双平臂抱杆的非线性有限元静力分析

2014-09-22徐城城叶建云周焕林

电力建设 2014年8期

徐城城，叶建云，周焕林

(1.合肥工业大学土木与水利工程学院，合肥市230009;2.浙江省送变电工程公司，杭州市310016)

0 引言

浙江省送变电工程公司某工程施工所使用的起重机械为双平臂抱杆，该抱杆的额定起重质量为160 kg(钩下质量)，考虑吊钩总质量25 kg，工作幅度3～30m，起吊钢丝绳额定速度60m/min，起吊设备采用牵引机，起吊钢丝绳规格为φ20×1 700m，自质量1.56 kg/m，破断拉力219 kN，吊钩行程约263m，走4道钢丝绳。抱杆设计的气象条件设定为:最大工作风速10.8m/s，最大非工作状态风速35m/s。工作状态下，起吊绳允许偏摆横向3°(垂直于起重臂方向)，纵向3°(沿起重臂方向)。抱杆的最大使用高度265m(起重臂下平面至地面距离)，塔身截面尺寸为2.4m×2.4m，其中最大钢管规格φ203×16 mm2;三角形吊臂截面高1 250 mm，宽1 350 mm。平臂采用双吊点形式，下支座下端采用法兰形式与井架连接，各连接部位设置良导体，接地可靠。

典型的组立铁塔施工方法有内悬浮外拉线抱杆分解组塔法［1］、内悬浮内拉线抱杆分解组塔法［2］、内悬浮外拉线摇臂抱杆与落地摇臂抱杆分解组塔法、塔式起重机分解组塔法、流动式起重机分解组塔法［3］及履带吊和抱杆联合施工法［4］。抱杆具有很好的施工适应性，是组立输电高塔的重要起重机械。国内通常采用的抱杆形式有落地四摇臂抱杆、落地双平臂抱杆、内悬浮双摇臂抱杆、落地双摇臂抱杆等［5］。229m高的芜湖长江大跨越塔、257m高的马鞍山长江大跨越塔、346.5m高的江阴长江大跨越塔和122.8m高的特高压黄河大跨越塔等均采用了抱杆组立吊装［6-15］。浙江省送变电工程公司在施工过程中采用履带吊与抱杆联合施工法，根据不同工况的施工高度选择吊装方式，高度低的时候采用履带吊，达到一定高度后采用抱杆吊装。

1 校核工况

1.1 基本约定

抱杆如图1所示。依据抱杆运行技术参数，从数值模拟的适用性和有效性出发，进行以下约定。

图1 抱杆和铁塔示意图Fig.1 Sketch map of holding pole and tower

平臂的水平投影位置(即为回转角度——上回转体与下回转体间的夹角)分为工作状态0°、22.5°、45°，见图2;非工作状态下:0°，加锚固绳。

图2 平臂位置示意图Fig.2 Sketch map of flat arm's position

风向:垂直于平臂的风向为0°方向;平行于平臂的风向为90°方向;上述二者的角平分线方向为45°方向，如图3所示。

图3 风向示意图Fig.3 Sketch map of wind direction

起吊绳偏离方向:工作状态下起吊绳允许偏摆横向3°(垂直于起重臂方向)，纵向3°(沿起重臂方向)，如图4所示。

1.2 校核工况

通过对抱杆吊装施工工艺和当地气象资料的分析，选取以下工况为校核工况。

图4 起吊绳偏离方向示意图Fig.4 Sketch map of hoisting rope deviation

(1)最终位置非工作工况A(平臂0°)。在平臂24m 处对称锚固于地面;风向:45°、90°;风速:22，24.5，28.5m/s。

(2)最终位置非工作工况B(平臂22.5°)。风向:0°;风速:24.5，28.5，35m/s。

(3)最终位置非工作工况C(平臂45°)。风向:0°;风速:24.5，28.5，35m/s。

(4)初始位置工作工况A(平臂0°)。风向:0°、45°、90°;吊重荷载:16 t/16 t、16 t/8 t、8 t/0 t。

(5)初始位置工作工况B(平臂22.5°)。风向:0°、45°、90°;吊重荷载:16 t/16 t、16 t/8 t。

(6)初始位置工作工况C(平臂45°)。风向:0°、45°、90°;吊重荷载:16 t/16 t、16 t/8 t、8 t/0 t。

(7)最终位置工作工况A(平臂0°)。风向:0°、45°、90°;吊重荷载:16 t/16 t、16 t/8 t、8 t/0 t。

(8)最终位置工作工况B(平臂22.5°)。风向:0°、45°、90°;吊重荷载:16 t/16 t、16 t/8 t。

(9)最终位置工作工况C(平臂45°)。风向:0°、45°、90°;吊重荷载:16 t/16 t、16 t/8 t、8 t/0 t。

其中工作工况校核风速为10.8m，风向考虑最不利情况(自较轻吊装侧吹向较重吊装侧);最终位置工作高度为266.153m，即双平臂离地面的距离为266.153m，初始位置工作高度为85.153m，也即双平臂离地面的距离为85.153m。

1.3 荷载说明

分析计算时考虑的荷载主要有:重力荷载、风荷载、吊重(包括吊钩、吊绳的质量)。重力载荷考虑1.1的调整系数和1.1的动力系数。风载荷计算综合考虑了相关规范、抱杆高度、结构特性及当地的气候条件。根据《电力建设安全工作规程》规定:六级及以上大风不得进行高处作业，同时气象统计资料显示近年来当地的最大风速为35m/s，故抱杆设计的气象条件为:工作状态的最大计算风速为10.8m/s，非工作状态最大计算风速为35m/s。

2 模型建立

根据抱杆的实际形态，建立非线性有限元模型。其中主体、双平臂、桅杆采用梁单元模拟，即利用beam188单元模拟主杆、斜腹杆、加强杆、弦杆等，杆件之间的连接默认为刚接。拉杆、腰环和锚固绳等只承受拉力的构件采用link10单元模拟，与主体或平臂的连接默认为铰接。平臂与回转塔身连接处设立耦合重合节点，释放端点转动自由度，使模型更准确地反应抱杆作业时的受力和位移的情况。主杆与地面为固接，沿主杆每隔一段间距设置附着腰环，减小主杆的自由高度。最终位置工况模型单元总数为11 236，节点数为6 636。计算时依据上述不同的工况，对模型进行相应的调整。建立的三维有限元模型如图5所示。

图5 计算模型Fig.5 Computation model

3 有限元计算结果与分析

对各工况施加重力载荷、风载荷、吊重(包括吊钩、吊绳)，定义相应载荷工况。起吊绳偏离采用以下方法进行施加。

设吊重(包括吊钩、吊绳)为G，横向偏离荷载F1=G·tanα1(α1为横向偏离角度)，F2=G·tanα2(α2为纵向偏离角度)。

通过非线性有限元数值模拟，确定风向45°、90°为典型工况，其子工况最大位移计算结果、井架上拔力计算结果分别见表1、表2。

表1 最大位移计算结果Tab.1 Calculation results of the maximum displacement mm

表2 井架上拔力计算结果Tab.2 Calculation results of tension on derrick kN

从表1中可以看出，工作工况在风向45°和90°不平衡吊时整体位移较大，有2个主要原因:一方面，偏载导致较大的不平衡弯矩;另一方面，较大的迎风面积产生较大的水平风载，使整体结构产生较大弯曲变形。平衡吊装相比较于偏载吊装可显著减小系统最大位移。

从表2中可以看出，初始位置工作工况B在风向45°、16/8 t不平衡吊，非工作工况A在风向45°和90°、24.5m/s风速及以上时上拔力均超出了控制的1 018 kN。

根据计算结果，在满足最大位移、上拔力、腰环拉力及平臂应力设计要求的工况中选取较不利的几种工况进行线性屈曲分析，即通过有限元分析软件对较不利的工况进行线性稳定性分析，得出其特征值。特征值又称为屈曲因子或者安全系数，结构失稳时的屈曲荷载为屈曲因子乘以给定的荷载。当屈曲荷载大于1时说明作用于结构上的荷载必须增大才能引起结构失稳。具体计算详见表3。

表3 线性屈曲分析计算结果Tab.3 Calculation results of linear buckling analysis

表3表明，抱杆体系屈曲因子均大于6倍以上，稳定安全性高。

4 改进措施

最终位置非工作工况A在平臂24m处进行了锚固，通过计算了解到，该锚固状况下的井架上拔力在风速为 24.5，28.5m/s、风向45°和风速为 28.5m/s、风向90°时超过了1 018 kN的上拔力限值要求。建议此工况下，双平臂采用随风转动的措施;当抱杆双平臂随风转动风速33m/s及以上时亦不能满足上拔力要求，此时，施工单位调整工作方案，采取降抱杆处理。针对降低抱杆高度的模型进行验算，结果见表4。