地表變形對高壓輸電塔的影響

王永銳

(連云港中等專業學校，江蘇連云港 222000)

1 工程概況

我國對煤炭的需求在不斷日益劇增，煤炭作為我國主要能源的格局在未來幾十年內是不會發生改變的，這就造成了我國對煤炭開采的加劇，煤炭的過度開采就會造成大片的采空區。地下煤炭開采后，地表變形是一個復雜的動態變形過程，輸電鐵塔在地表移動過程中所處的不同位置，對輸電鐵塔的內力和變形影響很大。因此，研究動態地表變形對輸電鐵塔內力和變形的影響規律，對塌陷區輸電鐵塔的建設和安全性評估具有重要的意義。以山西某礦開采后留下的采空區上方的一輸電塔為例來進行分析，得到輸電塔在地表變形下內力及變形的變化。下沉曲線見圖1，地表已經產生沉陷及水平變形，具體情況見圖2。用有限元軟件ANSYS對輸電塔在地表變形下的受力進行數值模擬，可以為處于塌陷區任意位置的輸電鐵塔結構的設計和安全性評估提供理論依據。

圖1 下沉曲線（2010年）

圖2 地表變形

2 模型建立與計算分析

2．1 模型的建立

以開采路線的某一段開采區的輸電塔為計算實例建立模型，呼高21 m，總高度為21．3 m，根開3．73 m，直線跨越塔由各種等邊角鋼組成，塔腿部主材截面為Q345等邊角鋼，型號為∠200×14。將輸電鐵塔桿件的中心軸線交點連接處作為模型節點，兩節點間的角鋼簡化為模型單元，采用ANSYS程序進行數值分析，運用自底向上的建模方式，建立模型時各桿件都用Beam188單元，建立的ANSYS模型及節點編號見圖3。

2．2 變形工況

主要分析輸電塔在三種最不利工況下的附加內力及位移，具體工況如下:

工況一:輸電塔僅在支座B發生最大下沉2．5 m;工況二:輸電塔在支座B及支座D發生最大下沉2．5m;工況三:輸電塔在支座A、支座B及支座D發生最大下沉2．5 m。

2．3 計算分析

計算基于以下假設:1)輸電鐵塔基礎不發生破壞或者較大的變形，即地表變形直接通過輸電鐵塔基礎作用于輸電鐵塔支座上;2)在沉陷變形過程中，節點不會先于桿件發生破壞;3)采煤方向與x軸或者y軸平行，不考慮成角度的情況，即輸電鐵塔的兩側基礎位移分別相同。

由于本結構桿件較多，節點號也比較多，所以選取了比較重要的幾根桿件以及幾個節點來進行分析。具體的節點號及桿件號見圖3與圖4。

圖3 輸電塔模型及節點編號

圖4 桿件編號

表1 各工況下桿件軸力 kN

從表1可以發現，在工況一情況下各桿件的軸力值較其他工況下最大，最大值達到604 kN，當多個支座都發生豎向位移時，桿件的軸力有所減小;輸電鐵塔底部桿件的軸力變化較上部桿件變化幅度大，隨著高度增加，其軸力變化值越來越小;橫擔桿的軸力受豎向位移影響較小。

表2 各工況下各節點的位移 mm

從表2可以發現，在各種工況下節點位移主要發生在X與Z方向上，Y方向的位移變化不大，輸電塔在支座發生豎向位移時，底部節點X方向與Z方向的位移受支座豎向位移的影響遠小于頂部節點受支座豎向位移的影響。橫擔桿上各節點的豎向位移基本相等。

3 結語

1)在工況一情況下各桿件的軸力值最大，最大值達到604 kN，當多個支座發生豎向位移時，桿件的軸力有所下降。輸電鐵塔底部桿件的軸力變化較上部桿件變化幅度大，隨著高度增加，其軸力變化值越來越小。2)在各種工況下節點位移主要發生在X與Z方向上，Y方向的位移變化不大，輸電塔在支座發生豎向位移時，底部節點X方向與Z方向的位移受支座豎向位移的影響遠小于頂部節點受支座豎向位移的影響。3)橫擔桿上各節點的豎向位移基本相等，橫擔桿的軸力受豎向位移影響較小。

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