地表变形对高压输电塔的影响

王永锐

(连云港中等专业学校，江苏连云港 222000)

1 工程概况

我国对煤炭的需求在不断日益剧增，煤炭作为我国主要能源的格局在未来几十年内是不会发生改变的，这就造成了我国对煤炭开采的加剧，煤炭的过度开采就会造成大片的采空区。地下煤炭开采后，地表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。以山西某矿开采后留下的采空区上方的一输电塔为例来进行分析，得到输电塔在地表变形下内力及变形的变化。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，可以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。

图1 下沉曲线（2010年）

图2 地表变形

2 模型建立与计算分析

2．1 模型的建立

以开采路线的某一段开采区的输电塔为计算实例建立模型，呼高21 m，总高度为21．3 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Beam188单元，建立的ANSYS模型及节点编号见图3。

2．2 变形工况

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2．5m;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。

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，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。具体的节点号及杆件号见图3与图4。

图3 输电塔模型及节点编号

图4 杆件编号

表1 各工况下杆件轴力 kN

从表1可以发现，在工况一情况下各杆件的轴力值较其他工况下最大，最大值达到604 kN，当多个支座都发生竖向位移时，杆件的轴力有所减小;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。

表2 各工况下各节点的位移 mm

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。

3 结语

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。

［1］徐 颖．小波调整地震动输入对高层混合结构影响［J］．低温建筑技术，2010(11):65-67．

［2］靳军亮．上部结构—筏板—地基共同作用分析［D］．西安:西安科技大学硕士学位论文，2010．

［3］刘大鹏．某框架结构的弹塑性时程分析［J］．结构工程师，2011，27(sup):276-279．

［4］汪吉林．老采空区地基变形对地面建筑物影响的数值分析［J］．采矿与安全工程学报，2008，25(4):476-480．

［5］S．M．Sargand．Highway Damage Due to Subsidences［J］．Geotechnical Special Publication，1988(2):18-32．

［6］刘长文．采动区建筑地基与基础上部作用的有限元计算［J］．辽宁工程技术大学学报，2000，19(1):32-34．