基于載重飛艇的整體立塔技術仿真研究

摘要：在輸電鐵塔的施工中，懸浮抱桿組塔和整體起吊組塔是目前應用廣泛的兩種組塔方式。針對這些組塔方式存在人員高空作業風險和大重型裝備無法到達山區施工現場等問題，提出一種基于載重飛艇的整體立塔方案。該方案在地面完成整個輸電鐵塔的組裝后，利用載重飛艇提供牽引力，使輸電鐵塔繞鉸接式結構旋轉直至豎立。針對立塔全過程，根據飛艇的牽引方式、飛行速度、飛艇牽引力與鐵塔所形成的夾角對鐵塔應力和應變的影響等，分為三種方案進行仿真研究。仿真結果表明，該整體立塔技術方案安全可靠，避免了人員高空作業的危險性，且能使大重型設備到達山區作業現場。

關鍵詞：載重飛艇；山區施工；仿真研究；整體立塔

中圖分類號：TM754 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.06.002

文章編號：1006-0316 （2024） 06-0009-06

Research on Simulation of Integral"Tower Erection"Technology Based on Heavy-Lift Airship

ZHAO"Xingyan¹，FAN Jiayuan²，WANG"Jie³，HUANG"Jigang³，ZHANG"Bin³，CHEN"Zhuoxi³，ZHANG"Rui¹

（"1."Meishan Power Supply Company，"State Grid Sichuan Electric Power Company，"Chengdu 610065， China;"2. Information and Telecommunication Company，"State Grid Sichuan Electric Power Company， Chengdu 610065， China;"3. School of Mechanical Engineering， Sichuan University， Chengdu 610065， China"）

Abstract：In the construction of transmission towers， the suspension tower erection"and the whole lifting tower erection"are the two main tower formation methods widely used. However， there are problems such as the risk of personnel working at high altitudes and the inability of transporting"large heavy equipment to the construction sites"in mountainous areas. In order to avoid these problems， this paper puts forward an integral"tower erection scheme based on heavy-lift"airship."After the assembly of the entire transmission tower on the ground， the heavy-lift airship is used to provide traction to rotate the transmission tower along the articulated structure until it is erected. In"the process of tower erection， three simulation schemes"are conducted"according to how"the traction mode，"the flight speed and the included angle"between"the"traction"force"and"the"tower"affect"the"tower’s"stress"and"deformation."It"is"found that the integral tower erection"technique is safe and reliable， mitigating the risks of"high-altitude work and"enabling"the"transportation"of"large heavy equipment"to"mountainous"construction sites.

Key words：heavy-lift airship；mountainous construction；simulation research；integral"tower erection

在電塔組立施工中，懸浮抱桿組塔^[1-2]和大型起吊設備整體立塔^[3-4]是常用的兩種施工方案。其中，懸浮抱桿組塔需要施工人員進行大量高空作業，存在較大的安全隱患，且施工周期較長，組塔效率低下^[5-6]。利用大型起吊設備能夠完成鐵塔的整體組立，但由于大型起吊設備難以運輸，因此該方案僅適用于道路條件較好的平原地區的電塔組立施工^[7]。

由于山區地形復雜、道路條件差，大重型起吊設備難以到達施工現場，而依靠過度砍伐來新造運輸線路不僅耗資巨大，且會破壞生態環境，不符合環保施工理念。因此，在山區地形不宜采用大型起吊設備進行整體立塔。另外，山區中存在的惡劣天氣，如大霧、大風等，進一步放大了懸浮抱桿組塔方案中高空作業的安全隱患問題，難以完全保障施工安全^[8-9]。同時，由于目前的組塔施工缺乏針對鐵塔及關鍵施工部件進行科學的受力及變形計算分析，還存在過載及變形過大等隱患^[10-11]。此外，對關鍵結構的研究也非常重要^[12-14]。

綜上，對于山區地形的組塔施工，亟需研究一種不涉及高空作業，且不依賴大重型起吊設備的輸電鐵塔組立施工技術^[15-16]。因此，本文提出一種新型組塔方式，并研究了其施工關鍵技術。

1 整體方案

1.1 整體立塔方案

如圖1所示，該整體立塔方案采用系留無動力飛艇，完全利用氦氣的浮力實現鐵塔起吊。通過地面卷揚機建立自平衡系統完成氣球浮力平衡。塔身通過鉸接結構和塔基基礎相連接，限制立塔過程中塔身的自由度。卷揚機A、B、C、D與飛艇鏈接，E與鐵塔鏈接。立塔時，卷揚機A緩慢釋放纜繩，飛艇利用浮力起吊鐵塔，卷揚機B、C、D分別置于鐵塔兩側，限制飛艇的位置。當鐵塔立起60°以上時，卷揚機E開始收緊，防止鐵塔由于自身重力產生沖擊，直至塔體與塔基水平面互相垂直且塔腳板預設孔與塔基預埋螺釘完全對位，然后緩慢放下塔身，鎖緊螺釘，完成立塔全過程。

1.2 鉸接式結構

如圖2所示，鉸接式立塔鉸鏈結構包括設在塔基基礎同一側上的一對一號槽，一號槽側壁還設有二號槽，二號槽以及塔基基礎另外相對的同一側上均設有預埋螺栓開孔，預埋螺栓開孔內設有預埋螺栓。鉸鏈結構包括下合頁和上合頁，下合頁和上合頁鉸接。下合頁安裝在二號槽內，下合頁和上合頁鉸接軸位于一號槽內。下合頁上設有壓力感應器，上合頁上設有螺栓孔。該設計在設置鉸鏈提升立塔穩定性的同時，不會對塔基基礎進行過大的修改，符合國家電網對于塔基基礎的施工要求。整體改動主要是在開槽的部分以及鉸鏈結構部分，預埋地腳螺釘以及壓力感應控制彈簧送出螺釘將塔腳板和塔基相連，便于施工。

2 仿真方案

鐵塔于地面組裝完成，平躺在地面上，靠近地面的兩只塔腳板通過鉸鏈式結構與塔基連接起來，氣球通過吊繩與鐵塔相連，氣球牽引使得鐵塔繞著鉸鏈式結構中軸旋轉，從而達到立塔的目的。考慮到飛艇牽引力與鐵塔所形成的拉力角θ對鐵塔應力、應變及變形的影響，將仿真方案分為三種。

2.1 方案一

飛艇保持不動，始終位于塔基正上方50 m處，拉力角θ隨著鐵塔的旋轉而時刻改變。立塔速度為4°/min，如圖3所示。

根據吊點的不同分為三種情況：①鐵塔頂部單獨受力，即吊繩連接在鐵塔頂部型材處；②上橫擔核心和下橫擔核心共同受力，即吊繩連接在鐵塔兩橫擔處，這樣可分擔受力、減小吊點處應力；③鐵塔頂部和上橫擔核心共同受力，即吊繩連接在鐵塔頂部和上橫擔處。同時，選取鐵塔旋轉角度為0°、15°、30°、45°和60°五個位置處進行靜力學仿真和瞬態仿真。這樣總共將方案一仿真工況分為了3種吊點位置×5個典型角度＝15種仿真工況。每種仿真工況都進行靜力學仿真和瞬態仿真，并輸出對應的應力、應變和變形云圖。

2.2 方案二

飛艇保持不動，始終位于塔基正上方100米處，立塔速度為4°/min。如圖4所示。工況數量和仿真內容與方案一相同。

2.3 方案三

飛艇初始時刻位于鐵塔塔尖正上方50 m處，隨后以4 m/min的速度沿水平方向作直線運動，拉力角θ在立塔過程中不斷變化，如圖5所示。工況數量和仿真內容與方案一相同。

3 仿真結果

3.1 方案一結果

對采用方案一的3組吊點、5組角度組成的15種工況進行仿真，結果如表1、圖6所示。可以看出，最大應力值為324 MPa，小于Q345的許用應力值345 MPa；最大應變值為0.00160，小于Q345彈性應變0.0017；對應吊點為塔頂部單獨受力且角度為0°時的工況。

3.2 方案二結果

對采用方案二的3組吊點、5組角度組成的15種工況進行仿真，結果如表2、圖7所示。可以看出，最大應力值為293.29 MPa，小于Q345的許用應力值345 MPa；最大應變值為0.0016，小于Q345彈性應變0.0017；對應吊點為塔頂部單獨受力且角度為0°時的工況。

3.3 方案三結果

對采用方案三的3組吊點、5組角度組成的15種工況進行仿真，結果如表3、圖8所示。可以看出，最大應力值為321 MPa，小于Q345的許用應力值345 MPa；最大應變值為0.0016，小于Q345彈性應變0.0017；對應吊點為塔頂部單獨受力且角度為0°時的工況。

4 結論

提出一種地面組塔、飛艇/系留氣球結合卷揚機整體立塔的方案。該方案在地面完成整體組塔，通過飛艇/系留氣球短距離運輸到達第一施工現場，然后通過鉸接式鉸鏈連接結構將鐵塔一側塔腳板與塔基連接，用于限制塔體起吊過程中的自由度，利用飛艇/系留氣球作為動力源，提供鐵塔起吊的垂直上升力，配合卷揚機通過自平衡系統實現飛艇/系留氣球整體穩定立塔。對于整個立塔過程中的鐵塔、鉸鏈等的受力情況，分析仿真結果得到以下結論：

（1）起吊速度對所需拉力、塔體及鉸鏈的受力與變形影響不大；所有情況下，均未發現塑性變形。

（2）吊點為塔頂處時，所需系留氣球拉力小，但鉸鏈受力最大，需采用高強度塔腳板和鉸鏈材料；塔體變形也最大。

（3）吊點為上橫擔和下橫擔時，所需拉力大，塔體與鉸鏈變形最小。

（4）當起吊方向沿垂直方向時，系留氣球承載能力需為1.9 t（鐵塔自重為3.658 t）。

（5）當起吊方向沿垂直方向時，塔基所受橫向力與鐵塔角度相關，為先變大后減小；也與吊點位置相關，吊點越靠近塔頂，橫向力越小。

（6）吊點為塔頂部時，鉸鏈處受力大，存在應力集中，需要增大塔腳板與鉸鏈的強度；無塑性變形。吊點為上橫擔和下橫擔處時，鉸鏈處受力適中，無塑性變形。吊點為塔頂和上橫擔處時，鉸鏈處受力較大，無塑性變形。

該方案不僅能夠避免施工人員的高空作業，從技術層面提高安全性，同時也解決了大重型設備難以到達山區作業現場的難題，做到了環保高效、安全經濟，具有工程實際意義及較好的應用發展前景。

參考文獻：

[1]張婧楠，薛志宏."內拉線懸浮式抱桿鐵塔組立技術[J]."安裝，2023（8）：15-17.

[2]袁勇."供電工程內拉線懸浮式抱桿鐵塔組立施工技術[J]."延安職業技術學院學報，2022，36（1）：105-108.

[3]趙要遠. QTZ63型塔式起重機獨立立塔安裝技術[J]. 工程機械與維修，2021（5）：152-153.

[4]朱明. TC7030塔式起重機獨立立塔安裝技術解析[J]. 技術與市場，2020，27（12）：47-50.

[5]蔣理想，沈健，李偉，等."小型座地搖臂抱桿機械化組塔工法的應用[J]."工程技術研究，2023，8（23）：107-109.

[6]夏擁軍，倪達，張亞迪."組合式復合材料新型抱桿組塔技術[J].浙江電力，2016，35（1）：23-26，34.

[7]王春林，靳義奎，張君，等. ±1100kV特高壓直流輸電線路鐵塔吊車組立方案優化及應用[J]. 青海電力，2019，38（1）：44-47.

[8]汪濤，胡國輝，李琛，等. 風荷載作用下輸電鐵塔承載性能建模分析[J]. 機械設計與制造工程，2023，52（9）：25-29.

[9]姜嵐，別一格，黃雄峰，等."風載條件下內懸浮外拉線抱桿組塔吊裝仿真分析[J]."特種結構，2023，40（6）：46-51.

[10]蒙博斌，馬海鵬，田帥，等. 基于有限元方法的鐵塔結構虛擬仿真分析試驗[J]. 實驗技術與管理，2023，40（11）：116-122.

[11]徐福英，許可芳，雒曉兵. 基于ANSYS的鐵塔結構振動分析[J]. 科技資訊，2013（31）：98-99.

[12]姜嵐，王茜雯，唐波，等. 考慮多評價指標的輸電鐵塔結構重要構件判別方法[J]. 國外電子測量技術，2023，42（12）：49-56.

[13]黃曉予，阮筱菲，陳俊. 淺析輸電鐵塔結構加固方法[J]. 能源與環境，2022（5）：29-31.

[14]張德強."220kV架空線路鐵塔組立中的關鍵技術研究[J]."電氣技術與經濟，2023（9）：83-85，109.

[15]于建華. 立塔全過程保護技術及應用[J]. 電工技術，2020（4）：105-106，109.

[16]陳誠. 淺析輸電鐵塔立塔次序對立塔施工的影響[J]. 企業技術開發，2018，37（9）：66-68.