組合式復合材料新型抱桿組塔技術

夏擁軍，倪達，張亞迪

（1．中國電力科學研究院，北京100055；2．國家電網(wǎng)公司交流建設分公司，北京100052）

組合式復合材料新型抱桿組塔技術

夏擁軍1，倪達1，張亞迪2

（1．中國電力科學研究院，北京100055；2．國家電網(wǎng)公司交流建設分公司，北京100052）

基于藏東、川西高原地區(qū)的特殊施工環(huán)境，針對輸電線路鐵塔組立施工中常規(guī)單體抱桿或搖臂抱桿質(zhì)量大、運輸和裝拆不便、拉線受山崖與峭壁等地形影響打設困難等施工難題，研制了組合式復合材料新型抱桿，提出了組合式復合材料抱桿內(nèi)懸浮、輔以外拉線撐桿的施工方法，通過在鐵塔主材節(jié)點加設撐桿、外拉線通過撐桿打設的特殊施工方案解決了特殊環(huán)境下的鐵塔組立難題。工程應用證明：組合式復合材料抱桿施工技術對施工環(huán)境適應性強、使用方便，可有效解決懸崖、孤山等地區(qū)傳統(tǒng)抱桿無法使用的塔位組塔難題，大大降低了施工人員的勞動強度，提高了施工安全性和施工效率。

輸電線路；鐵塔組立；組合式抱桿；碳纖維增強樹脂基復合材料；施工技術

0 引言

川藏電力聯(lián)網(wǎng)工程（簡稱川藏工程）線路東起四川甘孜藏族自治州的鄉(xiāng)城縣、途經(jīng)巴塘縣，西至西藏昌都，地處川藏高原腹地，穿越高海拔、低氣溫無人區(qū)，沿線高寒缺氧、地質(zhì)復雜、凍土廣布，施工難度極大。沿線平均海拔3 500 m以上，工程所經(jīng)區(qū)域全線高山大嶺約占55%，峻嶺約占17%，山區(qū)占28%，起伏落差大，溝壑縱橫。而工程所經(jīng)地區(qū)道路交通等基礎設施較為落后，約50%的路段交通條件困難，道路路況極差，氣候條件惡劣，施工環(huán)境極為復雜。

鐵塔組立施工是輸電線路施工中的重要環(huán)節(jié)，施工量大、安全風險高。在川藏地區(qū)的特殊施工環(huán)境下，道路運輸條件差，對組塔施工設備的自重等性能提出了更高要求。尤其是在懸崖、陡坎等無法打設施工外拉線的特殊環(huán)境下，迫切需要一種全新的組塔施工方案。

目前已開展的抱桿研究工作還不能滿足川藏工程特殊地形條件下的組塔施工需要[1]。針對川藏工程的特殊施工環(huán)境，開發(fā)了組合式復合材料新型抱桿，重量輕，方便了運輸和使用，并提出新型抱桿組塔方法，無需外加對地外拉線，解決了特殊地形下的組塔施工難題。

1 組合式復合材料抱桿的應用

由于川藏工程塔位多處于高差變化極大的孤山、半山、甚至危崖地帶，鐵塔組立地形條件極差。采用內(nèi)懸浮外拉線抱桿分解組塔工藝時，落地外拉線對地水平面夾角難于滿足不大于45°的要求，甚至不大于60°都難以滿足，若保證外拉線對地夾角，則外拉線過長，難于控制。采用內(nèi)懸浮內(nèi)拉線抱桿，通過加大抱桿傾斜角垂直起吊構(gòu)件以減少控制繩受力難度大，各部件受力將急劇加大。

研究提出了一種組合式抱桿施工方法，在主抱桿的基礎上增加4根輔助撐桿，撐桿一端安裝在輸電鐵塔節(jié)點上，另一端向鐵塔外側(cè)伸出為主抱桿提供拉線位置。同時由于傳統(tǒng)常規(guī)抱桿以鋼、鋁合金為主要材質(zhì)，質(zhì)量較重，對比選用了碳纖維增強樹脂基復合材料作為主抱桿和撐桿材料，降低了抱桿自重，方便了施工使用。

CFRP（碳纖維增強樹脂基復合材料）是一種先進的復合材料，在輸電線路中有著成功應用經(jīng)驗。其具有優(yōu)異性能[2]：較高的比強度和比模量、耐疲勞、熱膨脹系數(shù)小、耐磨擦、抗磨損、耐腐蝕性好、耐水性好。

表1為CFRP與鋼、鋁合金等材料的物理及力學性能對比。可以看出，CFRP的綜合性能優(yōu)異，比強度超過鋼的20倍，是鋁合金的7倍。彈性模量跟鋼和鋁合金比較差距不大。因此，CFRP用于制造抱桿具有較大優(yōu)勢。

表1 CFRP與鋼、鋁合金等材料的物理及力學性能對比

2 抱桿設計

對川藏工程鐵塔進行了吊裝分析，提出組合式復合材料新型抱桿的主要技術參數(shù)：主抱桿結(jié)構(gòu)斷面500 mm×500 mm，長度27 m，由6節(jié)組成（包括上、下變截面節(jié)），每節(jié)長度4.5m；采用鐵塔主材支點撐桿組塔時，吊重允許最大豎直偏角20°；抱桿豎直偏角10°時，重物最大豎直偏角10°；塔上外拉線對地60°以內(nèi)。最大起重量2.5 t。

主抱桿受力可按式（1）計算[3-5]。

式中：N為主抱桿的綜合計算軸向壓力；G為被吊構(gòu)件的重力；β為起吊滑車組軸線與鉛垂線間的夾角；ω為控制繩對地夾角；γ為抱桿拉線合力線對地夾角；T0為牽引繩的靜張力。

將各參數(shù)代入式（1）可得主抱桿的綜合計算軸向壓力為111 kN。因此主抱桿主材選用Φ80 mm×5 mm CFRP圓管，斜材選用Φ40 mm×5 mm CFRP圓管。

利用ANSYS軟件建立了主抱桿的有限元模型，對主抱桿各桿件受力及變形進行分析。模板位移約束如下：主抱桿底端施加鉸支座約束，頂端約束其水平位移；加載方式為在頂端施加偏心軸心壓力，考慮偏心距25mm，載荷值為111 kN。

主抱桿計算后的最大應力97.5 MPa，最大變形36.2 mm，滿足設計要求。主抱桿本體由4節(jié)標準節(jié)和兩端變截面節(jié)組成，其中標準節(jié)如圖1所示，變截面節(jié)如圖2所示。

圖1 主抱桿標準節(jié)

圖2 主抱桿變截面節(jié)

復合材料間不能直接在材質(zhì)上鉚接或是螺栓連接，故采用鋁合金連接頭做為過渡，復合材料與鋁合金連接頭膠接固定。主抱桿主材與斜材端部均連接鋁合金抱箍，再通過鋁合金抱箍鉚接，即可將主材與斜材連接在一起，如圖3所示。

圖3 主抱桿桿件連接

撐桿采用單體柱式，整體纏繞成型。頂部采用帶孔十字拉板，將其端部內(nèi)法蘭套入桿端部，采用工業(yè)用環(huán)氧膠粘接固定，即法蘭粘接面和桿端粘接面膠接，如圖4所示，從而可實現(xiàn)撐桿與其它構(gòu)件的連接。

圖4 組合式復合材料抱桿的撐桿

3 組合式復合材料新型抱桿組塔流程

組合式復合材料抱桿組塔施工流程如下：

（1）起立主抱桿。根據(jù)組塔現(xiàn)場地形，利用小人字抱桿整體起立主抱桿。

（2）吊裝塔腿段。由于川藏工程鐵塔塔腿段根開較大，同時塔片較重，吊裝塔腿段采用先吊裝塔腿段主材，再吊裝塔腿段斜材的方法，如圖5所示。

（3）吊裝下塔段。塔腿段上部的2段塔段，塔片較重，不能整體吊裝塔片。由于主抱桿立在地面時其吊裝高度與吊裝距離也滿足2段的吊裝，故采用先吊裝主材，再吊裝斜材的方式進行吊裝。完成上述3段塔段的吊裝后，即需第一次提升抱桿。

（4）提升主抱桿及安裝撐桿。抱桿提升時必須設置不少于2道腰環(huán)。提升抱桿前，在已組塔身頂端下方節(jié)點處安裝撐桿的專用卡具。待2道腰環(huán)受力后，在抱桿頂端的拉線孔連接好4根撐桿的上拉線，連接完成后，即可吊裝撐桿。撐桿吊裝到位后與上拉線的下端連接。

圖5 吊裝塔腿示意

使用5 t提升滑車和磨繩組成的滑車組提升抱桿。抱桿高出已組塔體的高度，應滿足高出塔身高度19~20m之間。抱桿提升到預定高度后，由塔身人員將撐桿利用銷軸連接到已安裝的撐桿專用卡具中，完成后再將承托繩固定在主材節(jié)點的上方或預留孔上的專用掛板。抱桿懸吊滿足承托繩對抱桿夾角≤45°，撐桿滿足對水平面的夾角在10°~15°之間，主抱桿提升見圖6。

圖6 主抱桿提升示意

抱桿固定后，利用8字制動器和鏈條葫蘆收緊下拉線并分別固定在4個塔腳上的施工孔內(nèi)，完成抱桿提升。調(diào)整腰環(huán)使腰環(huán)呈松弛狀態(tài)，調(diào)整抱桿適當向起吊方向傾斜，以改善起吊系統(tǒng)受力及利于吊件就位。

（5）塔片地面組裝。根據(jù)抱桿提升高度、抱桿承載能力等，劃定構(gòu)件的分段、分片，在平整場地組裝塔片。塔片組裝時如有不平的地方，必須用枕木墊平，保證主材不受扭曲及彎屈剪力，以免發(fā)生構(gòu)件受力變形。如塔片可能產(chǎn)生變形，應采取補強措施。

（6）塔片的綁扎。起吊繩的綁扎位置必須在塔片的結(jié)構(gòu)重心線上。吊點應選擇在塔片兩側(cè)主材的接點處，綁扎繩應通過卸扣與塔材連接。

（7）吊裝塔身段和地線支架。起吊塔片過程中（如圖7所示），負責控制繩的人員應調(diào)整起吊構(gòu)件與組好塔身的距離，最小距離應保證大于0.5m。構(gòu)件起吊到安裝位置時，停止牽引，進行塔片安裝，但絞磨不能停機，保持運轉(zhuǎn)狀態(tài)。同時，調(diào)整控制繩，使主材連接孔相對應，用尖扳手插入連接孔，裝上一顆螺栓，繼續(xù)調(diào)整，至全部螺栓安裝就位。吊裝過程中根據(jù)需要提升主抱桿及撐桿。

圖7 橫擔吊裝示意

（8）橫擔吊裝。左右橫擔可利用已組裝好的地線支架進行吊裝，吊裝采用2點吊裝如圖8所示。

（9）抱桿拆除。鐵塔吊裝完畢后，便可進行抱桿的拆除工作。抱桿的拆除是利用塔頭頂端作懸掛點拆除抱桿。拆除主抱桿前，應先將2道腰環(huán)設置好，并利用腰環(huán)和下拉線調(diào)整主抱桿正直。在塔頭頂端中心掛30 kN滑車，及時拆除承托繩、拉線、起吊滑車組，然后使抱桿緩緩下落，待撐桿松弛后拆除撐桿；繼續(xù)使抱桿下落，同時拉緊桿根部棕繩，將抱桿引出塔身。

圖8 橫擔吊裝示意

組合式復合材料新型抱桿在川藏工程得到了成功應用，順利完成了多基鐵塔的吊裝組立，使用效果良好，施工實例如圖9所示。

圖9 組合式抱桿組塔施工

4 結(jié)論

組合式復合材料新型抱桿質(zhì)量輕，搬運和裝拆方便，同時解決了懸崖、陡坎等無法打設拉線的特殊施工地形下的組塔施工難題，經(jīng)工程應用后證明具有如下優(yōu)點：

（1）組合式復合材料抱桿的工作溫度介于-50℃～+60℃，具有較好的低溫適用性，特別適合于輸電線路野外施工。

（2）組織式復合材料抱桿質(zhì)量輕，僅是同等起重量鋁合金抱桿質(zhì)量的85%，占用空間小，運輸方便，能夠有效減輕施工人員搬運時的勞動強度，適宜運輸困難地區(qū)的鐵塔組立。

（3）組織式復合材料抱桿采用外加撐桿設計，提高了抱桿的地形適用性，可滿足不同地形條件下的鐵塔組立施工需要。

[1]郭玉珠，邵麗東，熊織明.格構(gòu)式鋼管抱桿的研制、試驗及應用[J].電力建設，2009，30（5）∶95-96.

[2]田超凱.玻璃鋼產(chǎn)品在電力行業(yè)的應用[J].纖維復合材料，2011（2）∶40-43.

[3]DL/T 5287-2013 800 kV架空輸電線路鐵塔組立施工工藝導則[S].北京：中國電力出版社，2013.

[4]DL/T 875-2004輸電線路施工機具設計、試驗基本要求[S].北京：中國電力出版社，2004.

[5]DL/T 319-2010架空輸電線路施工抱桿通用技術條件及試驗方法[S].北京：中國電力出版社，2010.

Construction Technology of Combined Composite M aterial Holding Pole

XIA Yongjun1，NIDa1，ZHANG Yadi2
（1.China Electric Power Research Institute，Beijing 100055，China；2．Communications Construction Branch of SGCC，Beijing 100052，China）

In accordance with the special construction circumstance in Eastern Tibet and Western Sichuan highlands，heavy single holding pole or holding pole with rotating arm，inconvenient assembly and disassembly as well as difficulty in line stringing of holding pole due to landform and cliff，the combined composite material holding pole is developed and a construction method of internally-suspended and externally-guyed holding pole is proposed.By adding supporting poles on nodes of tower body and fastening external guy to support pole，the tower erection in special circumstance is accomplished by the special construction scheme. The engineering practice indicates that the construction technique of combined composite material holding pole is applicable to construction circumstances，convenient to use and can effectively handle tower erection difficulties in cliff and isolated mountains in which the traditional pole can not be used；the new construction technique can greatly lower labor strength of construction workers and improve construction safety and efficiency.

transmission line；tower erection；combined holding pole；carbon fiber reinforced resin matrix composites；construction technology

TM752

B

1007-1881（2016）01-0023-04

2015-07-03

夏擁軍（1977），男，博士，高級工程師，主要研究方向為輸變電工程施工技術與裝備。