两种材质输电线路施工跨越架的力学对比分析

刘铁，赵东，孙田鸽，涂雪松，王舒琴

(1.国网马鞍山供电公司，安徽 合肥 243000；2.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

0 引言

架空输电线路是电力系统的重要组成部分，随电力系统规模的日益扩大，高电压远距离输电线路日益增多，加快输电线路建设以及新技术的发展对经济和社会的影响面也更广。跨越架是一种能迅速搭建的跨越一定范围的金属支架体，其作用是保证送电线路架设施工中跨越区域的安全[1]。目前，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，传统的跨越架已经越来越无法满足安全、可靠、高效的施工需求[2-4]。在电压等级越来越高，和新建超高压输电线路需跨越的已运行电力线路、铁路、高速公路、湖泊、经济作物区及其他障碍物越来越多的背景下，自升降式跨越架与传统跨越架相比，占地面积小，对地形条件要求不高，安装和拆除工作简易，不影响被跨越物体正常工作、运行，节约了跨越架线的建设成本，具备良好的经济效益。

本文提出一种新型的组合式跨越架结构设计，通过对钢材和铝合金两种材质的跨越架进行有限元计算，着重对比分析了两种材质的跨越架结构在施工组装工况、大风工况和断线工况下的力学性能和适用性。

1 项目概况

本组合式跨越架主要由立柱、横梁和拉线三部分组成，立柱与横梁材质分别采用钢材和铝合金[5-6]，拉线采用单根JL/G1A-300/25钢芯铝绞线，通过力学计算结果确定材质选择。跨越架底座为钢筋混凝土独立基础，跨越架设计最大宽度为10.5 m，最大跨越高度18.9 m，最大跨越档距50 m。组合式跨越架按标准节进行设计、加工，标准节长度为2～2.55 m，截面尺寸为0.7 m×0.7 m，便于构件运输、组装、升降。

根据《跨越电力线路架线施工规程》DL/T 5106-1999[7]中相关规定进行跨越架结构设计。跨越架架顶宽度选取按式(1)

式中：B－跨越架架顶宽度，单位m；Zx－施工线路导线或地线在安装气象条件下在跨越点处的风偏距离，单位m；b－跨越架所遮护的最外侧导、地线间在横线路方向的水平距离，单位m；ɤ－跨越交叉角，单位°。

分析国内110 kV线路建设情况，最外侧导、地线间在横线路方向的水平距离最大为11.3 m，按上式计算，跨越架架顶宽度B需要设置在20 m以上才能满足需求，造成跨越架整体尺寸较大。因本跨越架采用单排桁架结构，为便于进行组装、运输，截面尺寸较小，故将跨越架宽度设计为10.5 m，若经过计算跨越宽度需大于10 m，则按两侧横担分别设置跨越架考虑[8]。

综上，跨越架结构示意图如图1所示。

2 跨越架结构计算与分析

2.1 钢材跨越架结构分析

2.1.1 整体结构计算模型

钢管跨越架结构的力学分析模型如图2所示。在其结构的有限元计算模型中，拉线采用桁架单元模拟，立柱与横梁全部采用梁单元模拟，立柱的底部节点以及拉线底端采用固定支座，约束三个方向的平动和转动位移，构件截面为700 mm×700 mm的钢管跨越架。

图2 钢管跨越架有限元计算模型

2.1.2 跨越架工作荷载

根据跨越架的实际工作情况，跨越架结构主要承受结构自重、配重、风荷载和断线冲击荷载[9]的作用。其中风荷载分为正常工作风荷载(风速为10 m/s)和极限大风荷载(风速为27 m/s)，荷载工况布置如表1所示。其中，荷载组合1、2为施工状态下荷载组合，荷载组合3、4为大风状态下荷载组合，荷载组合5、6为断线状态下荷载组合。

表1 荷载工况组合

2.1.3 型钢跨越架结构分析

1)型钢跨越架结构应力

采用有限元法对钢管跨越架进行力学分析，整理跨越架结构在各工况下的有限元计算结果，提取出各节点位置的最大组合应力，绘制出各工况下跨越架最大组合应力曲线图，如图3所示。

图3 各工况下跨越架钢构件最大组合应力值

表2 各工况下钢构件最大组合应力计算结果 单位：MPa

由图3和表2可知，在施工工况下，钢管跨越架最大组合应力为270.26 Mpa，出现在横梁跨中的下弦杆(工况1)。在大风工况下，钢管跨越架最大组合应力为226.41 Mpa，出现在横梁跨中的下弦杆(工况3)。在断线工况下，钢管跨越架最大组合应力为225.68 MPa，出现在横梁跨中的下弦杆(工况6)。横梁直杆的最大应力比为0.961，横梁斜腹杆的最大应力比为0.069，立柱直杆的最大应力比为0.194，立柱斜腹杆的最大应力比为0.057，水平斜杆的最大应力比为0.934。

由以上可知：钢管跨越架结构中各类杆件的应力比均未超过 1.0，满足《钢结构设计规范》GB50017-2003中结构设计的要求[10]。

2)型钢跨越架结构位移

在不同的荷载工况下，钢管跨越架结构各构件的位移计算结果如表3所示，各工况下型钢跨越架结构最大竖向位移值曲线图如图4所示。最大竖向位移出现在横梁跨中位置，最大值为20.37 mm，跨中相对于跨端的竖向位移为20.37-(-24.24)=44.60 mm。跨越架横梁跨度为16.1 m，有

满足《钢结构设计规范》GB50017-2003中结构挠度小于跨度的1/250的要求。

表3 各工况下型钢跨越架结构最大竖向位移值单位：mm

图4 各工况下型钢跨越架结构最大竖向位移值

2.2 铝合金跨越架结构分析

2.2.1 结构分析的计算模型

铝合金跨越架结构的力学模型与钢管跨越架结构的一致。在有限元计算模型中，拉线采用桁架单元模拟，立柱与横梁全部采用梁单元模拟，立柱的底部节点以及拉线底端采用固定支座，约束三个方向的平动和转动位移，构件截面为700 mm×700 mm的铝合金圆管跨越架。

2.2.2 铝合金跨越架结构分析结果

1)铝合金跨越架结构应力

图5 各工况下铝合金跨越架杆件最大组合应力值

表4 各工况下铝合金跨越架杆件最大组合应力计算结果单位：MPa

由图5和表4可知，在施工工况下，铝合金跨越架最大组合应力为134.85 MPa，出现在横梁跨中的下弦杆(工况1)。大风工况下，铝合金跨越架最大组合应力为112.96 MPa，出现在横梁跨中的下弦杆(工况3)。在断线工况下，铝合金跨越架最大组合应力为112.90 MPa，出现在横梁跨中的下弦杆(工况 6)。

2)铝合金跨越架结构位移

在不同的荷载工况下，得出铝合金跨越架结构各构件的位移如表5所示。各工况下铝合金跨越架结构最大竖向位移值曲线图如图6所示。最大竖向位移出现在横梁跨中位置，最大值为30.55 mm，跨中相对于跨端的竖向位移为30.55-(-35.44)=65.99 mm，因此说明采用铝合金材质的模型是合理的，能够满足安全性能的要求。

表5 各工况下铝合金跨越架结构最大竖向位移值单位：mm

图6 各工况下铝合金跨越架结构最大竖向位移值

3 两种材质跨越架结构的力学性能对比

3.1 构件截面规格

钢管跨越架和铝合金跨越架各类杆件的截面规格对比如表6所示。

表6 两种材质跨越架各类杆件的截面规格对比

由表6可知，铝合金跨越架各类杆件的截面选取较钢管跨越架大很多，由于铝合金材质较轻，铝合金跨越架一个标准节的质量为163.7 kg，而钢管跨越架一个标准节的质量为209.5 kg，因此从经济效益和便于运输的角度来看，铝合金跨越架更好。

3.2 跨越架结构应力

钢管跨越架和铝合金跨越架各类杆件的最大组合应力值的对比如表7所示。

表7 两种材质跨越架杆件最大组合应力值对比单位：MPa

由于铝合金跨越架各类杆件截面选取较大，因此铝合金跨越架各类杆件最大组合应力较钢管跨越架小，计算结果差别较明显，最大组合应力均出现在横梁跨中的下弦杆，且最大应力值均未超过材料强度。

3.3 跨越架结构位移

组合式钢管跨越架和铝合金跨越架结构竖向最大位移值的对比如表8所示。

表8 两种材质跨越架结构竖向最大位移值对比单位：mm

由表8可知，铝合金跨越架和钢管跨越架的最大水平位移相差不大，而铝合金跨越架的相对竖向位移值较大，但依然能够满足结构安全性能的要求。

4 结论

本文提出了一种新型跨越架结构设计方案，并采用有限元法分别对钢管和铝合金材质的跨越架结构进行力学性能分析，得出如下结论：

(1)铝合金跨越架一个标准节的重量为163.7 kg，而钢管跨越架一个标准节的重量为209.5 kg，由于铝合金材质较轻，因此从经济效益和便于运输的角度来看，铝合金跨越架较优。

(2)根据各工况下跨越架力学计算结果，可知钢管跨越架和铝合金跨越架的最大组合应力值分别为270.26 Mpa、134.85 Mpa，均出现在横梁跨中下弦杆位置，而铝合金跨越架各类杆件最大组合应力较钢管跨越架小，计算结果差别较明显，因此铝合金跨越架更可取。钢管跨越架和铝合金跨越架的最大相对竖向位移值分别为44.60 mm和65.99 mm，均满足结构设计的力学性能要求。