bently 以及達索公司。Revit 是Autodesk 公司的建模平臺，作為從設計到建造的全生命周期BIM 平臺[7]。BIM 的專業性強，而SolidWorks 軟件應用范圍廣、建模通用性強以及模型處理等方面具有優勢。因此，本文基于SolidWorks 軟件，結合有限元分析軟件進行鋼管式跨越架的建模方法研究。

1 鋼管式跨越架

常規跨越架采用架體和封頂絕緣網的結合模式，架體的作用是承擔導、地線的放線沖擊，封頂絕緣網的作用是保護落線（圖1）[1]。

圖1 常規跨越架結構

跨越架型式多種多樣，包括單側單排、雙側單排、單側雙排、雙側雙排以及雙側多排。單側單排和雙側單排適用于弱電線、380 V 電力線及鄉間公路；單側雙排適用于35 kV 及以下電力線、重要一級弱電線、公路及鐵路，其高度限制在10 m以下；雙側雙排適用于各種被跨越物，其高度限制在15 m以下；雙側多排根據實際需求進行設計（圖2）[2]。

圖2 跨越架的型式

JGJ 130—2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》中規定了鋼管式腳手架搭設方法、規范要求及注意事項，主要包括立桿、縱橫向水平桿、縱橫向掃地桿及剪刀桿[8]。GB 15831—2006《鋼管腳手架扣件》中扣件按照結構形式分為直角扣件、旋轉扣件和對接扣件[9]。立桿之間采用對接扣件連接；立桿和縱橫向水平桿、縱橫向掃地桿之間采用直角扣件連接；剪刀桿和立桿、縱橫向水平桿、縱橫向掃地桿之間采用旋轉扣件連接。鋼管式跨越架主要由立桿、縱橫向水平桿、縱橫向掃地桿、剪刀桿及羊角撐組成，由鋼管桿件用扣件連接而成的臨時結構架，具有工作可靠、裝拆方便和適應強等優點（圖3）。

圖3 鋼管式跨越架的架體立面結構

2 鋼管式跨越架的三維建模

單側單排、單側雙排型式跨越架結構比較簡單，可以作為其他相對復雜型式跨越架的研究基礎。因此，本文選擇單側單排、單側雙排型式跨越架作為建模分析研究對象。

2.1 建模軟件介紹

常見的三維建模軟件包括SolidWorks、ProE、UG 及CATIA等。根據實踐經驗，SolidWorks 軟件操作簡單，模型處理便捷，處理后的模型導入有限元分析軟件不會出現問題，不需要進一步的對模型進行處理。因此，本文基于SolidWorks 軟件進行鋼管式跨越架的建模方法研究。

SolidWorks 軟件是世界上第一個基于Windows 平臺開發的三維CAD 系統，具有功能強大、易學易用、技術創新三大特點，是主流的、領先的三維CAD 軟件，廣泛應用于航空航天、機械、國防、交通、模具、電子通信、醫療器械、娛樂工業等各個領域。零件、裝配體及工程圖是SolidWorks 軟件系統中的對象。裝配體由若干零件組成，通過配合關系、約束條件組合。工程圖是用來記錄和描述設計結果，是工程設計中的主要檔案文件。

2.2 鋼管式跨越架分析

鋼管式跨越架主要包含兩類零件，一類是鋼管；另一類是扣件，包括直角扣件、旋轉扣件及對接扣件，二者均為標準件。因此，建模重點內容是確定跨越架鋼管的空間相對位置及長度設定。

鋼管規格宜采用外徑48.3 mm，壁厚3.6 mm，材料宜采用GB/T 13793—2016《直縫電焊鋼管》或GB/T 3091—2015《低壓流體輸送用焊接鋼管》中規定的Q235 普通鋼管，質量應符合GB/T 700—2006《碳素結構鋼》的規定[10]。

由扣件的結構特點可知，對接扣件不影響鋼管的空間相對位置，而直角扣件、旋轉扣件影響鋼管的空間相對位置。直角扣件（十字扣），用于兩根呈垂直交叉鋼管的連接，鋼管中心之間的中心距為53 mm（圖4）；旋轉扣件（回轉扣），用于兩根呈任意角度交叉鋼管的連接，鋼管中心之間的中心距為69 mm（圖5）[11]。

圖4 直角扣件

圖5 旋轉扣件

2.3 鋼管式跨越架建模

建立鋼管式跨越架的三維模型并進行簡化處理是進行有限元分析仿真的基礎工作。簡化模型在特定的邊界約束條件和載荷條件下進行求解，可以獲得變形、應變及應力分布云圖等仿真分析結果，作為判定鋼管式跨越架結構是否可以滿足實際應用要求的依據，規避結構設計中的潛在風險。

根據鋼管的結構特點，進行有限元分析時通常鋼管有兩種處理方式：一是按照實體單元（Solid Element）考慮；二是按照梁單元（Beam Element）考慮。因此，鋼管式跨越架在建模方法上形成兩種思路：一種是實體模型；另一種是線體模型。

2.3.1 鋼管式跨越架的實體模型

鋼管式跨越架的實體模型利用SolidWorks 中焊件模塊，采用結構件功能生成，具體軟件操作方法步驟如下：定義鋼管結構件的截面（外徑×壁厚為48.3 mm×3.6 mm），并在SolidWorks 軟件安裝路徑中建立模板，其擴展名為.sldlfp[11-12]。

基于上述影響因素進行綜合設計，排布立桿、水平桿、掃地桿、剪刀桿及羊角撐。首先在零件中建立基準面，然后在基準面內應用2D 草圖和3D 草圖功能繪制鋼管軸線，最后利用焊件模塊中的結構件功能生成鋼管的實體模型。

鋼管式跨越架的實體模型（不包含扣件）如圖6 所示。

圖6 鋼管式跨越架實體模型

2.3.2 鋼管式跨越架的線體模型

利用SolidWorks 中2D 草圖和3D 草圖功能繪制鋼管軸線的草圖，然后基于草圖利用SolidWork 中菜單欄的插入下的曲線功能形成鋼管軸線的線體模型。鋼管式跨越架線體模型導入ANSYS Workbench 軟件后，通過模塊DM（Design Modeler）賦予線體模型截面（Cross Section）。鋼管式跨越架線體模型具體軟件操作方法步驟如下，基于上述影響因素綜合考慮進行設計，排布立桿、水平桿、掃地桿、剪刀桿及羊角撐。首先在零件中建立基準面，然后在基準面內應用2D 草圖和3D 草圖功能繪制鋼管軸線，最后利用插入中的曲線功能生成鋼管的線體模型[11-12]。鋼管式跨越架線體模型（不包含扣件）如圖7 所示。

圖7 鋼管式跨越架線體模型

3 結論

基于SolidWorks 軟件，結合有限元分析軟件ANSYS Workbench，提出了鋼管式跨越架建模的兩種方法，一種是實體模型，另一種是線體模型。通過對比，兩種建模方式的繁簡程度相當，均可高效、高質量地完成鋼管式跨越架的建模工作，為建模工作提供新的思路，為后續鋼管式跨越架的有限元分析研究奠定了堅實基礎，有利于有限元分析方法在電力架線領域中推廣應用。

目前，對于兩種不同的建模方法對鋼管式跨越架的有限元分析結果的是否存在影響，本研究尚未進行驗證，將在后續的研究工作中通過實驗和兩種不同建模方法的仿真結果進行對比分析，進一步驗證不同建模方法的適用性。