基于系留氣球的整體立塔技術仿真研究和真型試驗

摘要：針對傳統的組立塔方式作業不便、風險大、效率低、受風力影響大的缺點，為提高立塔施工效率、減少安全隱患、降低財產損失，提出一種基于系留氣球吊裝的輸電鐵塔整體組立塔方案。首先根據吊點位置分為頂部、上下橫擔核心、頂部和上橫擔核心三種不同的吊裝方式，在立塔速度分別為2 （°）/min、4 （°）/min、8 （°）/min的三種不同工況下，選取鐵塔旋轉角度為0°、15°、30°、45°和60°五個位置處進行靜力學仿真和瞬態仿真，確定最佳立塔施工工藝。然后根據仿真得出的最佳立塔施工工藝對在地面整體組裝的等比縮小鐵塔進行現場真型試驗，對系留氣球的整體立塔技術方案進行驗證。最后利用系留氣球將鐵塔再次放倒，檢驗鐵塔是否發生塑性變形。結果表明：提出的系留氣球的整體立塔技術方案能夠實現輸電鐵塔的整體組立塔，能夠避免施工人員的高空作業，可提高組立塔效率。

關鍵詞：系留氣球；整體立塔；仿真研究；真型試驗

中圖分類號：TM754""""""""""""""" 文獻標志碼：A""""""""""""""""" doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2025.01.001

文章編號：1006-0316 （2025） 01-0001-07

Monolithic Tower Technology Based on Tethered BalloonsSimulationResearch and True Type Test

Abstract：Aiming at the traditional suspension pole group erection of the towers mode operation inconvenience， high risk， low efficiency， by the wind influence of the shortcomings， in order to improve the erection of the tower construction efficiency， reduce the safety hazards and the loss of property， presents a monolithic tower erection strategy based on tether balloons. First of all， according to the location of the lifting point is divided into the top， the upper and lower cross-bearing core， the top and upper cross-bearing core of three different lifting methods， in the tower speed of 2 （°）/min， 4 （°）/min， 8 （°）/min of three different working conditions， respectively， the tower was selected to rotate at an angle of 0°， 15°， 30°， 45° and 60° of the five positions for the static simulation and transient simulation， to determine the optimal tower construction process. Then according to the optimal tower construction process derived from the simulation ， the monolithic assembly on the ground of the isometric reduction of the tower on-site true-type was tested， to validate the monolithic tower technical solution for stay-tethered balloons. Finally， the tethered balloon was utilized to lower the tower again to test for plastic deformation of the tower. The results show that： the proposed monolithic tower erection strategy based on tether balloons can realize the erection of the towers， can avoid the construction personnel's high altitude operation.

Key words：tethered balloon；monolithic tower；simulation research；true type

輸電鐵塔是輸電系統中的重要組成部分，承載著輸電線路，將電力輸送到千家萬戶。輸電鐵塔的高度取決于電壓等級與地形條件，一般在幾十米到幾百米不等。而輸電鐵塔的組立塔施工是輸電線路建設的必經之路，組立塔指的是將輸電鐵塔的各個部件組裝起來，以搭建承載輸電線路的輸電鐵塔，不同的地形往往意味著需要選用不同的組立塔施工方案[1]，常用的有五種組立塔方案，分別是座地搖臂抱桿[2-3]、雙平臂抱桿、單動臂抱桿[4]、懸浮抱桿[5-6]和整體起吊組塔[7]方案。安全始終是施工的第一準則，因此，國內不乏學者對安全組立塔進行研究，并總結安全施工的注意事項[8]。此外，范舟等[9]對組立塔受力過程進行了分析，張邦勝[10]提出了組塔受力的計算方法，為研究安全組立塔技術提供理論基礎。另外，整體起吊組塔雖避免了諸多高空作業的安全隱患，但由于地形因素往往難以到達施工現場[11]。目前的組立塔方案有著效率低、安全隱患多、風險大、操作不便、受環境影響大等缺點，因此，需要探索一種新型的組塔方式，以避免高空作業風險、大重型裝備無法到達山區施工現場等問題。

由于各種地理和環境條件，輸電鐵塔的設計需要更加靈活，無論是跨越高山還是穿越河流，輸電鐵塔都必須確保線路安全和穩定運行[12]。目前的組塔施工缺乏針對鐵塔及關鍵施工部件進行科學的受力及變形計算分析[13-14]。針對輸電鐵塔的仿真分析，一般基于載荷作用，而針對組立塔施工環節的仿真分析仍存有大量空白。

由此，針對輸電鐵塔組立塔施工方案，本文基于有限元仿真提出了一種系留氣球的整體立塔方案。不同于常見的組立塔方案[15]，本方案在地面上完成輸電鐵塔的組裝，利用氦氣球的浮力，以氦氣球作為系留氣球，控制系留氣球的運動，實現組裝后輸電鐵塔的立塔與定位。為保證方案的科學性與合理性，本文首先對組立塔環節進行了仿真，分析仿真結果得到最佳組立塔方案后再進行真型試驗以驗證組立塔方案的可靠性。結果表明該方案能快速、安全地完成輸電鐵塔的組立施工，為輸電鐵塔的組立提供了一種新的施工方案。

1 有限元仿真研究

1.1 有限元分析基礎

靜力學分析研究是指載荷作用下結構的響應[16]，如位移、應力、應變等。其主要理論基礎是彈性力學，通過建立力學方程、幾何方程和物理方程[17]，結合已知邊界條件推導結構內部的應力應變關系。其中力平衡方程為：

式中：σxx、σyy、σzz為各方向的正應力；τxy、τxz、τyx、τyz、τzx、τzy為各方向的剪應力；fx、fy、fz為各方向的外力合。

幾何方程為：

式中：εx、εy、εz為各方向的正應變；γyz、γxz、γxy為yz夾角、xz夾角、xy夾角的剪應變；u、v、w分別為x、y、z方向的位移。

物理方程為：

式中：εx、εy、εz為各方向的正應變；E為楊氏模量；μ為泊松比。

由于采用系留氣球整體立塔，因此立塔過程中結構不能發生彎曲變形，更不能存在材料的斷裂情況，依據第四強度理論對系留氣球整體立塔過程中的靜強度進行校核，von Miss等效應力表達式如下：

式中：為等效應力；、、分別為第一、二、三主應力。

材料所受等效應力應小于許用應力極限，。

輸電鐵塔采用Solidworks建模并導入ANSYS中進行仿真的預處理。仿真材料采用Q235，許用應力值為345 MPa，許用應變值為0.0017，采用式（4）得到輸電鐵塔組立過程中的關鍵部位等效應力，并依據第四強度理論判斷關鍵部位應力值是否符合安全標準。

1.2 仿真方案

如圖1所示，氣球通過牽引繩與鐵塔連接，牽引力始終保持在與鐵塔的垂直線上，仿真氣球將鐵塔從平躺牽引至垂直地面的全過程。仿真研究選取35 kV輸電鐵塔，塔重約3.4 t，高30 m。

如圖2所示，根據吊點不同分為三種情況：

（1）圖2（a），鐵塔頂部單獨受力，即牽引繩連接在鐵塔頂部型材處；

（2）圖2（b），上橫擔核心和下橫擔核心共同受力，即牽引繩連接在鐵塔兩橫擔處；

（3）圖2（c），鐵塔頂部和上橫擔核心共同受力，即牽引繩連接在鐵塔頂部和上橫擔處。

選取鐵塔的旋轉角度為0°、15°、30°、45°和60°五個位置、立塔速度也分為2 （°）/min、""""" 4 （°）/min、8 （°）/min三種不同的工況。共將仿真工況分為了3種吊點位置×5個典型角度×3中立塔速度＝45種仿真工況，每種仿真工況都進行瞬態仿真。不考慮速度，3種吊點位置×5個典型角度＝15種仿真工況，每種仿真工況都進行靜力學仿真。

仿真邊界條件依據圖1設置，不同方案區別僅為系留氣球與鐵塔連接部位不同，系留氣球拉力設置為始終與塔身垂直，在不考慮風載的情況下，將鐵塔一側的兩個踏腳限制鐵塔自由度為僅能旋轉。鐵塔根據上述立塔速度分別進行仿真，并根據上述五個不同角度位置、三種不同立塔速度分別設置仿真邊界條件。

1.3 仿真結果

根據仿真方案，在ANSYS軟件上對所述工況進行仿真，仿真應力結果如表1、表2所示，應變結果如表3、表4所示，相對變形結果如表5、表6所示。

結果顯示，靜態、動態仿真中，應力、應變、變形的最小值均出現在上、下橫擔核心受力的吊裝方式。應力仿真結果顯示在各工況下，上、下橫擔核心受力的吊裝方式所受應力均小于其他兩種吊裝方式，應變、變形仿真結果均顯示出相同結果。在仿真結果中，應力應變仿真最大值分別為293 MPa、0.0016均未突破所用材料Q235的許用應力值345 MPa和許用應變值0.0017。

吊裝方式為上、下橫擔核心受力的仿真結果云圖如圖3所示，其最大應力出現在吊裝部位，未超過許用應力值。因此，根據仿真結果，應采用吊裝方式為上、下橫擔核心受力對等比縮小的鐵塔進行整體立塔的真型試驗。

2 現場真型試驗

2.1 基于系留氣球的整體立塔方案

根據仿真分析結構，當吊點布置在上、下橫擔核心處即第一和第二橫擔處時，立體過程中鐵塔塔身應力應變最小。真型實驗采用在兩個橫擔處布置吊點的方案，如圖4所示，系留氣球與鐵塔的兩個橫擔相連。同時，地面上圓周邊分布的三臺卷揚機與系留氣球相連，通過卷揚機放縮纜繩實現立塔過程中系留氣球空間位置的實時調整控制。在整體立塔過程中，控制系留氣球的上下浮動及水平移動，使鐵塔受力保持與塔身垂直，并拉動鐵塔從橫臥狀態立起至豎直狀態。在真型實驗中，采用了等比縮小的鐵塔，塔重約700 kg，塔高約12 m。

2.2 立塔前準備

本實驗選取的場地長度各40 m，地勢較為平整。鐵塔基礎主筋保護層為50 mm，基礎深2.8 m，采用直徑為8 mm鋼筋扎網，并用C25混凝土澆筑，地面基礎長寬為2 m，地腳螺釘中心距為1432 mm，養護周期為28 d。

系留氣球設計載重700 kg，可充裝氦氣1500 m3，整個氦氣充裝過程約7 h。如圖5所示，采用車載高壓氦氣罐對氣球進行充氣，氦氣純度為99.99%，通過水泥錨固限制系留氣球，防止其失控。

在系留氣球充裝氦氣的同時，鐵塔在地面以橫臥狀態完成組塔，避免了傳統高空作業的安全隱患。完成組塔與系留氣球充氣后，利用編制繩將鐵塔上、下橫擔核心與系留氣球連接，并通過控制卷揚機收放纜繩，將氣球移動到吊點上方，即立塔起吊的初始位置，如圖6所示。

2.3 立塔過程

完成立塔前的各項準備工作后，人員撤離到安全區域，通過遠程控制三臺卷揚機收放纜繩，從而控制系留氣球的實時空間位置。系留氣球因氦氣浮力提供的起吊拉力使得鐵塔從橫臥狀態逐漸立起，直至豎直狀態，如圖7所示。

當鐵塔處于豎直狀態后，繼續調整氣球空間位置，使得鐵塔塔基與基礎的地腳螺釘對齊。在施工人員的輔助下，鐵塔安全落到基礎，且將踏腳板與地腳螺釘固定，完成立塔。整個立塔過程耗時約5 min。相較為傳統的立塔施工方法，效率得到了極大提高，且避免了高空作業，降低安全風險。

2.4 鐵塔受力變形情況

基于ANSYS仿真總結分析最佳吊裝方式為上、下橫擔核心受力，仿真得出其最大應力應變均未超過許用值，通過制作等比縮小的鐵塔模型并用具有相應吊裝能力的系留氣球對其進行鐵塔立塔施工。完成立塔施工后，利用系留氣球將鐵塔再次放倒，檢查鐵塔是否存在塑性變形，與仿真結果一致，在真型實驗中無塑性變形的情況發生。真型實驗驗證了仿真研究結果的準確性和所提出的基于系留氣球整體立塔施工方案的可行性。

3 結論

本文提出了一種地面組塔、系留氣球結合卷揚機整體立塔的方案。該方案在地面完成整體組塔，通過系留氣球和卷揚機相互協調作用，將鐵塔起吊，短距離移動至塔基上方，對齊塔釘落下，擰緊螺栓即立塔完成。首先通過仿真研究，表明整體立塔過程鐵塔無塑性變形，能夠滿足立塔施工要求。其次，制造了等比縮小的鐵塔，并制作了相應載重能力的系留氣球，進行了鐵塔基礎施工。在此基礎之上，完成了基于系留氣球的整體立塔真型試驗，結果驗證了仿真結果的準確性，也進一步證明所提出的基于系留氣球的整體立塔施工方案的可行性。

本文所提出的整體立塔方案不僅能夠避免施工人員的高空作業，從技術層面提高安全性，也對交通不便地區的立塔提出了一種新的思路。

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