基于系留氣球的整體立塔技術(shù)仿真研究和真型試驗(yàn)

摘要：針對傳統(tǒng)的組立塔方式作業(yè)不便、風(fēng)險大、效率低、受風(fēng)力影響大的缺點(diǎn)，為提高立塔施工效率、減少安全隱患、降低財產(chǎn)損失，提出一種基于系留氣球吊裝的輸電鐵塔整體組立塔方案。首先根據(jù)吊點(diǎn)位置分為頂部、上下橫擔(dān)核心、頂部和上橫擔(dān)核心三種不同的吊裝方式，在立塔速度分別為2 （°）/min、4 （°）/min、8 （°）/min的三種不同工況下，選取鐵塔旋轉(zhuǎn)角度為0°、15°、30°、45°和60°五個位置處進(jìn)行靜力學(xué)仿真和瞬態(tài)仿真，確定最佳立塔施工工藝。然后根據(jù)仿真得出的最佳立塔施工工藝對在地面整體組裝的等比縮小鐵塔進(jìn)行現(xiàn)場真型試驗(yàn)，對系留氣球的整體立塔技術(shù)方案進(jìn)行驗(yàn)證。最后利用系留氣球?qū)㈣F塔再次放倒，檢驗(yàn)鐵塔是否發(fā)生塑性變形。結(jié)果表明：提出的系留氣球的整體立塔技術(shù)方案能夠?qū)崿F(xiàn)輸電鐵塔的整體組立塔，能夠避免施工人員的高空作業(yè)，可提高組立塔效率。

關(guān)鍵詞：系留氣球；整體立塔；仿真研究；真型試驗(yàn)

中圖分類號：TM754""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""""""""""""""""" doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2025.01.001

文章編號：1006-0316 （2025） 01-0001-07

Monolithic Tower Technology Based on Tethered BalloonsSimulationResearch and True Type Test

Abstract：Aiming at the traditional suspension pole group erection of the towers mode operation inconvenience， high risk， low efficiency， by the wind influence of the shortcomings， in order to improve the erection of the tower construction efficiency， reduce the safety hazards and the loss of property， presents a monolithic tower erection strategy based on tether balloons. First of all， according to the location of the lifting point is divided into the top， the upper and lower cross-bearing core， the top and upper cross-bearing core of three different lifting methods， in the tower speed of 2 （°）/min， 4 （°）/min， 8 （°）/min of three different working conditions， respectively， the tower was selected to rotate at an angle of 0°， 15°， 30°， 45° and 60° of the five positions for the static simulation and transient simulation， to determine the optimal tower construction process. Then according to the optimal tower construction process derived from the simulation ， the monolithic assembly on the ground of the isometric reduction of the tower on-site true-type was tested， to validate the monolithic tower technical solution for stay-tethered balloons. Finally， the tethered balloon was utilized to lower the tower again to test for plastic deformation of the tower. The results show that： the proposed monolithic tower erection strategy based on tether balloons can realize the erection of the towers， can avoid the construction personnel's high altitude operation.

Key words：tethered balloon；monolithic tower；simulation research；true type

輸電鐵塔是輸電系統(tǒng)中的重要組成部分，承載著輸電線路，將電力輸送到千家萬戶。輸電鐵塔的高度取決于電壓等級與地形條件，一般在幾十米到幾百米不等。而輸電鐵塔的組立塔施工是輸電線路建設(shè)的必經(jīng)之路，組立塔指的是將輸電鐵塔的各個部件組裝起來，以搭建承載輸電線路的輸電鐵塔，不同的地形往往意味著需要選用不同的組立塔施工方案[1]，常用的有五種組立塔方案，分別是座地?fù)u臂抱桿[2-3]、雙平臂抱桿、單動臂抱桿[4]、懸浮抱桿[5-6]和整體起吊組塔[7]方案。安全始終是施工的第一準(zhǔn)則，因此，國內(nèi)不乏學(xué)者對安全組立塔進(jìn)行研究，并總結(jié)安全施工的注意事項(xiàng)[8]。此外，范舟等[9]對組立塔受力過程進(jìn)行了分析，張邦勝[10]提出了組塔受力的計(jì)算方法，為研究安全組立塔技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。另外，整體起吊組塔雖避免了諸多高空作業(yè)的安全隱患，但由于地形因素往往難以到達(dá)施工現(xiàn)場[11]。目前的組立塔方案有著效率低、安全隱患多、風(fēng)險大、操作不便、受環(huán)境影響大等缺點(diǎn)，因此，需要探索一種新型的組塔方式，以避免高空作業(yè)風(fēng)險、大重型裝備無法到達(dá)山區(qū)施工現(xiàn)場等問題。

由于各種地理和環(huán)境條件，輸電鐵塔的設(shè)計(jì)需要更加靈活，無論是跨越高山還是穿越河流，輸電鐵塔都必須確保線路安全和穩(wěn)定運(yùn)行[12]。目前的組塔施工缺乏針對鐵塔及關(guān)鍵施工部件進(jìn)行科學(xué)的受力及變形計(jì)算分析[13-14]。針對輸電鐵塔的仿真分析，一般基于載荷作用，而針對組立塔施工環(huán)節(jié)的仿真分析仍存有大量空白。

由此，針對輸電鐵塔組立塔施工方案，本文基于有限元仿真提出了一種系留氣球的整體立塔方案。不同于常見的組立塔方案[15]，本方案在地面上完成輸電鐵塔的組裝，利用氦氣球的浮力，以氦氣球作為系留氣球，控制系留氣球的運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)組裝后輸電鐵塔的立塔與定位。為保證方案的科學(xué)性與合理性，本文首先對組立塔環(huán)節(jié)進(jìn)行了仿真，分析仿真結(jié)果得到最佳組立塔方案后再進(jìn)行真型試驗(yàn)以驗(yàn)證組立塔方案的可靠性。結(jié)果表明該方案能快速、安全地完成輸電鐵塔的組立施工，為輸電鐵塔的組立提供了一種新的施工方案。

1 有限元仿真研究

1.1 有限元分析基礎(chǔ)

靜力學(xué)分析研究是指載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)[16]，如位移、應(yīng)力、應(yīng)變等。其主要理論基礎(chǔ)是彈性力學(xué)，通過建立力學(xué)方程、幾何方程和物理方程[17]，結(jié)合已知邊界條件推導(dǎo)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。其中力平衡方程為：

式中：σxx、σyy、σzz為各方向的正應(yīng)力；τxy、τxz、τyx、τyz、τzx、τzy為各方向的剪應(yīng)力；fx、fy、fz為各方向的外力合。

幾何方程為：

式中：εx、εy、εz為各方向的正應(yīng)變；γyz、γxz、γxy為yz夾角、xz夾角、xy夾角的剪應(yīng)變；u、v、w分別為x、y、z方向的位移。

物理方程為：

式中：εx、εy、εz為各方向的正應(yīng)變；E為楊氏模量；μ為泊松比。

由于采用系留氣球整體立塔，因此立塔過程中結(jié)構(gòu)不能發(fā)生彎曲變形，更不能存在材料的斷裂情況，依據(jù)第四強(qiáng)度理論對系留氣球整體立塔過程中的靜強(qiáng)度進(jìn)行校核，von Miss等效應(yīng)力表達(dá)式如下：

式中：為等效應(yīng)力；、、分別為第一、二、三主應(yīng)力。

材料所受等效應(yīng)力應(yīng)小于許用應(yīng)力極限，。

輸電鐵塔采用Solidworks建模并導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行仿真的預(yù)處理。仿真材料采用Q235，許用應(yīng)力值為345 MPa，許用應(yīng)變值為0.0017，采用式（4）得到輸電鐵塔組立過程中的關(guān)鍵部位等效應(yīng)力，并依據(jù)第四強(qiáng)度理論判斷關(guān)鍵部位應(yīng)力值是否符合安全標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 仿真方案

如圖1所示，氣球通過牽引繩與鐵塔連接，牽引力始終保持在與鐵塔的垂直線上，仿真氣球?qū)㈣F塔從平躺牽引至垂直地面的全過程。仿真研究選取35 kV輸電鐵塔，塔重約3.4 t，高30 m。

如圖2所示，根據(jù)吊點(diǎn)不同分為三種情況：

（1）圖2（a），鐵塔頂部單獨(dú)受力，即牽引繩連接在鐵塔頂部型材處；

（2）圖2（b），上橫擔(dān)核心和下橫擔(dān)核心共同受力，即牽引繩連接在鐵塔兩橫擔(dān)處；

（3）圖2（c），鐵塔頂部和上橫擔(dān)核心共同受力，即牽引繩連接在鐵塔頂部和上橫擔(dān)處。

選取鐵塔的旋轉(zhuǎn)角度為0°、15°、30°、45°和60°五個位置、立塔速度也分為2 （°）/min、""""" 4 （°）/min、8 （°）/min三種不同的工況。共將仿真工況分為了3種吊點(diǎn)位置×5個典型角度×3中立塔速度＝45種仿真工況，每種仿真工況都進(jìn)行瞬態(tài)仿真。不考慮速度，3種吊點(diǎn)位置×5個典型角度＝15種仿真工況，每種仿真工況都進(jìn)行靜力學(xué)仿真。

仿真邊界條件依據(jù)圖1設(shè)置，不同方案區(qū)別僅為系留氣球與鐵塔連接部位不同，系留氣球拉力設(shè)置為始終與塔身垂直，在不考慮風(fēng)載的情況下，將鐵塔一側(cè)的兩個踏腳限制鐵塔自由度為僅能旋轉(zhuǎn)。鐵塔根據(jù)上述立塔速度分別進(jìn)行仿真，并根據(jù)上述五個不同角度位置、三種不同立塔速度分別設(shè)置仿真邊界條件。

1.3 仿真結(jié)果

根據(jù)仿真方案，在ANSYS軟件上對所述工況進(jìn)行仿真，仿真應(yīng)力結(jié)果如表1、表2所示，應(yīng)變結(jié)果如表3、表4所示，相對變形結(jié)果如表5、表6所示。

結(jié)果顯示，靜態(tài)、動態(tài)仿真中，應(yīng)力、應(yīng)變、變形的最小值均出現(xiàn)在上、下橫擔(dān)核心受力的吊裝方式。應(yīng)力仿真結(jié)果顯示在各工況下，上、下橫擔(dān)核心受力的吊裝方式所受應(yīng)力均小于其他兩種吊裝方式，應(yīng)變、變形仿真結(jié)果均顯示出相同結(jié)果。在仿真結(jié)果中，應(yīng)力應(yīng)變仿真最大值分別為293 MPa、0.0016均未突破所用材料Q235的許用應(yīng)力值345 MPa和許用應(yīng)變值0.0017。

吊裝方式為上、下橫擔(dān)核心受力的仿真結(jié)果云圖如圖3所示，其最大應(yīng)力出現(xiàn)在吊裝部位，未超過許用應(yīng)力值。因此，根據(jù)仿真結(jié)果，應(yīng)采用吊裝方式為上、下橫擔(dān)核心受力對等比縮小的鐵塔進(jìn)行整體立塔的真型試驗(yàn)。

2 現(xiàn)場真型試驗(yàn)

2.1 基于系留氣球的整體立塔方案

根據(jù)仿真分析結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)觞c(diǎn)布置在上、下橫擔(dān)核心處即第一和第二橫擔(dān)處時，立體過程中鐵塔塔身應(yīng)力應(yīng)變最小。真型實(shí)驗(yàn)采用在兩個橫擔(dān)處布置吊點(diǎn)的方案，如圖4所示，系留氣球與鐵塔的兩個橫擔(dān)相連。同時，地面上圓周邊分布的三臺卷揚(yáng)機(jī)與系留氣球相連，通過卷揚(yáng)機(jī)放縮纜繩實(shí)現(xiàn)立塔過程中系留氣球空間位置的實(shí)時調(diào)整控制。在整體立塔過程中，控制系留氣球的上下浮動及水平移動，使鐵塔受力保持與塔身垂直，并拉動鐵塔從橫臥狀態(tài)立起至豎直狀態(tài)。在真型實(shí)驗(yàn)中，采用了等比縮小的鐵塔，塔重約700 kg，塔高約12 m。

2.2 立塔前準(zhǔn)備

本實(shí)驗(yàn)選取的場地長度各40 m，地勢較為平整。鐵塔基礎(chǔ)主筋保護(hù)層為50 mm，基礎(chǔ)深2.8 m，采用直徑為8 mm鋼筋扎網(wǎng)，并用C25混凝土澆筑，地面基礎(chǔ)長寬為2 m，地腳螺釘中心距為1432 mm，養(yǎng)護(hù)周期為28 d。

系留氣球設(shè)計(jì)載重700 kg，可充裝氦氣1500 m3，整個氦氣充裝過程約7 h。如圖5所示，采用車載高壓氦氣罐對氣球進(jìn)行充氣，氦氣純度為99.99%，通過水泥錨固限制系留氣球，防止其失控。

在系留氣球充裝氦氣的同時，鐵塔在地面以橫臥狀態(tài)完成組塔，避免了傳統(tǒng)高空作業(yè)的安全隱患。完成組塔與系留氣球充氣后，利用編制繩將鐵塔上、下橫擔(dān)核心與系留氣球連接，并通過控制卷揚(yáng)機(jī)收放纜繩，將氣球移動到吊點(diǎn)上方，即立塔起吊的初始位置，如圖6所示。

2.3 立塔過程

完成立塔前的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作后，人員撤離到安全區(qū)域，通過遠(yuǎn)程控制三臺卷揚(yáng)機(jī)收放纜繩，從而控制系留氣球的實(shí)時空間位置。系留氣球因氦氣浮力提供的起吊拉力使得鐵塔從橫臥狀態(tài)逐漸立起，直至豎直狀態(tài)，如圖7所示。

當(dāng)鐵塔處于豎直狀態(tài)后，繼續(xù)調(diào)整氣球空間位置，使得鐵塔塔基與基礎(chǔ)的地腳螺釘對齊。在施工人員的輔助下，鐵塔安全落到基礎(chǔ)，且將踏腳板與地腳螺釘固定，完成立塔。整個立塔過程耗時約5 min。相較為傳統(tǒng)的立塔施工方法，效率得到了極大提高，且避免了高空作業(yè)，降低安全風(fēng)險。

2.4 鐵塔受力變形情況

基于ANSYS仿真總結(jié)分析最佳吊裝方式為上、下橫擔(dān)核心受力，仿真得出其最大應(yīng)力應(yīng)變均未超過許用值，通過制作等比縮小的鐵塔模型并用具有相應(yīng)吊裝能力的系留氣球?qū)ζ溥M(jìn)行鐵塔立塔施工。完成立塔施工后，利用系留氣球?qū)㈣F塔再次放倒，檢查鐵塔是否存在塑性變形，與仿真結(jié)果一致，在真型實(shí)驗(yàn)中無塑性變形的情況發(fā)生。真型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和所提出的基于系留氣球整體立塔施工方案的可行性。

3 結(jié)論

本文提出了一種地面組塔、系留氣球結(jié)合卷揚(yáng)機(jī)整體立塔的方案。該方案在地面完成整體組塔，通過系留氣球和卷揚(yáng)機(jī)相互協(xié)調(diào)作用，將鐵塔起吊，短距離移動至塔基上方，對齊塔釘落下，擰緊螺栓即立塔完成。首先通過仿真研究，表明整體立塔過程鐵塔無塑性變形，能夠滿足立塔施工要求。其次，制造了等比縮小的鐵塔，并制作了相應(yīng)載重能力的系留氣球，進(jìn)行了鐵塔基礎(chǔ)施工。在此基礎(chǔ)之上，完成了基于系留氣球的整體立塔真型試驗(yàn)，結(jié)果驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，也進(jìn)一步證明所提出的基于系留氣球的整體立塔施工方案的可行性。

本文所提出的整體立塔方案不僅能夠避免施工人員的高空作業(yè)，從技術(shù)層面提高安全性，也對交通不便地區(qū)的立塔提出了一種新的思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓啟云，童鑫，張鵬程，等. 1000 kV交流特高壓輸電線路山區(qū)鐵塔組立方案分析[J]. 河北電力技術(shù)，2021，40（5）：28-32.

[2]徐奮，李軼群. 座地旋轉(zhuǎn)雙搖臂抱桿組立特高壓酒杯型鐵塔[J]. 華東電力，2014，42（9）：1845-1851.

[3]葉建云，段福平，張江宏. 可旋轉(zhuǎn)座地雙搖臂與外拉線懸浮混合抱桿的研制及應(yīng)用[J]. 電力建設(shè)，2013，34（2）：91-95.

[4]肖琦，宋玉，孫海軍，等. 鐵塔與抱桿耦合系統(tǒng)抗風(fēng)能力研究[J]. 東北電力大學(xué)學(xué)報，2016，36（6）：91-96.

[5]項(xiàng)喆，李姝，龔寧. 利用900×900mm懸浮抱桿配輔助抱桿組立特高壓交流鐵塔[J]. 華東電力，2014，42（12）：2557-2559.

[6]葉立運(yùn)，胡友琦. 內(nèi)懸浮外拉線抱桿組立1000kV耐張塔施工方案設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 三峽大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017，39（1）：98-101.

[7]趙賢，李維嘉，王艷芹. 吊車組塔施工場地臨時占地面積測算分析[J]. 河北電力技術(shù)，2020，39（4）：22-25.

[8]余聲. 輸變電工程中內(nèi)懸浮外拉線組立鋼管塔的安全施工技術(shù)研究[J]. 電氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2023（10）：125-128.

[9]范舟，張碩，陳懷毅，等. 500 kV架空輸電線路內(nèi)懸浮抱桿組立鐵塔受力分析研究[J]. 電工技術(shù)，2020（7）：140-142.

[10]張邦勝. 輸電線路桿塔組立施工工藝分析[J]. 電氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2022，（3）：122-125.

[11]管繼煒. 鋼板疊合梁免支架整體吊裝在高速公路跨線橋施工中的應(yīng)用[J]. 西部交通科技，2024，（4）：160-163.

[12]陳易飛，陽林，黃歡，等. 500 kV輸電鐵塔力學(xué)失效分析和失效預(yù)測研究[J]. 電工電氣，2024，（4）：17-26，53.

[13]汪濤，胡國輝，李琛，等. 風(fēng)荷載作用下輸電鐵塔承載性能建模分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2023，52（9）：25-29.

[14]蒙博斌，馬海鵬，田帥，等. 基于有限元方法的鐵塔結(jié)構(gòu)虛擬仿真分析試驗(yàn)[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2023，40（11）：116-122.

[15]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(yōu)化及應(yīng)用[J]. 青海電力，2019，38（1）：44-47.

[16]余剛珍. 基于ANSYS Workbench的車架結(jié)構(gòu)有限元分析及拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.

[17]裴澤光，劉琰，胡文斌，等. 纖維包自動除帶及拆袋機(jī)抱夾裝置靜力學(xué)仿真分析[J]. 棉紡織技術(shù)，2024（6）：34-40.