輸電線路懸索式跨越架抗沖擊性能影響規律研究

馬勇， 夏擁軍， 張恒武， 易南健

(1. 中國電力科學研究院有限公司，北京 100192；2. 國網湖南省電力有限公司，湖南 長沙 410009)

0 引言

近年來，為解決我國能源分布問題，特高壓工程開展大規模建設[1—5]，但其施工安全性不容忽視。架線施工在跨越高鐵、高速公路與重要輸電線路時，通常會在導線下方搭設跨越架來保護被跨物[6—10]。懸索式跨越架(以下簡稱跨越架)因比強度大，不受地形影響，故而被廣泛應用，但其設計通常基于靜力學方法。在實際應用過程中，導線在斷線或跑線事故工況下將對跨越架產生高速沖擊，采用沖擊動力學的方法對跨越架力學行為進行描述更為準確，但該方法會帶來巨大的成本與難度。

跨越架的承載索與絕緣網由不同直徑的超高分子量聚乙烯(ultra high molecular weight polyethylene，UHMWPE)繩組成，UHMWPE因力學性能優異，成功應用于航空航天、軍事與醫療等領域[11—15]。國內外研究學者已開展UHMWPE層合板抗沖擊性能影響研究，Kromm等人[16]對UHMWPE纖維在不同加載速度和溫度下進行了拉伸和蠕變試驗，Li等人[17]研究了UHMWPE纖維層壓板在一定應變率范圍內的單向拉伸性能，推導了材料強度和彈性模量的動態增長因子，孫非等[18]開展了手槍彈對帶UHMWPE軟防護明膠靶標沖擊效應的數值分析。除此之外，Alex J等人[19]在分子水平出發研究了基體彈性體的分子動力學對UHMWPE層合板沖擊變形的影響。目前，關于跨越架用UHMWPE繩的研究較少，繩編制結構因與層合板完全不同，材料性質存在差異。陳保家等[20]僅通過懸鏈線公式進行了跨越架承載索線密度與破斷力的定性分析。然而現有仿真方法不夠成熟，跨越技術參數對跨越架抗沖擊影響規律未深入研究[21]。

因此，文中通過不同直徑UHMWPE繩在一定拉伸速率下的拉伸試驗得到其材料屬性，提出UHMWPE繩的沖擊仿真方法，建立UHMWPE繩在一定沖擊載荷下的有限元模型，并通過試驗驗證仿真方法的正確性。在此基礎上，建立跨越架參數化三維模型，系統地開展其在導線斷線和跑線事故工況下的動力學響應規律，為今后跨越架基于動力學的設計方法與施工提供指導依據。

1 跨越架承載索動力學仿真與試驗驗證

1.1 跨越架的工作原理簡介

跨越架保護系統如圖1所示。導線在兩桿塔間的跨越距離一般為300 m左右，鋼絲繩通過一定動力將導線從張力側通過鐵塔引至牽引側。為防止導線與牽引系統出現故障后砸向被跨越物，在導線與被跨越物之間搭設跨越架。開展跨越架全尺寸真型試驗研究需投入大量時間、人力與財力，且導線與牽引板的高空跌落極具危險性。因此，建立一定跨越距離與落線高度下的承載索動力學仿真模型，并通過試驗驗證方法的準確性，進而開展跨越架全尺寸模型動力學仿真分析。

圖1 跨越架保護被跨物原理示意Fig.1 Protection principle sketch of spanning frame

1.2 承載索仿真模型的建立

1.2.1 模型建立

以常用直徑為20 mm的UHMWPE繩作為仿真采用承載索，仿真過程基于懸鏈線理論[22]。設承載索的張力為3 kN，配重與兩滑車間的跨距為100 m，可計算得到承載索的空間位置坐標。在有限元軟件中，構造承載索的數值模型，如圖2所示。承載索兩端點與轉向滑輪中心點進行鉸接，配重塊載荷為750 kg，系統重力場設置為9.8 m/s2，使配重塊垂直提升至跌落高度h，并自由釋放。配重塊在跌落h的高度后將以一定速度帶動承載索向下運動，發生阻尼振動，阻尼系數通過真型試驗承載索的載荷時程曲線得到為0.2，接觸算法采用常用的懲罰函數法，載荷跌落過程中記錄承載索鉸接處的應力時程曲線。

圖2 承載索仿真模型Fig.2 Simulation model of loading cable

1.2.2 單元類型

承載索是一根長度約為150 m、直徑為20 mm的UHMWPE繩，屬于典型的大柔度體。承載索在承受橫向作用力時，不能承受彎矩作用，故不能選擇梁單元。桁架單元只承受軸向拉力，可將承載索簡化為有限數量個首尾鉸接相連的桁架單元進行求解計算，且桁架單元的計算效率與精度較高。

1.2.3 材料屬性

UHMWPE繩具有高度非線性本構關系[11]，需開展跨越架外側承載索、中間承載索與絕緣網用不同直徑UHMWPE繩(直徑分別為22 mm，20 mm，12 mm)的拉伸性能試驗。彈性模量隨拉伸載荷的變化而變化。在數值仿真中，無法簡單地用一個彈性模量來刻畫UHMWPE繩的本構關系。因此，模型計算時應輸入圖3的本構關系。

圖3 材料屬性試驗結果Fig.3 Test results of material properties

1.3 試驗驗證

為驗證仿真結果的準確性，根據圖2所示承載索仿真模型參數制定了相應的真型試驗方案，如圖4所示，其中(a)為試驗方案示意圖，(b)為試驗現場圖。

圖4 驗證性試驗Fig.4 Verification test

由圖4可知，導向滑輪懸掛于門架，門架通過地錨進行錨固。配重塊懸掛于中間門架，配重塊在自由落體達到與仿真相同的高度時，將帶動承載索進行跌落沖擊。此過程通過傳感器記錄載荷時程曲線，最后對試驗數據進行處理得到應力時程曲線。圖5為承載索張力時程曲線對比結果。

圖5 承載索張力時程曲線對比結果Fig.5 Comparison of tension time history curves of loading cable

由試驗結果可知最大應力峰值誤差為0.67%。前2個時間周期內，試驗得到的應力幅值、振動周期與仿真結果一致性較好。2個時間周期后，試驗結果的應力幅值和周期均小于仿真結果，這是由于試驗過程中門架晃動耗散了部分動能。通過試驗得到仿真與試驗結果一致性較好，仿真方法可作為承載索及跨越架動力學響應規律分析。

2 跨越架動力學規律研究

2.1 計算工況

影響跨越系統的主要參數為導線截面、跨越距離與落線高度。目前特高壓直流與交流線路工程常用導線分別為1 250 mm2鋼芯鋁絞線與630 mm2鋼芯鋁絞線，分裂數為6或8，但一般采用一牽二放線。根據安規要求，確定跨越距離為100～500 m，落線高度為5～30 m。為研究跑線和斷線兩種工況下跨越技術參數對跨越架的影響，分析工況見表1。

表1 計算工況Table 1 Calculating condition

2.2 模型建立

為進行模型的快速建立，通過自主研發的參數化建模軟件輸入導線截面、跨越距離與表2中幾何參數，可快速生成三維模型，如圖6所示。斷線工況即為牽引板走到跨越檔中部，鋼絲繩斷開，導線與牽引板一同跌落沖擊；跑線工況即為牽引板走到跨越檔的鄰檔，導線斷開，將斷點設置于距離滑車5 m的位置，斷點左側為牽引板與導線，斷點右側為鋼絲繩。當導線在此處斷開后，跨越檔的整檔導線會沖擊跨越架，這是跑線條件下的最危險工況。

表2 跨越架的結構參數值Table 2 Structural parameters of spanning frame

圖6 跨越架沖擊系統三維模型Fig.6 3D Modelfor impact system of spanning frame

2.3 結果分析與討論

2.3.1 跨越架弧垂變化規律分析

因仿真過程設定的是牽引板與導線沖擊跨越架中間位置，因此弧垂變化主要取決于中間承載索。分析整個沖擊過程可知，首先牽引板沖擊中間承載索到極限位置，如圖7(a)所示。隨后，牽引板從中間承載索上滑落，帶動導線纏繞絕緣網，如圖7(b)所示，因牽引板的高速滑落具有隨機性，導致跨越架的弧垂最大弧垂具有一定的隨機性。

圖7 牽引板在跨越架上的滑落過程應力云圖Fig.7 Slipping process of traction plate on spanning frame

整體而言，弧垂變化均出現2次波峰，牽引板下壓承載索到極限位置導致第一次波峰出現，如圖7(a)所示。牽引板滑落與絕緣網纏繞后繼續下降，導致第二次波峰，如圖7(b)所示。通過提取仿真結果中不同落線高度、跨越距離與導線類型中間承載索的弧垂變化，如圖8所示。

圖8 跨越技術參數對跨越架弧垂變化影響規律Fig.8 Effect of spanning technical parameters on sag change of spanning frame

由圖8(a)的弧垂最大波峰可知，弧垂隨落線高度的增加有增加趨勢，但在沖擊過程中，牽引板會在承載索上出現隨機性滑移，導致規律變化不明顯，具有一定隨機性，但整體而言，隨落線高度的變化，弧垂變化在4 m左右。由圖8(b)可知，弧垂最大值隨跨越距離的變化無明顯規律。由圖8(c)可知，1 250 mm2鋼芯鋁絞線比630 mm2鋼芯鋁絞線導致的跨越架弧垂要大，這是由大截面導線線密度與牽引板重量較大所致。

2.3.2 跨越架受力變化規律分析

(1) 跨越架受力隨時間變化。在導線斷線撞擊過程中，跨越架動力學響應如圖9所示。

圖9 導線沖擊下跨越架動力學響應Fig.9 Dynamic response of spanning frame under impact

由圖9可知，外側承載索、中間承載索與絕緣網繩受力呈震蕩增加然后減小的趨勢。在導線斷線撞擊之前，承載索自重產生的初始張力值保持不變；導線沖擊跨越架時，因沖擊震蕩導致承載索張力在1 s內呈波動增加；導線完成撞擊后，承載索張力逐漸減小，最后穩定在由導線與牽引板自重產生的張力狀態。

(2) 落線高度的影響。依據表1中工況1，當落線高度從5 m到30 m時，跨越架各部件荷載結果見圖10與圖11。

圖10 斷線工況不同落線高度下跨越架動力學響應Fig.10 Dynamic response of spanning frame in diffe-rent falling heights under wire breaking condition

圖11 跑線工況不同落線高度下跨越架動力學響應Fig.11 Dynamic response of spanning frame in diffe-rent falling heights under wire running condition

由圖10(a)與圖11(a)可知外側承載索張力、中間承載索張力、絕緣網繩張力與接觸力隨落線高度的增加而單調增大，并非線性關系，這是因為導線與跨越架屬于高速沖擊，輸入條件的輕微擾動會造成輸出結果較大的擾動，模型中落線高度不同造成牽引板在跨越架上的初始撞擊位置會稍有不同，故呈現出結果的非線性增加。

由圖10(b)與圖11(b)可知，斷線工況下，安全系數隨落線高度的增加而呈非線性減小，外側承載索的安全系數最大，中間承載索安全最小。

(3) 跨越距離的影響。依據表1工況2，當跨越距離從100 m到500 m時，斷線和跑線工況下，跨越架各部件荷載結果見圖12與圖13。

圖12 斷線工況不同跨越距離下跨越架動力學響應Fig.12 Dynamic response of spanning frame in diffe-rent spanning distances under wire breaking condition

圖13 跑線工況不同跨越距離下跨越架動力學響應Fig.13 Dynamic response of spanning frame in diffe-rent spanning distances under wire running condition

由圖12和圖13可知，外側承載索張力、中間承載索張力、絕緣網繩中的張力與接觸力隨跨越距離的增加，不同跨越距離影響下的張力和安全系數變化趨勢與在不同落線高度影響下的趨勢相似，但張力變化范圍要小于落線高度，即跨越架動力學響應對落線高度的敏感度更高。

(4) 導線截面的影響。依據表1的工況3，在斷線和跑線工況下，導線截面在630 mm2和1 250 mm22種情況下，跨越架各部件荷載結果如圖14與圖15所示。

圖14 斷線工況不同截面導線的跨越架動力學響應Fig.14 Dynamic response of spanning frame in diffe-rent wire types under wire breaking condition

圖15 跑線工況不同截面導線的跨越架動力學響應Fig.15 Dynamic response of spanning frame in diffe-rent wire types under wire running condition

由圖14和圖15可知，1 250 mm2鋼芯鋁絞線導致的跨越架各部件的最大張力要大于630 mm2鋼芯鋁絞線導致的相應最大張力，這是由于大截面導線線密度與牽引板重量較大所致，且中間承載索承受張力最大，從安全系數角度考慮，跨越架在設計過程中，應優先考慮絕緣網和中間承載索。

3 結論

文中通過對比承載索動力學仿真模型與試驗結果，確定了跨越架動力學仿真方法，通過跨越架參數化建模程序開展了主要跨越技術參數對跨越架動力學的響應規律，得到結論如下：

(1) 建立了基于桁架單元的承載索動力學仿真方法，通過了試驗驗證，仿真的最小誤差為0.67%，此方法可用于跨越架的動力學仿真分析。

(2) 斷線工況增加了牽引板的沖擊，其對跨越架產生的沖擊載荷為跑線的2～3倍。因此，跨越架在設計或校核時，應著重考慮斷線工況的影響。

(3) 跨越架沖擊載荷隨落線高度和跨越距離的增加而增加，且落線高度的影響大于跨越距離。中間承載索和絕緣網安全系數較小，跨越架在設計或校核時，應優先考慮這2個部件。

(4) 1 250 mm2鋼芯鋁絞線較630 mm2鋼芯鋁絞線的線密度、牽引板重量大，故前者對跨越架沖擊較大，因此，跨越架在設計或校核時應重點考慮導線截面和牽引板的影響。

(5) 沖擊過程中，牽引板會在跨越架上滑落，跨越架弧垂隨落線高度的增加有增加趨勢，但也具有一定隨機性，其弧垂變化水平在4～4.5 m，故跨越架在設計或校核時應考慮弧垂變化的裕度。

文中通過跨越架的小尺度試驗驗證了仿真模型的可行性，進而通過仿真模型開展了懸索式跨越架的全尺寸模型受力分析，這對懸索式跨越架的使用具有重要指導意義。今后將開展懸索式跨越架的全尺寸模型試驗，進一步優化仿真模型精度。