平臂塔式跨越架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳雪松，羅義華，周煥林

(1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.安徽省電力公司，安徽 合肥 230009)

跨越架是一種能迅速搭建并跨越一定范圍的架體，其作用是保證輸電線(xiàn)路架線(xiàn)施工時(shí)被跨越設(shè)施的安全運(yùn)行。跨越架從最初的腳手架式，發(fā)展形成了站立式抱桿、金屬格構(gòu)式和索橋跨越等多種形式。呂江林[1]等介紹了常用跨越架線(xiàn)施工方法，闡述其工作原理和應(yīng)用范圍，并對(duì)跨越架線(xiàn)施工影響因素進(jìn)行了分析；王玉華[2]討論了高鐵跨越架結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載計(jì)算方法、斷線(xiàn)荷載模擬，提出了新的整體穩(wěn)定分析方法；石亮[3]等設(shè)計(jì)了一種安全、穩(wěn)固、結(jié)構(gòu)輕巧且安裝方便的模塊化輸電線(xiàn)路跨越架；丁晨[4]研發(fā)了一種抱桿自立式跨越架，利用了抱桿強(qiáng)度高和抗載能力強(qiáng)的特性；梁益嘉等[5]提出了一種高機(jī)動(dòng)性、能夠快速自動(dòng)展開(kāi)的車(chē)載移動(dòng)式跨越架。

平臂自升塔式跨越架的設(shè)計(jì)借鑒了塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念。文朝輝等[6]建立了塔式起重機(jī)模型，實(shí)現(xiàn)了塔式起重機(jī)的系列化、規(guī)范化力學(xué)分析；滕儒民等[7]結(jié)合CAD的裝配參數(shù)化技術(shù)，有效地解決了動(dòng)臂塔式起重機(jī)臂架系統(tǒng)有限元模型參數(shù)化的問(wèn)題；周奇才等[8]提出了基于連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化的桁架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)塔式起重機(jī)臂桁架結(jié)構(gòu)腹桿的布局優(yōu)化；賈潔等[9]以結(jié)構(gòu)橫截面尺寸為優(yōu)化變量，并對(duì)其結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小化進(jìn)行迭代計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了起重臂結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)，并且提升了臂架強(qiáng)度；包恩和等[10]指出鋼框架局部變形中，柱變形與總變形比值隨柱梁剛度比和梁柱截面高度比的增大而減小；趙維等[11]對(duì)跨越架封網(wǎng)結(jié)構(gòu)在不同工況下的力學(xué)性能進(jìn)行分析，總結(jié)出封網(wǎng)結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)的影響規(guī)律；高強(qiáng)等[12]以某型式塔機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種均載機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算。

1 工程概況

本文研究的平臂塔式跨越架用于跨越鐵路、公路或已有輸電線(xiàn)路，保證新建輸電線(xiàn)路架線(xiàn)施工時(shí)被跨越設(shè)施的安全。跨越架主體采用鋼結(jié)構(gòu)，分自立式塔身和橫梁臂架，并配備自升降系統(tǒng)和轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)。可靈活調(diào)整跨越架的高度和角度。塔身由標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組立而成，跨越高度可達(dá)60 m；臂架可在空中對(duì)接，保護(hù)范圍可達(dá)120 m；臂架上頂面直接形成1個(gè)寬4 m的放線(xiàn)平臺(tái)，無(wú)需其他封網(wǎng)設(shè)施，即可同時(shí)完成4根導(dǎo)線(xiàn)的跨越工作。2個(gè)跨越架對(duì)接后結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 對(duì)接的跨越架

跨越架的設(shè)計(jì)主要包括結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)、截面尺寸選型和轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)3個(gè)方面。

2 結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)

2.1 塔身設(shè)計(jì)

采用上回轉(zhuǎn)式自升塔式跨越架，塔身固定不動(dòng)，主要承受軸力荷載。由于上部旋轉(zhuǎn)而塔身不轉(zhuǎn)，塔身的受力情況隨臂架的不同方位而在變化，故而采用桁架式塔身結(jié)構(gòu)，并沿塔身高度做成等截面結(jié)構(gòu)。塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)如圖2所示，塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)規(guī)格為1.8 m×3 m，最大組合高度為60 m，各節(jié)間為螺栓連接。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)

2.2 臂架設(shè)計(jì)

臂架是跨越架的重要組成部分，承受著跨越架主要的工作載荷。設(shè)計(jì)了一種箱型截面型式的臂架結(jié)構(gòu)，如圖3所示，臂架標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度10 m，由5個(gè)2 m段組成，上平面寬4 m，下底寬1.2 m，高度為1.5 m。其中按應(yīng)力分布的趨勢(shì)，臂架主弦桿每10 m設(shè)置為一個(gè)變截面段，同一區(qū)段內(nèi)的桿件截面參數(shù)相同。長(zhǎng)臂部分長(zhǎng)40 m，由4節(jié)臂架標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組成，短臂和橫擔(dān)部分長(zhǎng)20 m，由2節(jié)臂架標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組成，各節(jié)間為法蘭盤(pán)連接。

圖3 臂架

3 截面選型

跨越架實(shí)際應(yīng)用時(shí)，作業(yè)人員首先在被跨越的設(shè)施兩側(cè)地面上進(jìn)行跨越架的組立安裝，跨越架可根據(jù)被跨越設(shè)施實(shí)際情況，通過(guò)頂升套架上的液壓裝置，逐步完成塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的連接，將臂架升至預(yù)期高度。跨越架主體立柱部分安裝完畢后，可通過(guò)操作轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)，將兩側(cè)長(zhǎng)懸臂架在被跨越設(shè)施上方連為一體，格構(gòu)式臂架上頂面直接形成放線(xiàn)平臺(tái)，起到硬封網(wǎng)作用。

采用上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案分別建立了施工安裝時(shí)的單個(gè)平臂塔式跨越架有限元模型(見(jiàn)圖4)和對(duì)接后的跨越架有限元模型(見(jiàn)圖5)，其中梁?jiǎn)卧M跨越架的主弦桿，桿單元模擬跨越架的輔材，分析不同荷載組合作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

圖4 單個(gè)跨越架模型

圖5 對(duì)接的跨越架模型

根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 3811—2008)要求[13]，平臂塔式跨越架按極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，跨越架體主要承受自重荷載、配重荷載、導(dǎo)線(xiàn)荷載和風(fēng)荷載。其中風(fēng)荷載分為正常工作風(fēng)荷載(風(fēng)速為10 m/s)和極限大風(fēng)荷載(風(fēng)速為27 m/s)，并要求跨越架結(jié)構(gòu)在大風(fēng)工況下能保證結(jié)構(gòu)安全、不發(fā)生傾覆事故，在正常工作工況下跨越架結(jié)構(gòu)的變形能滿(mǎn)足跨越放線(xiàn)施工的要求，其結(jié)構(gòu)荷載如表1所示。

表1 架體荷載

3.1 塔身截面選型

塔身由標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組立而成，因此只需優(yōu)化一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)內(nèi)的桿件截面型號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主弦桿編為1號(hào)，直腹桿編為2號(hào)，中間斜腹桿編為3號(hào)，如圖2所示。塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主要承受軸力作用，為了滿(mǎn)足構(gòu)件的穩(wěn)定性和施工組裝方便快捷的要求，應(yīng)優(yōu)先考慮等邊角鋼的截面型式。參考《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 3811—2008)對(duì)長(zhǎng)細(xì)比和應(yīng)力的限值要求[13]，對(duì)跨越架結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行鋼構(gòu)件驗(yàn)算分析，對(duì)型鋼庫(kù)的角鋼進(jìn)行優(yōu)選，塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)截面選型結(jié)果如表2所示。

表2 塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)選型結(jié)果

3.2 臂架截面選型

臂架結(jié)構(gòu)采用變截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，每段標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的截面型號(hào)都不相同，考慮臂架桿件較多，不宜將每個(gè)桿件的截面屬性設(shè)為變量，基于結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和初步的計(jì)算結(jié)果，將同一位置及功能相近的桿件分組歸并。如圖6所示，從臂尖到塔身處，分別編號(hào)為1、2、3、4，短懸臂編號(hào)為5，長(zhǎng)懸臂輔材編為6，短懸臂輔材編為7。依據(jù)截面選型優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，確定臂架各部分結(jié)構(gòu)型鋼型號(hào)，臂架選型結(jié)果如表3所示。

圖6 臂架桿件編號(hào)

表3 臂架標(biāo)準(zhǔn)節(jié)選型結(jié)果

在上述選型基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體安全性也經(jīng)過(guò)校核，符合要求。

4 轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)塔式起重機(jī)的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)了一種雙回轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)，即對(duì)稱(chēng)布置一對(duì)行星小齒輪，其中輸出的小齒輪作為行星齒輪圍繞著齒圈做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。該轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)包括上支座、下支座和回轉(zhuǎn)支承3個(gè)部分。

4.1 轉(zhuǎn)臺(tái)模型

建立轉(zhuǎn)臺(tái)的三維有限元模型如圖7所示。轉(zhuǎn)臺(tái)彈性模量為E=2.06×105MPa，泊松比γ=0.3，密度ρ=7.8×10-3kg/mm3，采用四面體實(shí)體單元模擬回轉(zhuǎn)支承，殼單元模擬上、下支座。在仿真模擬中，齒圈與下支座、回轉(zhuǎn)支承與上支座、下支座與塔身主弦桿固接，并在齒輪間定義接觸約束模擬齒輪嚙合運(yùn)動(dòng)。

圖7 轉(zhuǎn)臺(tái)模型

轉(zhuǎn)臺(tái)的受力復(fù)雜，全部荷載包括起升平面內(nèi)的懸臂自重、導(dǎo)線(xiàn)荷載以及作用在轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)平面內(nèi)水平方向上的風(fēng)力、回轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的扭矩等。計(jì)算時(shí)，主要考慮垂直力、扭矩和彎矩對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的共同作用，并選擇對(duì)跨越架最不利的工況(在最不利工況下，轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)一邊承受155.8 kN壓力，一邊承受82.8 kN拉力)進(jìn)行分析計(jì)算，平臂自升塔式跨越架轉(zhuǎn)臺(tái)載荷如表4所示。

表4 回轉(zhuǎn)過(guò)程中轉(zhuǎn)臺(tái)荷載

4.2 計(jì)算結(jié)果

轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)力如圖8所示，高應(yīng)力區(qū)集中在上支座的上、下蓋板以及肋板與主弦受壓一側(cè)對(duì)稱(chēng)線(xiàn)附近以及下支座的下蓋板、肋板與主弦支腿受壓一側(cè)的對(duì)稱(chēng)線(xiàn)附近。其中，上支座上蓋板的最大應(yīng)力為75.02 MPa，下蓋板的最大應(yīng)力為110.15 MPa，轉(zhuǎn)臺(tái)下支座上蓋板的高應(yīng)力區(qū)發(fā)生在主弦支腿受壓一側(cè)附近，最大應(yīng)力值為88.54 MPa。下蓋板高應(yīng)力區(qū)發(fā)生在主弦支腿受壓一側(cè)的對(duì)角線(xiàn)上，其最大應(yīng)力值為81.29 MPa。轉(zhuǎn)臺(tái)最大應(yīng)力在下支座肋板與上蓋板受壓側(cè)的交接處，其應(yīng)力值為200.01 MPa，均低于材料的屈服極限。

轉(zhuǎn)臺(tái)變形最大點(diǎn)發(fā)生在上支座受壓一側(cè)主弦懸臂端，最大變形為0.3 mm，滿(mǎn)足轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)剛度大、承載力強(qiáng)的要求，轉(zhuǎn)臺(tái)的位移見(jiàn)圖9。

圖8 應(yīng)力云圖

圖9 位移云圖

5 結(jié)論

以平臂塔式跨越架為研究對(duì)象，完成了跨越架結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)、截面尺寸選型以及轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)3個(gè)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。基于起重機(jī)空間桁架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，完成了塔身和臂架標(biāo)準(zhǔn)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，臂架可直接作為封網(wǎng)結(jié)構(gòu)，避免傳統(tǒng)跨越施工的封網(wǎng)時(shí)間和費(fèi)用；完成了塔身和臂架截面優(yōu)化選型，跨越架結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力等符合安全要求；設(shè)計(jì)了一種雙回轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)臺(tái)受力合理，保證塔架回轉(zhuǎn)過(guò)程中的平穩(wěn)性。該塔架結(jié)構(gòu)在輸電導(dǎo)線(xiàn)跨越架線(xiàn)工程中可發(fā)揮重要的安全防護(hù)作用，具有一定的應(yīng)用和推廣價(jià)值。