大直径钢管混凝土输电塔浇筑过程结构稳定性分析

2024-05-15张必余刘云飞朱立明王静峰胡子明

安徽建筑 2024年4期

张必余，刘云飞，朱立明，王静峰，胡子明

（1.国网安徽送变电工程有限公司，安徽合肥 230071；2.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009）

0 引言

由于我国能源分布极不平衡，因此可以支撑长距离送电的输电线路将在我国的经济发展中起到极其重要的作用[1]，近年来在“西电东送、南北互供、全国联网”的电网建设格局下[2]，远距离输电线路的建设如火如荼。随着特高压输电技术的兴起，对输变电架构提出了更高的要求。钢管混凝土结构由于钢管与混凝土之间的组合效应，逐渐运用到了大跨越输电塔的建设过程中。2010年6月，高度为370m 的220kV 舟山与大陆联网工程输电塔竣工，该钢管混凝土输电塔再次刷新了输电塔的高度记录。2020 年5 月，500kV 舟山大跨越工程（380m）落成，与原有舟山大跨越工程相同，为钢管混凝土杆塔结构，并将输电塔高度纪录提高10m，取得了良好的效果。钢管混凝土结构具有承载力高、塑性和韧性好、制作和施工方便等优点，拥有广阔的前景，钢管混凝土杆塔结构是满足特高压输电更高要求的重要技术手段。但是现阶段的钢管混凝土输电塔主要采用钢管-钢骨混凝土作为结构主材，其施工安装难度大，而素钢管混凝土的应用较为罕见，相关的施工方法研究较为欠缺。

本文以池州长江大跨越输电杆塔结构为例，该结构采用素钢管混凝土-钢管的组合塔，塔高345m，混凝土浇筑高度为94m，钢管最大直径达1.9m。由于混凝土浇筑高度高、浇筑量大，在浇筑过程中将产生较大的施工荷载，相关施工工况验算方法尚无参考；由于养护条件的限制，大体积混凝土的水化放热问题不可忽略。本文通过有限元分析法，对大直径钢管混凝土杆塔主材浇筑过程中结构的受荷稳定性以及养护过程中水化温度场进行精细化有限分析，为结构施工方案设计提供参考依据。

1 杆塔浇筑过程结构安全性分析

1.1 工程概况

池州长江大跨越输电塔（如图1 所示），跨江点北岸位于铜陵市枞阳县藕山镇新开村，南岸位于池州市贵池区秋江街道后新洲。跨越采用“耐-直-直-耐”的跨越方式，档距分布为581m-2351m-568m。两岸采用相同的跨越塔和锚塔，跨越塔全高约345m。主管采用C50微膨胀自密实混凝土的泵送灌注，灌注后自然成型。跨越塔混凝土灌注高度（以地面起算）为94m，分两次灌注，第一次灌注高度约46m，第二次浇筑段高度为48m。单层浇筑高度大，混凝土未成型前对结构产生荷载影响不可预料。

图1 池州长江大跨越输电塔

1.2 大直径钢管混凝土构件浇筑荷载影响有限元分析

有限元分析作为结构受力分析的常用方法之一，广泛应用于各类结构的设计过程中，大型结构体系内力分析中往往借助于梁单元，该单元无法体现结构的细部构造应力分布。此外，混凝土浇筑未成型前的液体压力荷载对节点的影响是杆塔施工安全的关键问题，传统的建模方法无法施加混凝土浇筑流体压力荷载，为此本文提出了一种不同单元耦合的组合模型，该模型可以展现关键节点的受荷情况与整体结构的内力分布。

1.2.1 模型建立

根据塔身设计图纸，采用ABAQUS大型有限元分析软件建立1：1 的整体分析模型。根据塔身结构分布，采用三种类型的单元分别模拟主材构件、各斜材与辅材和关键节点。其中主材钢管采用S4R 壳单元进行模拟，关键节点各组成部件均采用C3D8R 进行模拟，而各斜材与辅材则采用梁单元进行模拟。采用壳单元和实体单元可以更好地反映荷载的布置情况以及局部的应力集中问题，采用梁单元可以对不重要的节点和构件进行简化以减少计算成本。

该模型对节点的构造进行细部建模，包含连接节点的内外法兰板、加劲肋及螺栓等。上下钢管法兰之间、螺栓与构件之间采用面面接触（Surface-tosurface contact），其余部分采用Tie 约束。此外，节点与主材钢管之间采用壳单元-实体单元耦合约束（Shell-tosolid coupling），斜/辅材与结构采用耦合约束（Coupling）。钢材采用双折线模型以及各向同性硬化，结构的主管采用Q420，辅材采用Q355，屈服强度依据《钢结构设计规范》（GB 50017-2017）[3]确定，8.8级螺栓屈服强度为640MPa。

荷载方面除自重荷载外，通过对钢管内壁施加净水压力来模拟混凝土在浇筑后未成型前的流体状态下对钢管内壁的环形压力。具体施加方法是根据混凝土的高度及容重计算出液体压力，并通过对壳单元表面施加面荷载，该方法仅适用于壳单元与实体单元，这也是此建模方式的必要性。此外螺栓预紧力按M72 螺栓的推荐预紧力取值，即1438.9kN。

图2 塔身整体模型

1.2.2 有限元分析结果

本节分析了整体钢管混凝土输电塔腿应力分布，如图3 所示。由计算结果可知，混凝土在浇筑后未成型前对钢管的环向压力从上至下逐渐增大，并在接近柱脚时达到最大的34MPa，未达到钢管屈服强度，对钢管的影响较小。在液体压力作用下结构的应力水平较低，对于主材钢管的影响较小，表明混凝土的湿荷载对于结构来说等级较小。

图3 杆塔整体应力分布

此外本文分析了钢管混凝土输电塔主材连接节点的应力分布情况，如图4所示。由计算结果可知，节点处钢管应力较小，而法兰连接处由于螺栓的预紧力作用，使得螺杆最大应力达439MPa，最大位移为0.27mm，幅度较小。此外，连接节点的法兰上下截面未脱开，施加的预紧力可以保障节点的稳定，内部混凝土渗漏风险较低，验证了结构浇筑施工过程中结构的安全性。

图4 节点应力分布

2 杆塔浇筑过程温度场数值仿真

大体积混凝土的水化温度场对混凝土成型的质量至关重要，大型钢管混凝土输电塔主管直径达1.9m，浇筑体积大且养护条件不可控制，采用布置温度计的方式在密闭的钢管中难以实现，在以往的工程中由于钢管混凝土构件的尺寸较小、浇筑长度低，水化放热问题往往被忽略。混凝土水化放热行为复杂，水化温度场的有限元模拟较为罕见。本文基于水化度，通过ABAQUS 用户子程序UMATHT，实现了钢管混凝土输电塔浇筑过程水化温度场的模拟。

2.1 模型建立

2.1.1 用户子程序实现

混凝土成型过程中混凝土放热与水化程度有关，水化程度可以由混凝土的等效龄期定义，而混凝土的导热系数、比热等力学指标均与等效龄期相关，基于此该用户子程序的工作流程为[4]定义混凝土的升温曲线→根据当前温度计算此步长的等效龄期→根据等效龄期定义混凝土相关热学指标参数→根据等效龄期计算当前步的混凝土内能释放量→计算下一步的温度场。

混凝土的当前放热量是混凝土放热曲线和时间的导数，这是一个明显的常微分方程求解问题，本文采用向前欧拉法计算，该方法需要控制每一步的步长足够小，因此本文采用每步长0.1h。

2.1.2 材料性能定义

①混凝土的水化度及等效龄期

混凝土的水化度和等效龄期均是反映混凝土实际水化程度的指标，该指标与养护过程中的实际温度及反应活化能相关指标，通过文献[5-6]中提出的公式进行定义。

②混凝土导热系数

混凝土的导热系数是混凝土传热速率的重要指标，混凝土的导热系数与其级配、骨料的种类等相关。此外，其导热系数同样与混凝土的龄期相关，其可以引用Anton Karel Schindler[7]建立公式：

式中，k(α)表示水化度为α时的导热系数；ku为最终导热系数，本文在计算中取8.33。

③比热容

比热容是表示单位质量材料热容量的物理量，同样比热主要相关参数为温度、骨料和含水量，本文依据文献[8]的公式定义。

④混凝土配合比

根据混凝土的配合比以及上述公式确定材料性能，此外，自密实混凝土总放热198230kJ/m3，混凝土的具体配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比

2.1.3 有限元模型建立

本节建立超高杆塔大直径钢管混凝土一层杆塔混凝土水化热模拟阶段模型，分别建立钢管及核心混凝土模型，混凝土及钢管之间两壁贴合采用Tie约束。外表面根据池州市28 天的天气预报，采用余弦函数拟合天气变化曲线。钢管与空气的换热系数与风速相关，本文收集了池州大跨越施工现场的风速数据，确定了换热系数随时间的变化关系。

混凝土的浇筑过程是逐步完成的，采用Lagrange 标架下，混凝土的不断生成是困难的。本文采用生死单元方法混凝土浇筑过程，将核心混凝土沿长度方向划分为数个分段，每5h 浇筑激活下一段混凝土浇筑段，整个钢管混凝土的浇筑时间为20h，因此将一个浇筑段划分为40个段，分别激活，如图5所示。

图5 钢管混凝土浇筑模型示意图

2.2 有限元分析结果

由于钢管的导热系数大，钢管混凝土的降温过程加快，因此需提取混凝土浇筑过程中的最大升温、最大降温速、最大温差进行分析，本文提取了有限元模拟结果的各测点（如图6 所示）温度曲线绘于图7。

图6 水化热测点

图7 浇筑温度变化模拟图

由图7所示，最大温度为53℃、最大升温33℃、最大温差为17℃、最大温降0.3℃/h。相较于养护条件好的混凝土结构，其最大升温明显减少，而混凝土的降温速率稍快但依然在合理范围内。该钢管混凝土大跨越杆塔的浇筑施工均是在春夏完成，环境温度较高，当气温较低且环境温度进一步降低时，混凝土的降温速率进一步加大，应采用合理的手段保证其养护条件。