可拆分式抱桿的研制及其在青藏直流工程中的應(yīng)用

朱艷君，江明，黃克信，繆謙

(1.國(guó)家電網(wǎng)公司直流建設(shè)分公司，北京市，100052;2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市，100192)

0 引言

青藏直流輸電線路工程，東起青海格爾木換流站，西至西藏拉薩換流站，線路全長(zhǎng)1 038 km，平均海拔約4 650 m，最高海拔為5 300 m［1］。高原缺氧、地勢(shì)復(fù)雜等惡劣的自然條件造成了廣大工程建設(shè)者的勞動(dòng)能力、負(fù)載能力等大幅下降［2］。因此，在工程建設(shè)中減輕施工設(shè)備及工器具自重，以降低施工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度是保障工程建設(shè)的關(guān)鍵之一。

輸電線路施工抱桿為鐵塔組立施工的主要起重設(shè)備，一般按照鐵塔參數(shù)和施工要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，即滿足抱桿強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等要求的同時(shí)，兼顧施工及運(yùn)輸安裝對(duì)尺寸及重量的要求。常規(guī)抱桿一般采用整體標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，整體標(biāo)準(zhǔn)節(jié)易加工、造價(jià)低，但是其整體尺寸及單體重量?jī)H能滿足常規(guī)輸電線路鐵塔組立施工的勞動(dòng)強(qiáng)度，且采用機(jī)械運(yùn)輸時(shí)占用空間大、運(yùn)輸效率低。常規(guī)抱桿標(biāo)準(zhǔn)節(jié)一般單節(jié)長(zhǎng)度約3 m、單節(jié)質(zhì)量約150 kg［3］，人力運(yùn)輸?shù)膭趧?dòng)強(qiáng)度已經(jīng)很大。由于青藏高原特殊的自然條件和青藏直流輸電線路工程鐵塔特點(diǎn)，抱桿仍為整個(gè)線路工程地形惡劣地區(qū)組塔的主要施工設(shè)備。在青藏線路工程建設(shè)中，施工人員作業(yè)能力大幅下降，只有大幅減少設(shè)備重量，才能保障工程建設(shè)的順利進(jìn)行。如果按照常規(guī)設(shè)計(jì)思路，在抱桿總長(zhǎng)度不能更改的前提下，采用減少標(biāo)準(zhǔn)節(jié)長(zhǎng)度的方法減輕抱桿標(biāo)準(zhǔn)節(jié)重量，則導(dǎo)致抱桿標(biāo)準(zhǔn)節(jié)數(shù)量增多，整體自重、組裝難度增加，直線度很難滿足設(shè)計(jì)要求，且連接螺栓較多、組裝質(zhì)量很難控制，不僅增加了成本和工作量，也對(duì)施工造成了一定的安全質(zhì)量隱患，因此必須采用全新結(jié)構(gòu)形式的抱桿。

1 抱桿設(shè)計(jì)

抱桿的重量主要集中在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，因此可以采用將標(biāo)準(zhǔn)節(jié)拆分為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)片的方式來降低抱桿單件自重。根據(jù)青藏直流工程施工環(huán)境要求和鐵塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可拆分式抱桿的參數(shù)確定如下:最大長(zhǎng)度為26 m，抱桿最大截面為500 mm×500 mm，許用軸心壓力為89 kN，最大起重量為21.5 kN，抱桿本體最大單重不超過25 kg。

為了減輕單件自重，抱桿上下節(jié)采用1 m楔形鋁合金格構(gòu)式端節(jié)［4］，其單件質(zhì)量為24.7 kg。抱桿標(biāo)準(zhǔn)節(jié)長(zhǎng)為3 m，截面為500 mm×500 mm，由4個(gè)完全相同的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)片和3個(gè)穩(wěn)定框通過螺栓連接組成，其單件最大質(zhì)量為23.5 kg。抱桿可拆分式標(biāo)準(zhǔn)節(jié)如圖1所示，采用了可拆分標(biāo)準(zhǔn)節(jié)和1 m端節(jié)后，抱桿本體的最大重量不超過25 kg，能夠有效降低人力搬運(yùn)的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且可拆分式標(biāo)準(zhǔn)節(jié)在運(yùn)輸時(shí)占用空間小，也方便機(jī)械運(yùn)輸。

圖1 拆分式標(biāo)準(zhǔn)節(jié)Fig.1 Structure of modular mast section

2 材料選用

在青藏直流工程中，選用的機(jī)械設(shè)備材料應(yīng)考慮其低溫韌性。抱桿材料一般選用鋼材和鋁合金。鋁合金在低溫時(shí)強(qiáng)度增加、塑形提高，但剛度低，連接時(shí)需鉚接在鋼材上再通過螺栓連接，不適合制成可拆分式標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，而格構(gòu)式端節(jié)主材宜采用鋁合金。因此，抱桿端節(jié)主材選用2A12鋁合金，拆分式標(biāo)準(zhǔn)節(jié)采用鋼材。常用結(jié)構(gòu)鋼一般選用Q235和Q345。Q235屬于碳素結(jié)構(gòu)鋼，分為A、B、C、D共4個(gè)質(zhì)量等級(jí)。Q345屬于低合金結(jié)構(gòu)鋼，分為A、B、C、D、E共5個(gè)質(zhì)量等級(jí)。從經(jīng)濟(jì)角度上，Q345性價(jià)比相對(duì)Q235較高，市場(chǎng)價(jià)格也略高些。Q345比Q235屈服強(qiáng)度提高約45%，理論上用Q345可節(jié)約用鋼量15% ～25%。故抱桿標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主材采用Q345，部分輔材可選用Q235。從材料的經(jīng)濟(jì)性能來考慮，型號(hào)高的鋼材成本高，產(chǎn)量也較少，應(yīng)用廣泛的是B、C、D共3種型號(hào)。鋼材的型號(hào)依次更適合用于低溫狀態(tài)，并能提供安全的力學(xué)性能和穩(wěn)定的化學(xué)性能［5］。其化學(xué)成分僅在磷、硫指標(biāo)上有微小差別，但是最重要的區(qū)別在于沖擊韌性試驗(yàn)溫度。一般0～-20℃時(shí)采用C級(jí)鋼，當(dāng)溫度低于-20℃時(shí)采用D級(jí)鋼。綜合考慮青藏高原地區(qū)的氣候條件和施工環(huán)境等因素，抱桿標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主材選用Q345C，輔材選用Q235C。

3 抱桿檢測(cè)

可拆分式抱桿的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)由多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)片通過螺栓連接組成，抱桿強(qiáng)度與螺栓連接的可靠性是保障抱桿施工安全的關(guān)鍵。為了確保可拆分式抱桿的安全性，按照抱桿設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)要求［6］，對(duì)抱桿進(jìn)行了100%、125%、150%額定軸向壓力應(yīng)力測(cè)試。抱桿臥式加載方式，加載時(shí)采取拉力表與手扳葫蘆串聯(lián)，以記錄拉力數(shù)值。測(cè)試應(yīng)變片貼在抱桿端部和中間部分，抱桿測(cè)試方法如圖2所示，結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試布點(diǎn)如圖3所示，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。載荷測(cè)試中最大應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力(138 MPa)，強(qiáng)度和穩(wěn)定性安全系數(shù)均大于2.5， 且試驗(yàn)中螺栓連接可靠、無明顯變形，抱桿測(cè)試合格。

圖4 測(cè)點(diǎn)應(yīng)力Fig.4 Stress of test points

4 工程應(yīng)用

可拆分式抱桿于2011年4月運(yùn)抵青藏直流工程第10標(biāo)段453號(hào)鐵塔進(jìn)行工程應(yīng)用。該鐵塔塔型為ZV42-30，呼高 30 m、全高 35 m、根開 10.52m、橫擔(dān)寬度30 m、總質(zhì)量14.7 t。鐵塔基礎(chǔ)海拔4 910 m，為第10標(biāo)段中海拔最高的鐵塔，塔位處空氣含氧量不到平原地區(qū)的50%［7］。抱桿運(yùn)抵塔料場(chǎng)后，需人工搬運(yùn)至200 m外高約80 m的山頂塔位處。搬運(yùn)時(shí)，2人抬1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)片，平均單人負(fù)重約12 kg，有效降低了工地運(yùn)輸?shù)娜肆趧?dòng)強(qiáng)度。抱桿分片運(yùn)抵塔位后在塔位處組裝，組裝完成后搬起并進(jìn)行內(nèi)懸浮外拉線抱桿鐵塔組立施工。之后該抱桿完成了該標(biāo)段施工難度較大的421號(hào)等鐵塔組立施工。由于抱桿起重量大，其橫擔(dān)采用整體吊裝，減少了高空作業(yè)量。

拆分式抱桿在機(jī)械運(yùn)輸時(shí)將標(biāo)準(zhǔn)節(jié)拆成片式包裝，占用空間小。采用專用的木箱包裝后，更加方便機(jī)械運(yùn)輸及機(jī)械裝卸，且運(yùn)輸費(fèi)用低。抱桿單件重量小，工地運(yùn)輸時(shí)能夠有效減輕施工人員在人力搬運(yùn)時(shí)的勞動(dòng)強(qiáng)度。抱桿結(jié)構(gòu)安全可靠、施工安全性高，有效減輕了施工人員勞動(dòng)強(qiáng)度，受到現(xiàn)場(chǎng)施工人員的好評(píng)。同時(shí)在使用中發(fā)現(xiàn)抱桿連接螺栓的數(shù)量相對(duì)較多，需進(jìn)一步優(yōu)化連接設(shè)計(jì)，盡可能地降低勞動(dòng)強(qiáng)度。工程應(yīng)用表明可拆分式抱桿特別適用于高海拔等自然條件惡劣地區(qū)鐵塔組立施工，能夠有效減輕施工人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高施工安全性。

5 性能比較

為了減輕高海拔地區(qū)施工勞動(dòng)強(qiáng)度，施工單位選取抱桿時(shí)一般選用自重輕、起質(zhì)量小的鋁合金抱桿，導(dǎo)致組塔施工中吊裝次數(shù)增多且高空對(duì)接塔片的工作量增加，勞動(dòng)強(qiáng)度增加、施工效率降低。可拆分式抱桿與青藏直流工程十標(biāo)段使用的鋁合金抱桿的各項(xiàng)性能參數(shù)見表1。根據(jù)表1中各項(xiàng)參數(shù)分析得出，可拆分式抱桿相對(duì)鋁合金抱桿具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)起質(zhì)量大，減少了吊裝次數(shù)和高空作業(yè)量，提高了安全性和施工效率。

(2)單件質(zhì)量輕，能夠有效降低工地運(yùn)輸人力搬運(yùn)的勞動(dòng)強(qiáng)度。

(3)機(jī)械運(yùn)輸時(shí)占用空間小，機(jī)械運(yùn)輸、裝卸方便。

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6 結(jié)語

經(jīng)過工程應(yīng)用及性能比較可以看出:可拆分式抱桿設(shè)計(jì)新穎、實(shí)用性強(qiáng)，長(zhǎng)途運(yùn)輸時(shí)占用空間小，工地運(yùn)輸單件重量輕，能夠有效減輕施工人員在人力搬運(yùn)時(shí)的勞動(dòng)強(qiáng)度，特別適用于自然條件惡劣地區(qū)的大型鐵塔組立施工。

［1］祁正吉.青藏直流聯(lián)網(wǎng)工程線路施工全面開始［N］.國(guó)家電網(wǎng)報(bào)，2010-08-10.

［2］吳繼森.高原施工中人身保障問題的探討［J］.山西建筑，2004，25(12):123-124.

［3］郭玉珠，邵麗東，熊織明格構(gòu)式鋼管抱桿的研制、試驗(yàn)及應(yīng)用［J］.電力建設(shè)，2009，30(5):95-96.

［4］江明，郭玉瑩.鋁鋼組合式抱桿穩(wěn)定臨界力計(jì)算及分析［J］.電力建設(shè)，2006，27(12):24-26.

［5］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第 1卷)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［6］DL/T319—2010架空輸電線路施工抱桿通用技術(shù)條件及試驗(yàn)方法［S］.

［7］盛裴軒.大氣物理學(xué)［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2008:55-65.