受冲击液压装配式跨越架拉线优化布置研究

李 响 童 冠 周幼辉 陈保家 张松华

(1. 三峡大学 水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峡大学 机械与动力学院， 湖北 宜昌 443002；3.湖北省送变电工程公司， 武汉 430000)

受冲击液压装配式跨越架拉线优化布置研究

李 响1，2童 冠1周幼辉1陈保家1张松华3

(1. 三峡大学 水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峡大学 机械与动力学院， 湖北 宜昌 443002；3.湖北省送变电工程公司， 武汉 430000)

以一种新型液压装配式电网跨越架为研究对象，介绍了其结构和安装过程．结合常见的跨越架拉线布置方式，选取跨越架架体的拉线间距和拉线层数为主要设计要素．为了提高此类型跨越架架体的抗冲击能力，本文模拟计算了跨越架在发生电缆断裂事故后受的等效冲击载荷，研究了在等效冲载荷作用下两个设计要素改变时跨越架架体承载响应变化．针对这种类型跨越架的拉线布置提出优化建议，明显增强了其抗冲击性能．

跨越架； 拉线间距； 拉线层数； 抗冲击性能

输变电工程施工中，新建输电线路往往会与已运行的高压输电线路、铁路及高速公路等被跨物在地理位置上产生交叉，在架线施工时，为了确保新建线路导地线与被跨物之间的安全距离，在张力展放新建线路导地线及紧挂线时，需要预先在两者之间搭设绝缘安全网[1-2]．安全网及其配套支撑装置统称为跨越架．随着电网建设的发展，跨越施工量越来越多，跨越难度越来越大，跨越的要求也越来越高．当前，跨越施工中所采用的跨越架有多种形式，如毛竹跨越架、脚手架跨越架、索道式跨越架、抱杆自立式跨越架等[3-5]．这些跨越架都存在某些方面的不足，特别是缺乏抗冲击性能．液压装配式拉线电网跨越架是根据实际施工经验设计的一种抗冲击跨越架，为了增强其抗冲击性能，本文对跨越架在电缆线绳等效鞭击载荷作用下，跨越架架体的受力进行了分析，并提出了和常见的拉线方式不同的一种拉线布置方式．

1 液压装配式跨越架

液压装配式跨越架由固定部分，架体和安全网3个主要部分组成，如图1所示．固定部分由底座和架体拉线构成．底座为可移动底座，直接放置在平整加固的地面上，底座四周安装多条锁脚锚绳．架体高度大于40 m，由多个长度为1.5 m的标准节装配完成．安全网尺寸为64 m×8 m，通过数量较多的小滑轮和吊带悬挂在两根承载绳之下．安全网[6]通过循环绳牵引，抽动循环绳可定位并固定安全网位置．

图1 液压装配式跨越架整体结构图

为了防止安全网发生枕形收缩，网上排列布置有多根玻璃钢管支撑杆，并在其中由外向内依次内置多根φ8 mm、φ16 mm迪尼玛绳．

液压装配式电网跨越架的具体安装步骤为：1)定位基点，安装底座及其锁脚锚绳．2)安装顶升机构，独立泵站，油管及拉线．3)液压下顶升，引进标准节，提升架体．4)安装下层拉线和上层拉线后，拆除顶升机构，上临时拉线．5)安装其他3根立柱，在地面组装好横梁后，依靠跨越架架体，整体吊装到顶部．6)展放粗引绳，用粗引绳展放循环绳，再用循环绳展放迪尼玛承载绳．7)将安全网升空并定位．

根据安装过程可以看出，该类型跨越架安装及拆除过程不依靠吊车，易于组装和拆除，有能够根据地形灵活施工的优点．同时，根据跨越架结构可以分析得到：当安全网网端受到冲击时，这些内置的迪尼玛绳依次破断，其承载力是逐步加大的，可有效吸收冲击能量的同时，不发生完全性破坏，起到最终的保护作用[7-8]；架体底座通过锁脚锚绳固定，在受到冲击时，能够通过幅度可控的旋转和偏移，抵消吸收冲击载荷的作用，已经具有良好的抗冲击性能．

为了进一步增强液压装配式跨越架的抗冲击性能，增强架体本身的稳定性，需要对跨越架的受断绳事故冲击作用的过程进行模拟，合理地选择优化跨越架架体的拉线布置方式．

2 架体拉线的常见布置形式

拉线是架体结构的重要组成部分，拉线在几个不同的方向、不同高度上支持架体杆身以保证架体直立和稳定[9-10]．架体拉线布置时，需要合理选择考虑的因素有：拉线层次、拉线层间距、拉线倾角、拉线平面布置、拉线初应力等[11-12]．液压装配式跨越架架体高度约为40 m，属于高度较低的架体，因此选择拉线的布置层次为2～3层．由于跨越架由4根立柱并列在两旁，多个拉线交错共锚脚更便于施工，所以拉线的平面布置形式已经相对固定．因此，针对液压装配式跨越角的拉线优化布置的主要变量为：拉线层间距和拉线倾角．

拉线的层次布置决定了拉线层间距，根据工程实践表明拉线层间长细比通常为60～100，一般在80左右为最好，此时的立柱结构稳定系数值较高．根据立柱高度、拉线层间长细比要求和杆身宽度的选择，可以合理确定拉线层数和拉线层间距．

而拉线布置的倾角一般在30～60°范围内．若倾角过大，拉线内力、杆身轴力、纤绳节点水平位移均显著增加，但纤绳长度及占地面积减小；若倾角太小，则利弊相反．所以纤绳倾角过大过小，均不利，最好45°左右．拉线的布置可以相互平行(如图2a所示)，或数层拉线共一地锚(如图2b所示)．

图2 几种不同的拉线布置方式

当立柱高度较大时，多采用相互平行布置或2～3层拉线共一地锚．当立柱高度较低，或拉线内力不大时，可将同一侧拉线固定在一个地锚(如图2c所示)．

3 跨越架架体及拉线有限元模型

由于跨越架的立柱底座由锁脚锚绳固定，拉线自身的内力不大，故选择将单根立柱同一侧拉线固定在一个地锚上．跨越架高度约为40 m，属于常见立柱中较矮的类别，所以选择拉线层数为2～3层．由于跨越架内层，为需要保护的被跨物，应尽量减小占地面积，所以内侧的拉线角度尽量更大，选定跨越架内层的拉线对地角度为60°．而跨越架外侧有更多的施工面积，应该尽量减小拉线内力，所以选定跨越角拉线外层拉线的对地角度为45°．

立柱为27节长度为1.5 m的标准节安装完成，总高度约为40 m，在顶端标准节连接处，打两侧拉线，根据内侧拉线60°，外侧拉线45°的标准，确定地锚位置．立柱截面方形，尺寸为800 mm×800 mm，立柱壁厚25 mm，横梁尺寸采用圆管结构，横梁圆管为外径φ200 mm，壁厚20 mm．有限元建模时，拉线采用link180单元，横梁及立柱采用beam188单元．设定材料弹性模量为2.06E5 MPa，泊松比为0.3．根据不同工况添加载荷和约束进行计算[13-15]．

输电线路张力架线施工中，跨越架的作用是确保该新建导地线与带高压电的被跨线路之间的安全距离．当所展放的高张力引绳、导地线或走板发生断裂时，其断开部分可能瞬间接触到跨越架，使跨越架承受到较大冲击力．断绳工况非常复杂，本文选取的是常见且具有代表性的两种情况．

第一种是一牵一展放引绳时断绳，属于高概率事件，有较大危害性．这种工况中常见的情形是，绝缘的锦纶引绳牵引φ15 mm钢丝绳，由于锦纶绳性能存在缺陷或年久退化，该绳容易多发断裂事故．此时两级引绳之间无走板，仅靠旋转连接器连接．

第二种是一牵多展放导线时断绳，属于低概率事件，但危害大．这种工况中最常见的情形是使用无扭钢丝绳一根牵引4根导线，由于钢丝绳性能存在缺陷，发生断裂事故．此时无扭钢丝绳和导线之间有重约40 kg的走板．

这两种情况，断点都在牵引绳上，一般情况下旋转连接器或走板越接近牵引机，牵引张力越大，牵引绳断绳概率也越大．断点位置可能在跨越架所在档，也可能在跨越架邻档，甚至在更远档．断点距离跨越架3档以外时，由于断绳的能量被提前逐步释放，或因走板受到放线滑车的拦阻，跨越架受到的冲击载荷相对大大减少了．

所以主要研究断点距离跨越架不大于3档的情况下的断绳冲击．根据初步测算得到不同工况下，跨越架受到的冲击力值见表1．由于冲击力作用存在各种不同的方向，在可能出现的方向角度范围内，选取9个不同的方向，施加相同大小的作用力，分析作用力对立柱的作用效果[16-17]，结果显示冲击力从水平方向冲击横梁时，立柱的变形最大，作用效果最明显．所以，选取恒定冲击力为指向跨越架外侧的水平方向，大小为254 729 N．

表1 不同工况下跨越架所受的冲击力

4 装配式跨越架拉线优化布置

液压装配式跨越架架体由多个标准节组成，根据已有施工经验，拉线总是布置在标准节连接处．根据第2、3节确定的已知条件，顶层拉线位置和角度已经相对确定，为了确定在液压装配式跨越架柱体中间层拉线的合理布置位置，对布置位置以每一个标准节的长度采用逐例分析，分别仿真计算中间层拉线在不同位置时，架体和横梁的变形情况及应力分布，最后得到优化模型．

设组成跨越架一侧的两根立柱分别为立柱1和立柱2，将左侧立柱1的节点从下往上依次编号为2～26，将右侧立柱2的节点依次编号为30～54．横梁附近的节点为立柱1的27号节点，立柱2的55号节点．对拉线布置在不同节点的情形分别施加冲击载荷进行分析，图3为分析过程中的两个不同位置的实例．

图3 拉线优化布置示例分析模型

当中间层拉线处于不同节点位置时，立柱最大应力和变形变化情况分别如图4～5所示．根据图4所示，所增加的第2层拉线的位置越靠近顶端，立柱的变形越小，但是与顶层拉线位置小于1个标准节距离时，立柱的变形会发生突变．突变的原因是此时两层拉线都固定在同一个标准节上，并没有发挥增加一层拉线的固定作用．而根据图5所示，所增加的第2层拉线位置，在立柱的顶端或底端时，立柱的应变越小，越往立柱的中点位置，同样的冲击作用下，立柱产生的应变响应越大．

据此，给出拉线布置两点建议：1)增加立柱底部的固定装置，可以增强立柱抵抗冲击的能力．这相当于在立柱的底部多增加一层拉线的作用．2)第2层拉线可以添加在靠近顶端的位置，但是与顶层拉线的距离，不应小于1个标准节．

图4 拉线位置与立柱应力的关系

图5 拉线位置与立柱变形的关系

由表2、3结果可以看出，在同样的冲击载荷作用下，仅用在距离顶端1～4个节点的位置增加一层拉线时，立柱的变形减小了约25%～33%．立柱的应力虽然有所增大，但是最大只有60.8 MPa，一般钢材(Q235等)即可承受，因此在其制造材料的承受范围内．需要说明的是，此处选用的是一牵四工况的冲击载荷(见表1)，力值高达254 729 N，此时横梁已经被破坏，只要跨越架立柱没有倾倒，防护网仍能起到较好的保护作用．综上分析结果，同时考虑施工实际，在距离上层拉线位置2～4个标准节节点位置增加一层拉线的抗冲击的作用效果比较明显．

表2 拉线位于不同位置时立柱受力变形情况

表3 各不同位置拉线优化结果

5 结 语

当立柱受到均匀载荷作用时，将第2层纤绳拉线布置于立柱结构的中部位置，才满足架体结构的下层纤绳拉线的长细比在60～100之间，此时带拉线立杆的稳定性才较好．因此，常见的类似电网施工过程中，在立柱顶部和中部布置两层拉线．而针对这种受到线缆冲击载荷工况的跨越架的设计，立柱结构上端受到集中载荷，应该着重针对该工况进行具体分析，故不能直接采用上述常见的纤绳拉线布置方式．据具体的情况重新设计，对在受等效冲击荷载作用下的立柱的承载响应进行分析，从而得出在跨越架立柱顶层集中布置两层拉线的形式．可知在立柱受不均匀冲击载荷下的纤绳拉线布置与受均匀载荷下的纤绳拉线布置存在很大差别．因此，出现液压式装配跨越架的架体拉线布置与常见的中部布置第2层拉线不一样的情形．本文的研究结论对于新型液压装配式电网跨越架的研发和拉线优化布置将具有重要的理论指导和工程实践意义．

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[责任编辑 张 莉]

Pulling Layout Optimization of Hydraulic Assembled Crossing Affected by Breaking Cable's Impact

Li Xiang1,2Tong Guan1Zhou Youhui1Chen Baojia1Zhang Songhua3

(1. Hubei Key Laboratory of Hydroelectric Machinery Design & Maintenance, China Three Gorges Univ.， Yichang 443002, China; 2. College of Mechanical & Power Engineering， China Three Gorges Univ.， Yichang 443002, China; 3. Hubei Electric Power Engineering Company, Wuhan 430000, China)

This paper uses a new hydraulic power grid crossing as the research object and introduces its structure and installation process. Referring to widely used crossing's pulling layout, the pulling spacing and pulling layers are selected as the main design elements. In order to improve its impact resistance of the crossing frame, the paper simulates the crossing frame in cable cord equivalent impact in the cable breaking accident and studies crossing frame's bearing responding to the change of two design elements under the action of equivalent impact. The paper suggests the pulling layout optimization of this crossing, so as to enhance the impact resistance of the power grid assembled crossing.

crossing; pulling spacing; pulling layers; impact resistance

2016-08-23

国家自然科学基金资助项目(51305232、51205230)；湖北省自然科学基金资助项目(2015CFB445)

李 响(1979-)，男，博士，副教授，研究方向为结构轻量化设计．E-mail：lixiangcfy@163.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.02.017

TM752+.2

A

1672-948X(2017)02-0079-05