大直徑鋼管混凝土輸電塔澆筑過程結構穩定性分析

張必余，劉云飛，朱立明，王靜峰，胡子明

（1.國網安徽送變電工程有限公司，安徽 合肥 230071；2.合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

0 引言

由于我國能源分布極不平衡，因此可以支撐長距離送電的輸電線路將在我國的經濟發展中起到極其重要的作用[1]，近年來在“西電東送、南北互供、全國聯網”的電網建設格局下[2]，遠距離輸電線路的建設如火如荼。隨著特高壓輸電技術的興起，對輸變電架構提出了更高的要求。鋼管混凝土結構由于鋼管與混凝土之間的組合效應，逐漸運用到了大跨越輸電塔的建設過程中。2010年6月，高度為370m 的220kV 舟山與大陸聯網工程輸電塔竣工，該鋼管混凝土輸電塔再次刷新了輸電塔的高度記錄。2020 年5 月，500kV 舟山大跨越工程（380m）落成，與原有舟山大跨越工程相同，為鋼管混凝土桿塔結構，并將輸電塔高度紀錄提高10m，取得了良好的效果。鋼管混凝土結構具有承載力高、塑性和韌性好、制作和施工方便等優點，擁有廣闊的前景，鋼管混凝土桿塔結構是滿足特高壓輸電更高要求的重要技術手段。但是現階段的鋼管混凝土輸電塔主要采用鋼管-鋼骨混凝土作為結構主材，其施工安裝難度大，而素鋼管混凝土的應用較為罕見，相關的施工方法研究較為欠缺。

本文以池州長江大跨越輸電桿塔結構為例，該結構采用素鋼管混凝土-鋼管的組合塔，塔高345m，混凝土澆筑高度為94m，鋼管最大直徑達1.9m。由于混凝土澆筑高度高、澆筑量大，在澆筑過程中將產生較大的施工荷載，相關施工工況驗算方法尚無參考；由于養護條件的限制，大體積混凝土的水化放熱問題不可忽略。本文通過有限元分析法，對大直徑鋼管混凝土桿塔主材澆筑過程中結構的受荷穩定性以及養護過程中水化溫度場進行精細化有限分析，為結構施工方案設計提供參考依據。

1 桿塔澆筑過程結構安全性分析

1.1 工程概況

池州長江大跨越輸電塔（如圖1 所示），跨江點北岸位于銅陵市樅陽縣藕山鎮新開村，南岸位于池州市貴池區秋江街道后新洲。跨越采用“耐-直-直-耐”的跨越方式，檔距分布為581m-2351m-568m。兩岸采用相同的跨越塔和錨塔，跨越塔全高約345m。主管采用C50微膨脹自密實混凝土的泵送灌注，灌注后自然成型。跨越塔混凝土灌注高度（以地面起算）為94m，分兩次灌注，第一次灌注高度約46m，第二次澆筑段高度為48m。單層澆筑高度大，混凝土未成型前對結構產生荷載影響不可預料。

圖1 池州長江大跨越輸電塔

1.2 大直徑鋼管混凝土構件澆筑荷載影響有限元分析

有限元分析作為結構受力分析的常用方法之一，廣泛應用于各類結構的設計過程中，大型結構體系內力分析中往往借助于梁單元，該單元無法體現結構的細部構造應力分布。此外，混凝土澆筑未成型前的液體壓力荷載對節點的影響是桿塔施工安全的關鍵問題，傳統的建模方法無法施加混凝土澆筑流體壓力荷載，為此本文提出了一種不同單元耦合的組合模型，該模型可以展現關鍵節點的受荷情況與整體結構的內力分布。

1.2.1 模型建立

根據塔身設計圖紙，采用ABAQUS大型有限元分析軟件建立1：1 的整體分析模型。根據塔身結構分布，采用三種類型的單元分別模擬主材構件、各斜材與輔材和關鍵節點。其中主材鋼管采用S4R 殼單元進行模擬，關鍵節點各組成部件均采用C3D8R 進行模擬，而各斜材與輔材則采用梁單元進行模擬。采用殼單元和實體單元可以更好地反映荷載的布置情況以及局部的應力集中問題，采用梁單元可以對不重要的節點和構件進行簡化以減少計算成本。

該模型對節點的構造進行細部建模，包含連接節點的內外法蘭板、加勁肋及螺栓等。上下鋼管法蘭之間、螺栓與構件之間采用面面接觸（Surface-tosurface contact），其余部分采用Tie 約束。此外，節點與主材鋼管之間采用殼單元-實體單元耦合約束（Shell-tosolid coupling），斜/輔材與結構采用耦合約束（Coupling）。鋼材采用雙折線模型以及各向同性硬化，結構的主管采用Q420，輔材采用Q355，屈服強度依據《鋼結構設計規范》（GB 50017-2017）[3]確定，8.8級螺栓屈服強度為640MPa。

荷載方面除自重荷載外，通過對鋼管內壁施加凈水壓力來模擬混凝土在澆筑后未成型前的流體狀態下對鋼管內壁的環形壓力。具體施加方法是根據混凝土的高度及容重計算出液體壓力，并通過對殼單元表面施加面荷載，該方法僅適用于殼單元與實體單元，這也是此建模方式的必要性。此外螺栓預緊力按M72 螺栓的推薦預緊力取值，即1438.9kN。

圖2 塔身整體模型

1.2.2 有限元分析結果

本節分析了整體鋼管混凝土輸電塔腿應力分布，如圖3 所示。由計算結果可知，混凝土在澆筑后未成型前對鋼管的環向壓力從上至下逐漸增大，并在接近柱腳時達到最大的34MPa，未達到鋼管屈服強度，對鋼管的影響較小。在液體壓力作用下結構的應力水平較低，對于主材鋼管的影響較小，表明混凝土的濕荷載對于結構來說等級較小。

圖3 桿塔整體應力分布

此外本文分析了鋼管混凝土輸電塔主材連接節點的應力分布情況，如圖4所示。由計算結果可知，節點處鋼管應力較小，而法蘭連接處由于螺栓的預緊力作用，使得螺桿最大應力達439MPa，最大位移為0.27mm，幅度較小。此外，連接節點的法蘭上下截面未脫開，施加的預緊力可以保障節點的穩定，內部混凝土滲漏風險較低，驗證了結構澆筑施工過程中結構的安全性。

圖4 節點應力分布

2 桿塔澆筑過程溫度場數值仿真

大體積混凝土的水化溫度場對混凝土成型的質量至關重要，大型鋼管混凝土輸電塔主管直徑達1.9m，澆筑體積大且養護條件不可控制，采用布置溫度計的方式在密閉的鋼管中難以實現，在以往的工程中由于鋼管混凝土構件的尺寸較小、澆筑長度低，水化放熱問題往往被忽略。混凝土水化放熱行為復雜，水化溫度場的有限元模擬較為罕見。本文基于水化度，通過ABAQUS 用戶子程序UMATHT，實現了鋼管混凝土輸電塔澆筑過程水化溫度場的模擬。

2.1 模型建立

2.1.1 用戶子程序實現

混凝土成型過程中混凝土放熱與水化程度有關，水化程度可以由混凝土的等效齡期定義，而混凝土的導熱系數、比熱等力學指標均與等效齡期相關，基于此該用戶子程序的工作流程為[4]定義混凝土的升溫曲線→根據當前溫度計算此步長的等效齡期→根據等效齡期定義混凝土相關熱學指標參數→根據等效齡期計算當前步的混凝土內能釋放量→計算下一步的溫度場。

混凝土的當前放熱量是混凝土放熱曲線和時間的導數，這是一個明顯的常微分方程求解問題，本文采用向前歐拉法計算，該方法需要控制每一步的步長足夠小，因此本文采用每步長0.1h。

2.1.2 材料性能定義

①混凝土的水化度及等效齡期

混凝土的水化度和等效齡期均是反映混凝土實際水化程度的指標，該指標與養護過程中的實際溫度及反應活化能相關指標，通過文獻[5-6]中提出的公式進行定義。

②混凝土導熱系數

混凝土的導熱系數是混凝土傳熱速率的重要指標，混凝土的導熱系數與其級配、骨料的種類等相關。此外，其導熱系數同樣與混凝土的齡期相關，其可以引用Anton Karel Schindler[7]建立公式：

式中，k(α)表示水化度為α時的導熱系數；ku為最終導熱系數，本文在計算中取8.33。

③比熱容

比熱容是表示單位質量材料熱容量的物理量，同樣比熱主要相關參數為溫度、骨料和含水量，本文依據文獻[8]的公式定義。

④混凝土配合比

根據混凝土的配合比以及上述公式確定材料性能，此外，自密實混凝土總放熱198230kJ/m3，混凝土的具體配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比

2.1.3 有限元模型建立

本節建立超高桿塔大直徑鋼管混凝土一層桿塔混凝土水化熱模擬階段模型，分別建立鋼管及核心混凝土模型，混凝土及鋼管之間兩壁貼合采用Tie約束。外表面根據池州市28 天的天氣預報，采用余弦函數擬合天氣變化曲線。鋼管與空氣的換熱系數與風速相關，本文收集了池州大跨越施工現場的風速數據，確定了換熱系數隨時間的變化關系。

混凝土的澆筑過程是逐步完成的，采用Lagrange 標架下，混凝土的不斷生成是困難的。本文采用生死單元方法混凝土澆筑過程，將核心混凝土沿長度方向劃分為數個分段，每5h 澆筑激活下一段混凝土澆筑段，整個鋼管混凝土的澆筑時間為20h，因此將一個澆筑段劃分為40個段，分別激活，如圖5所示。

圖5 鋼管混凝土澆筑模型示意圖

2.2 有限元分析結果

由于鋼管的導熱系數大，鋼管混凝土的降溫過程加快，因此需提取混凝土澆筑過程中的最大升溫、最大降溫速、最大溫差進行分析，本文提取了有限元模擬結果的各測點（如圖6 所示）溫度曲線繪于圖7。

圖6 水化熱測點

圖7 澆筑溫度變化模擬圖

由圖7所示，最大溫度為53℃、最大升溫33℃、最大溫差為17℃、最大溫降0.3℃/h。相較于養護條件好的混凝土結構，其最大升溫明顯減少，而混凝土的降溫速率稍快但依然在合理范圍內。該鋼管混凝土大跨越桿塔的澆筑施工均是在春夏完成，環境溫度較高，當氣溫較低且環境溫度進一步降低時，混凝土的降溫速率進一步加大，應采用合理的手段保證其養護條件。

3 結論與展望

本文通過有限元分析對混凝土的澆筑過程中所涉及的施工荷載應力場以及水化溫度場進行分析，提出了考慮了細部節點的整體有限元分析模型及基于水化度鋼管混凝澆筑放熱模型，對于大型鋼管混凝土桿塔連續澆筑提供了科學參考。

通過結構荷載位移、應力場的分析在澆筑過程中結構的澆筑濕荷載對鋼結構的荷載影響較小，主管連接節點的預緊力可保證節點的密閉性；通過水化位移場分析，由于養護條件不同，大型鋼管混凝土輸電桿塔的澆筑的水化升溫較小，但結構的降溫速率過快。