特高压跨越施工封网结构力学分析

赵 维，黄成云，罗本壁，周焕林

(1．合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2．安徽省送变电工程公司，安徽 合肥 230022； 3．国家电网公司交流建设分公司，北京 100052)



专论

特高压跨越施工封网结构力学分析

赵 维1，黄成云2，罗本壁3，周焕林1

(1．合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2．安徽省送变电工程公司，安徽 合肥 230022； 3．国家电网公司交流建设分公司，北京 100052)

封网结构对于保障特高压跨越输电线路施工安全具有重要意义，其具有较高的技术和施工要求，但目前对于其研究大多简化为单索计算。为与实际状态更符合，考虑绝缘撑杆及网的影响，利用有限元软件建立封网结构模型，对封网结构在不同工况下的力学性能进行分析。研究结果表明：随档距增大，承载索弧垂和最大张力均增大；随预紧力增大，承载索弧垂与最大张力分别呈线性减小与增大；随承载索间距增大，弧垂和张力也明显增大；随承载索直径增大，会使封网装置与被跨物的安全距离更得到保障，但承载索最大张力会显著增大；全封网形式承受冲击荷载的能力显著强于局部封网。

跨越施工；封网；有限元法；弧垂；张力

特高压工程建设发展迅速，线路输电距离远，区域跨度广，重大交叉跨越多。跨越施工技术设计时，须充分考虑封顶网的安全稳定性，以确保对被跨越物的有效保护。文献[1]对无跨越架局部封网跨越施工方式，给出了计算承力索在事故、封网以及初始安装状态下孤垂及水平张力的计算公式。文献[2]以500 kV王南甲乙线π入渤海变送电线路新建工程为例，详细叙述了采用封网方式，无跨越架带电跨越2条66 kV带电线路的施工工艺、方法和施工原理。文献[3]建立了电气化铁路接触网承力索的有限元模型，对不同工况条件下的承力索弛度进行了仿真分析，精确计算了弛度的大小，提出了一种新的弛度计算方法。文献[4]针对跨越档全封网布置，且选用迪尼玛绳作为承载索时，跨越档应限制的档距及铁塔应增加的高度进行计算分析，对跨越档的设计参数提出了建议。文献[5]对悬索跨越施工所用封顶网种类、悬挂方式等进行分析，对其所用架体材料、方法做了综合评述。文献[6]对传统跨越架线施工存在的难度进行剖析，提出采用新观念和新做法，以提高不停电跨越架线施工的安全性。文献[7]针对架空送电线路跨越高速铁路施工的特点，介绍了不同跨越架和封顶网的结构形式，比较分析了不同形式的优缺点与适用条件。

对于封网结构有限元计算，确定其形态是一个非线性大位移问题。封网结构的形状确定和预应力分布是一对互相影响的参数，其工作状态的几何状态一般难以事先确定，必须通过找型方法。文献[8]通过考虑自重和初始预应力分布差异的参数分析，找出了影响索网结构形态稳定的主要因素。文献[9]推导了索网节点位移与索元内力增量所必须满足的平衡方程与变形协调方程的增量形式，对预应力索网结构进行初始平衡态以及荷载态下的节点位移和索力计算。文献[10]在索和膜结构几何非线性分析的基础上，推导了直接迭代法的基本方程，同时给出了索和膜结构采用直接迭代法进行初始形状确定的求解方法。文献[11]论述了采用几何非线性有限元方法，并利用ANSYS 有限元软件对常见的索网找形过程进行了研究。文献[12]提出了采用多段索单元来模拟悬链线索单元。

本文通过ANSYS有限元软件，构建跨越施工中封网结构的模型，并通过直接迭代法找形。对承力装置在不同条件、不同工况下的受力状态和变形情况进行有限元分析，并对计算结果进行对比分析，总结出封网结构相关参数的影响规律，给跨越封网施工提供一定的参考，以期提高跨越施工的安全性。

1 封网结构模型建立

如图1所示，一般封网结构由承载索、绝缘尼龙网、滑轮及撑杆组合而成。撑杆的作用是保持承载索间距离(即封网的宽度)，而且在架线中发生事故状态时能承担一定长度导线的重量。

图1 局部封网形式

承载索迪尼玛绳选取LINK10索单元模拟；绝缘撑杆选取BEAM188梁单元模拟；绝缘尼龙网也选取LINK10索单元模拟[13]。模型如图2所示。

图2 双索局部封网模型

2 力学分析

封网位置位于整个跨越档正中间，封网长度取50 m，每隔5 m设置玻璃杆网撑，整个封网共计11根空心玻璃杆。封网密度为横向与纵向每隔1 m设置尼龙绳，编织成网状结构。张力放线采用“一牵四”方式，导线规格为LGJ800/55。

事故工况分析分为两种：一种是冲击工况；另一种是非冲击工况。

a.冲击事故工况。主要荷载形式为冲击荷载，即导线在跨越施工时产生断裂，发生事故导线的断裂端从水平状态开始在竖直平面内向下摆动，最终撞击封网结构的端部玻璃撑杆，现取冲击荷载系数为1.5。

b.非冲击事故工况。荷载形式主要为重力荷载，即在发生断裂事故的跨越档两侧的跨越档内，因导线断裂，导线上原有张力消失，在重力作用下，导线会从原有高度下落，最终落到整个封网结构上。在不考虑导线风偏及其他环境因素影响下，可将导线下落的位置模拟为在封网宽度正中心。

2.1 局部封网时跨越档距对弧垂和张力的影响

非冲击事故工况弧垂如图3所示，跨越档距与承载索弧垂以及承载索最大张力的关系曲线分别如图4、图5所示。

图3 局部封网非冲击事故工况弧垂

由图4、图5可以看出，在安装工况下，随着跨越档距的增加，承载索弧垂和最大张力均增大。在事故工况下，随档距增加，承载索弧垂也随之增大，且增大趋势略有增加，即承载索弧垂对档距的敏感性随着档距的增加而增大。同时可以看出，随档距增加，张力不断增大，但增长速度逐渐减小，即承载索张力对档距的敏感性随档距的增加而减小。

对比事故工况与安装工况，可以发现事故荷载增大承载索弧垂和张力，结合工程经验，跨越施工一般不宜采用过大跨越档距。

对比冲击与非冲击事故工况，可以看出，冲击荷载相比于非冲击荷载对承载索弧垂和张力增大更多，冲击荷载更易给承载索带来较大的安全隐患，尤其是离冲击作用点较近的一侧与横梁的连接处很容易出现断裂危险。

2.2 局部封网时预紧力对弧垂和张力的影响

仅以预紧力作为变量，以200 m跨越档距为例，预紧力与承载索弧垂以及承载索最大张力的关系曲线分别如图6、图7所示。

由图6可以看出，与安装工况相比，在事故工况下，预紧力对于弧垂的控制作用减小，冲击事故工况时，预紧力的影响作用最小。

图4 跨越档距对承载索弧垂的影响

图5 跨越档距对承载索最大张力的影响

图6 预紧力对承载索弧垂的影响

图7 预紧力对承载索最大张力的影响

由图7可以看出，随预紧力增大，承载索弧垂线性减小，最大张力线性增大。故封网装置安装过程中应采用适当的预紧力，在保证封网距离被跨物足够的安全距离前提下，尽量减小预紧力。

2.3 局部封网时承载索间距对弧垂和张力的影响

以承载索间距为变量，200 m跨越档距为例，承载索间距与承载索弧垂以及承载索最大张力的关系曲线分别如图8、图9所示。

由图8、图9可以看出，在3种工况下，承载索间距越大，承载索的弧垂和最大张力也越大，仅增大的幅度略有不同。相对于预紧力和导线砸落位置距两承载索中心距离对承载索弧垂与最大张力的影响，承载索间距的影响明显要大，即承载索间距的增大会使承载索弧垂与最大张力明显增大。架线施工中，承载索间距较大时，应提高封网高度，使封网装置与被跨物的安全距离得到保证，同时提高承载索规格以增强承载索的承载能力。

图8 承载索间距对承载索弧垂的影响

图9 承载索间距对承载索最大张力的影响

2.4 全封网时跨越档距对弧垂和张力的影响

采用局部封网时研究跨越档距对弧垂影响的基本思路，设定档距作为单一变量。因双索全封网形式下，承载索结构和封网结构的自重较大，故从实际施工方面考虑，跨越档距选取100 m、200 m和300 m 3种形式。

封网形式为全封网结构，封网宽度为8 m，在整个封网长度与封网宽度上，每隔1 m设1条尼龙绳，编织成网状结构，撑杆结构每隔5 m设置1根。

非冲击事故工况弧垂如图10所示，跨越档距与承载索弧垂以及承载索最大张力的关系曲线分别如图11、图12所示。

由图11、图12看出，全封网条件下，随档距增大，承载索弧垂和最大张力变化规律整体上与局部封网相似，但弧垂的增量要小很多，即全封网形式更能保证封网装置与被跨物的安全距离。

图10 全封网非冲击事故工况弧垂

图11 跨越档距对承载索弧垂的影响

图12 跨越档距对承载索最大张力的影响

对比局部封网和全封网可以看出，对于承载索弧垂和最大张力，局部封网冲击荷载对封网结构的影响较大，而全封网冲击荷载对封网结构的影响较小，全封网形式抗冲击荷载能力更强。

2.5 全封网时承载索规格对弧垂和张力的影响

以承载索直径为变量，200 m跨越档距为例，承载索规格与承载索弧垂以及承载索最大张力的关系曲线分别如图13、图14所示。

由图13、图14可以看出，在3种工况下，承载索直径越大，承载索的弧垂越小，而最大张力越大。相对于预紧力和导线砸落位置距两承载索中心距离对承载索弧垂与最大张力的影响，其影响较大， 即承载索直径的增大会使承载索弧垂明显减小，

图13 承载索规格对承载索弧垂的影响

图14 承载索规格对承载索最大张力的影响

最大张力明显增大。由此可知，承载索直径越大，会使封网装置与被跨物的安全距离更得到保障，但承载索最大张力会显著增大，故架线施工中，应综合两者因素，选取合适的承载索规格。

3 结论

a.随跨越档距增大，承载索弧垂和最大张力均增大。事故荷载对承载索弧垂和张力的影响非常大，结合工程经验，跨越施工一般不宜采用过大的跨越档距。

b.随预紧力增大，承载索弧垂线性减小，最大张力线性增大。故封网装置安装过程中应采用适当的预紧力，在保证封网距离被跨物足够的安全距离前提下，尽量减小预紧力。

c.承载索间距增大，承载索的弧垂和最大张力也明显增大。架线施工中，承载索间距较大时，应提高封网高度，使封网装置与被跨物的安全距离得到保障，同时提高承载索的规格以增强承载索的承载能力。

d.承载索直径增大，承载索的弧垂明显减小，而最大张力明显增大。即选择更大规格的承载索，更能保障封网装置与被跨物的安全距离，但承载索最大张力会显著增大，故架线施工中，应综合两者因素，选取合适的承载索规格。

e.全封网形式封网结构自重较大，承力索最大张力高于局部封网，因此其对承力索的要求更高，但全封网形式弧垂较小，有利于保障封网装置与被跨物的安全距离，提高抗冲击能力。

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[13] 王新敏．ANSYS工程结构数值分析[M]．北京：人民交通出版社，2007．

Mechanics Analysis on Closed Net Structure in UHV Crossing Construction

ZHAO Wei1,HUANG Chengyun2,LUO Benbi3,ZHOU Huanlin1

(1.College of Civil Engineering，Hefei University of Technology，Hefei,Anhui 230009，China;2.Anhui Electric Transformation and Transmission Company，Hefei,Anhui 230022，China;3.State Grid AC Engineering Construction Company，Beijing 100052，China)

Closed net structures of great significance for the protection of the safety of UHV transmission line crossing construction，which has high requirements on construction technology. At present，most of the studies are simplified to single cable. For more in line with the actual state，the influence of insulation rod and net is considered. The model of closed net structure is built by finite element software and the mechanical properties of closed net structure are analyzed in different work conditions.The results show that the sag and tension of carrying cable increase with the increase of span. With the increase of pretension，the sag and the maximum tension of the cable linearly decrease and increase，respectively.With the increase of carrying cable spacing，the sag and maximum tension increase significantly. With the increase of carrying cable diameter，the safe distance between closed net and crossed object is more secure，but the maximum tension increases sharply.The ability of whole closed net arrangement to bear impact load is significantly stronger than that of partial closed net.

crossing construction;closed net;finite element method; sag;tension

国家电网公司科技项目资助(SGHEJY00TGJS1600057)

TM753

A

1004-7913(2017)04-0001-05

赵 维(1992)，男，硕士，主要从事结构工程等方面的研究。

2017-01-24)