大直徑鋼管混凝土輸電塔澆筑過程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

張必余，劉云飛，朱立明，王靜峰，胡子明

（1.國網(wǎng)安徽送變電工程有限公司，安徽 合肥 230071；2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引言

由于我國能源分布極不平衡，因此可以支撐長距離送電的輸電線路將在我國的經(jīng)濟發(fā)展中起到極其重要的作用[1]，近年來在“西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)”的電網(wǎng)建設(shè)格局下[2]，遠距離輸電線路的建設(shè)如火如荼。隨著特高壓輸電技術(shù)的興起，對輸變電架構(gòu)提出了更高的要求。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)由于鋼管與混凝土之間的組合效應(yīng)，逐漸運用到了大跨越輸電塔的建設(shè)過程中。2010年6月，高度為370m 的220kV 舟山與大陸聯(lián)網(wǎng)工程輸電塔竣工，該鋼管混凝土輸電塔再次刷新了輸電塔的高度記錄。2020 年5 月，500kV 舟山大跨越工程（380m）落成，與原有舟山大跨越工程相同，為鋼管混凝土桿塔結(jié)構(gòu)，并將輸電塔高度紀(jì)錄提高10m，取得了良好的效果。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有承載力高、塑性和韌性好、制作和施工方便等優(yōu)點，擁有廣闊的前景，鋼管混凝土桿塔結(jié)構(gòu)是滿足特高壓輸電更高要求的重要技術(shù)手段。但是現(xiàn)階段的鋼管混凝土輸電塔主要采用鋼管-鋼骨混凝土作為結(jié)構(gòu)主材，其施工安裝難度大，而素鋼管混凝土的應(yīng)用較為罕見，相關(guān)的施工方法研究較為欠缺。

本文以池州長江大跨越輸電桿塔結(jié)構(gòu)為例，該結(jié)構(gòu)采用素鋼管混凝土-鋼管的組合塔，塔高345m，混凝土澆筑高度為94m，鋼管最大直徑達1.9m。由于混凝土澆筑高度高、澆筑量大，在澆筑過程中將產(chǎn)生較大的施工荷載，相關(guān)施工工況驗算方法尚無參考；由于養(yǎng)護條件的限制，大體積混凝土的水化放熱問題不可忽略。本文通過有限元分析法，對大直徑鋼管混凝土桿塔主材澆筑過程中結(jié)構(gòu)的受荷穩(wěn)定性以及養(yǎng)護過程中水化溫度場進行精細化有限分析，為結(jié)構(gòu)施工方案設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 桿塔澆筑過程結(jié)構(gòu)安全性分析

1.1 工程概況

池州長江大跨越輸電塔（如圖1 所示），跨江點北岸位于銅陵市樅陽縣藕山鎮(zhèn)新開村，南岸位于池州市貴池區(qū)秋江街道后新洲。跨越采用“耐-直-直-耐”的跨越方式，檔距分布為581m-2351m-568m。兩岸采用相同的跨越塔和錨塔，跨越塔全高約345m。主管采用C50微膨脹自密實混凝土的泵送灌注，灌注后自然成型。跨越塔混凝土灌注高度（以地面起算）為94m，分兩次灌注，第一次灌注高度約46m，第二次澆筑段高度為48m。單層澆筑高度大，混凝土未成型前對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生荷載影響不可預(yù)料。

圖1 池州長江大跨越輸電塔

1.2 大直徑鋼管混凝土構(gòu)件澆筑荷載影響有限元分析

有限元分析作為結(jié)構(gòu)受力分析的常用方法之一，廣泛應(yīng)用于各類結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，大型結(jié)構(gòu)體系內(nèi)力分析中往往借助于梁單元，該單元無法體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的細部構(gòu)造應(yīng)力分布。此外，混凝土澆筑未成型前的液體壓力荷載對節(jié)點的影響是桿塔施工安全的關(guān)鍵問題，傳統(tǒng)的建模方法無法施加混凝土澆筑流體壓力荷載，為此本文提出了一種不同單元耦合的組合模型，該模型可以展現(xiàn)關(guān)鍵節(jié)點的受荷情況與整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布。

1.2.1 模型建立

根據(jù)塔身設(shè)計圖紙，采用ABAQUS大型有限元分析軟件建立1：1 的整體分析模型。根據(jù)塔身結(jié)構(gòu)分布，采用三種類型的單元分別模擬主材構(gòu)件、各斜材與輔材和關(guān)鍵節(jié)點。其中主材鋼管采用S4R 殼單元進行模擬，關(guān)鍵節(jié)點各組成部件均采用C3D8R 進行模擬，而各斜材與輔材則采用梁單元進行模擬。采用殼單元和實體單元可以更好地反映荷載的布置情況以及局部的應(yīng)力集中問題，采用梁單元可以對不重要的節(jié)點和構(gòu)件進行簡化以減少計算成本。

該模型對節(jié)點的構(gòu)造進行細部建模，包含連接節(jié)點的內(nèi)外法蘭板、加勁肋及螺栓等。上下鋼管法蘭之間、螺栓與構(gòu)件之間采用面面接觸（Surface-tosurface contact），其余部分采用Tie 約束。此外，節(jié)點與主材鋼管之間采用殼單元-實體單元耦合約束（Shell-tosolid coupling），斜/輔材與結(jié)構(gòu)采用耦合約束（Coupling）。鋼材采用雙折線模型以及各向同性硬化，結(jié)構(gòu)的主管采用Q420，輔材采用Q355，屈服強度依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50017-2017）[3]確定，8.8級螺栓屈服強度為640MPa。

荷載方面除自重荷載外，通過對鋼管內(nèi)壁施加凈水壓力來模擬混凝土在澆筑后未成型前的流體狀態(tài)下對鋼管內(nèi)壁的環(huán)形壓力。具體施加方法是根據(jù)混凝土的高度及容重計算出液體壓力，并通過對殼單元表面施加面荷載，該方法僅適用于殼單元與實體單元，這也是此建模方式的必要性。此外螺栓預(yù)緊力按M72 螺栓的推薦預(yù)緊力取值，即1438.9kN。

圖2 塔身整體模型

1.2.2 有限元分析結(jié)果

本節(jié)分析了整體鋼管混凝土輸電塔腿應(yīng)力分布，如圖3 所示。由計算結(jié)果可知，混凝土在澆筑后未成型前對鋼管的環(huán)向壓力從上至下逐漸增大，并在接近柱腳時達到最大的34MPa，未達到鋼管屈服強度，對鋼管的影響較小。在液體壓力作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平較低，對于主材鋼管的影響較小，表明混凝土的濕荷載對于結(jié)構(gòu)來說等級較小。

圖3 桿塔整體應(yīng)力分布

此外本文分析了鋼管混凝土輸電塔主材連接節(jié)點的應(yīng)力分布情況，如圖4所示。由計算結(jié)果可知，節(jié)點處鋼管應(yīng)力較小，而法蘭連接處由于螺栓的預(yù)緊力作用，使得螺桿最大應(yīng)力達439MPa，最大位移為0.27mm，幅度較小。此外，連接節(jié)點的法蘭上下截面未脫開，施加的預(yù)緊力可以保障節(jié)點的穩(wěn)定，內(nèi)部混凝土滲漏風(fēng)險較低，驗證了結(jié)構(gòu)澆筑施工過程中結(jié)構(gòu)的安全性。

圖4 節(jié)點應(yīng)力分布

2 桿塔澆筑過程溫度場數(shù)值仿真

大體積混凝土的水化溫度場對混凝土成型的質(zhì)量至關(guān)重要，大型鋼管混凝土輸電塔主管直徑達1.9m，澆筑體積大且養(yǎng)護條件不可控制，采用布置溫度計的方式在密閉的鋼管中難以實現(xiàn)，在以往的工程中由于鋼管混凝土構(gòu)件的尺寸較小、澆筑長度低，水化放熱問題往往被忽略。混凝土水化放熱行為復(fù)雜，水化溫度場的有限元模擬較為罕見。本文基于水化度，通過ABAQUS 用戶子程序UMATHT，實現(xiàn)了鋼管混凝土輸電塔澆筑過程水化溫度場的模擬。

2.1 模型建立

2.1.1 用戶子程序?qū)崿F(xiàn)

混凝土成型過程中混凝土放熱與水化程度有關(guān)，水化程度可以由混凝土的等效齡期定義，而混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱等力學(xué)指標(biāo)均與等效齡期相關(guān)，基于此該用戶子程序的工作流程為[4]定義混凝土的升溫曲線→根據(jù)當(dāng)前溫度計算此步長的等效齡期→根據(jù)等效齡期定義混凝土相關(guān)熱學(xué)指標(biāo)參數(shù)→根據(jù)等效齡期計算當(dāng)前步的混凝土內(nèi)能釋放量→計算下一步的溫度場。

混凝土的當(dāng)前放熱量是混凝土放熱曲線和時間的導(dǎo)數(shù)，這是一個明顯的常微分方程求解問題，本文采用向前歐拉法計算，該方法需要控制每一步的步長足夠小，因此本文采用每步長0.1h。

2.1.2 材料性能定義

①混凝土的水化度及等效齡期

混凝土的水化度和等效齡期均是反映混凝土實際水化程度的指標(biāo)，該指標(biāo)與養(yǎng)護過程中的實際溫度及反應(yīng)活化能相關(guān)指標(biāo)，通過文獻[5-6]中提出的公式進行定義。

②混凝土導(dǎo)熱系數(shù)

混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)是混凝土傳熱速率的重要指標(biāo)，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)與其級配、骨料的種類等相關(guān)。此外，其導(dǎo)熱系數(shù)同樣與混凝土的齡期相關(guān)，其可以引用Anton Karel Schindler[7]建立公式：

式中，k(α)表示水化度為α?xí)r的導(dǎo)熱系數(shù)；ku為最終導(dǎo)熱系數(shù)，本文在計算中取8.33。

③比熱容

比熱容是表示單位質(zhì)量材料熱容量的物理量，同樣比熱主要相關(guān)參數(shù)為溫度、骨料和含水量，本文依據(jù)文獻[8]的公式定義。

④混凝土配合比

根據(jù)混凝土的配合比以及上述公式確定材料性能，此外，自密實混凝土總放熱198230kJ/m3，混凝土的具體配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比

2.1.3 有限元模型建立

本節(jié)建立超高桿塔大直徑鋼管混凝土一層桿塔混凝土水化熱模擬階段模型，分別建立鋼管及核心混凝土模型，混凝土及鋼管之間兩壁貼合采用Tie約束。外表面根據(jù)池州市28 天的天氣預(yù)報，采用余弦函數(shù)擬合天氣變化曲線。鋼管與空氣的換熱系數(shù)與風(fēng)速相關(guān)，本文收集了池州大跨越施工現(xiàn)場的風(fēng)速數(shù)據(jù)，確定了換熱系數(shù)隨時間的變化關(guān)系。

混凝土的澆筑過程是逐步完成的，采用Lagrange 標(biāo)架下，混凝土的不斷生成是困難的。本文采用生死單元方法混凝土澆筑過程，將核心混凝土沿長度方向劃分為數(shù)個分段，每5h 澆筑激活下一段混凝土澆筑段，整個鋼管混凝土的澆筑時間為20h，因此將一個澆筑段劃分為40個段，分別激活，如圖5所示。

圖5 鋼管混凝土澆筑模型示意圖

2.2 有限元分析結(jié)果

由于鋼管的導(dǎo)熱系數(shù)大，鋼管混凝土的降溫過程加快，因此需提取混凝土澆筑過程中的最大升溫、最大降溫速、最大溫差進行分析，本文提取了有限元模擬結(jié)果的各測點（如圖6 所示）溫度曲線繪于圖7。

圖6 水化熱測點

圖7 澆筑溫度變化模擬圖

由圖7所示，最大溫度為53℃、最大升溫33℃、最大溫差為17℃、最大溫降0.3℃/h。相較于養(yǎng)護條件好的混凝土結(jié)構(gòu)，其最大升溫明顯減少，而混凝土的降溫速率稍快但依然在合理范圍內(nèi)。該鋼管混凝土大跨越桿塔的澆筑施工均是在春夏完成，環(huán)境溫度較高，當(dāng)氣溫較低且環(huán)境溫度進一步降低時，混凝土的降溫速率進一步加大，應(yīng)采用合理的手段保證其養(yǎng)護條件。

3 結(jié)論與展望

本文通過有限元分析對混凝土的澆筑過程中所涉及的施工荷載應(yīng)力場以及水化溫度場進行分析，提出了考慮了細部節(jié)點的整體有限元分析模型及基于水化度鋼管混凝澆筑放熱模型，對于大型鋼管混凝土桿塔連續(xù)澆筑提供了科學(xué)參考。

通過結(jié)構(gòu)荷載位移、應(yīng)力場的分析在澆筑過程中結(jié)構(gòu)的澆筑濕荷載對鋼結(jié)構(gòu)的荷載影響較小，主管連接節(jié)點的預(yù)緊力可保證節(jié)點的密閉性；通過水化位移場分析，由于養(yǎng)護條件不同，大型鋼管混凝土輸電桿塔的澆筑的水化升溫較小，但結(jié)構(gòu)的降溫速率過快。