采动区高压输电塔的变形和附加内力分析

于建兵，于广云，王永锐，杨 洋，周长艮

(1.中国矿业大学 力学与建筑工程学院，江苏 徐州 221008;2.连云港市高级技工学校，江苏 连云港 222069)

1 工程概况

近年来，随着煤矿塌陷区输电线路的大量建设，人们对煤矿塌陷区的输电铁塔进行了初步研究，并取得了一些成果。由于煤矿开采过程中地表的变形是一个复杂的动态变形过程，输电铁塔在地表移动过程中所处的不同位置，对输电铁塔的内力和变形影响很大。因此，研究动态地表变形对输电铁塔内力和变形的影响规律，对塌陷区输电铁塔的建设和安全性评估具有重要的意义。本文以山西某矿为例，由于地下开采对地上的输电塔的影响，下沉曲线见图1。地表已经产生沉陷及水平变形，具体情况见图2。用有限元软件ANSYS对输电塔在地表变形下的受力进行数值模拟，可为处于塌陷区任意位置的输电铁塔结构的设计和安全性评估提供理论依据。

2 模型建立与计算分析

2.1 模型的建立

以某线路中的直线跨越塔为计算实例建立模型，呼高21.00 m，总高度为21.30 m，根开3.73 m，直线跨越塔由各种等边角钢组成，塔腿部主材截面为 Q345等边角钢，型号为∠200×14。将输电铁塔杆件的中心轴线交点连接处作为模型节点，两节点间的角钢简化为模型单元，采用ANSYS程序进行数值分析，运用自底向上的建模方式，建立模型时各杆件都用 BEAM 188单元，建立的ANSYS模型及节点编号如图3。

图1 下沉曲线

图2 地表沉陷变形

2.2 变形工况

本文主要分析输电塔在三种最不利工况下的附加内力及位移。具体工况如下:

工况一，输电塔仅在支座B发生最大下沉2.5 m;

工况二，输电塔在支座B及支座D发生最大下沉2.5 m;

工况三，输电塔在支座 A、支座 B及支座 D发生最大下沉2.5 m。

图3 输电塔模型及节点编号

2.3 计算分析

计算基于以下假设:① 输电铁塔基础不发生破坏或者较大的变形，即地表变形直接通过输电铁塔基础作用于输电铁塔支座上;② 在沉陷变形过程中，节点不会先于杆件发生破坏;③ 采煤方向与X轴或者Y轴平行，不考虑成角度的情况，即输电铁塔的两侧基础位移分别相同。.

由于本结构杆件较多(图4)，节点号也比较多，所以选取了比较重要的几根杆件以及几个节点来进行分析。杆件轴力及节点位移如表1及表2。

图4 杆件编号

从表1可以发现，在工况一情况下各杆件的轴力值最大，最大值达到604 kN，当多个支座发生竖向位移时，杆件的轴力有所下降;输电铁塔底部杆件的轴力变化较上部杆件变化幅度大，随着高度增加，其轴力变化值越来越小;横担杆的轴力受竖向位移影响较小。

从表2可以发现，在各种工况下节点位移主要发生在X与Z方向上，Y方向的位移变化不大，输电塔在支座发生竖向位移时，底部节点X方向与Z方向的位移受支座竖向位移的影响远小于顶部节点受支座竖向位移的影响。横担杆上各节点的竖向位移基本相等。

表1 各工况下杆件轴力 kN

表2 各工况下各节点的位移 mm

3 结论

1)在工况一情况下各杆件的轴力值最大，最大值达到604 kN，当多个支座发生竖向位移时，杆件的轴力有所下降。输电铁塔底部杆件的轴力变化较上部杆件变化幅度大，随着高度增加，其轴力变化值越来越小。

2)在各种工况下节点位移主要发生在X与Z方向上，Y方向的位移变化不大。输电塔在支座发生竖向位移时，底部节点X方向与Z方向的位移受支座竖向位移的影响远小于顶部节点受支座竖向位移的影响。

3)横担杆上各节点的竖向位移基本相等，横担杆的轴力受竖向位移影响较小。

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