采動區(qū)高壓輸電塔的變形和附加內(nèi)力分析

于建兵，于廣云，王永銳，楊 洋，周長艮

(1.中國礦業(yè)大學 力學與建筑工程學院，江蘇 徐州 221008;2.連云港市高級技工學校，江蘇 連云港 222069)

1 工程概況

近年來，隨著煤礦塌陷區(qū)輸電線路的大量建設，人們對煤礦塌陷區(qū)的輸電鐵塔進行了初步研究，并取得了一些成果。由于煤礦開采過程中地表的變形是一個復雜的動態(tài)變形過程，輸電鐵塔在地表移動過程中所處的不同位置，對輸電鐵塔的內(nèi)力和變形影響很大。因此，研究動態(tài)地表變形對輸電鐵塔內(nèi)力和變形的影響規(guī)律，對塌陷區(qū)輸電鐵塔的建設和安全性評估具有重要的意義。本文以山西某礦為例，由于地下開采對地上的輸電塔的影響，下沉曲線見圖1。地表已經(jīng)產(chǎn)生沉陷及水平變形，具體情況見圖2。用有限元軟件ANSYS對輸電塔在地表變形下的受力進行數(shù)值模擬，可為處于塌陷區(qū)任意位置的輸電鐵塔結(jié)構(gòu)的設計和安全性評估提供理論依據(jù)。

2 模型建立與計算分析

2.1 模型的建立

以某線路中的直線跨越塔為計算實例建立模型，呼高21.00 m，總高度為21.30 m，根開3.73 m，直線跨越塔由各種等邊角鋼組成，塔腿部主材截面為 Q345等邊角鋼，型號為∠200×14。將輸電鐵塔桿件的中心軸線交點連接處作為模型節(jié)點，兩節(jié)點間的角鋼簡化為模型單元，采用ANSYS程序進行數(shù)值分析，運用自底向上的建模方式，建立模型時各桿件都用 BEAM 188單元，建立的ANSYS模型及節(jié)點編號如圖3。

圖1 下沉曲線

圖2 地表沉陷變形

2.2 變形工況

本文主要分析輸電塔在三種最不利工況下的附加內(nèi)力及位移。具體工況如下:

工況一，輸電塔僅在支座B發(fā)生最大下沉2.5 m;

工況二，輸電塔在支座B及支座D發(fā)生最大下沉2.5 m;

工況三，輸電塔在支座 A、支座 B及支座 D發(fā)生最大下沉2.5 m。

圖3 輸電塔模型及節(jié)點編號

2.3 計算分析

計算基于以下假設:① 輸電鐵塔基礎不發(fā)生破壞或者較大的變形，即地表變形直接通過輸電鐵塔基礎作用于輸電鐵塔支座上;② 在沉陷變形過程中，節(jié)點不會先于桿件發(fā)生破壞;③ 采煤方向與X軸或者Y軸平行，不考慮成角度的情況，即輸電鐵塔的兩側(cè)基礎位移分別相同。.

由于本結(jié)構(gòu)桿件較多(圖4)，節(jié)點號也比較多，所以選取了比較重要的幾根桿件以及幾個節(jié)點來進行分析。桿件軸力及節(jié)點位移如表1及表2。

圖4 桿件編號

從表1可以發(fā)現(xiàn)，在工況一情況下各桿件的軸力值最大，最大值達到604 kN，當多個支座發(fā)生豎向位移時，桿件的軸力有所下降;輸電鐵塔底部桿件的軸力變化較上部桿件變化幅度大，隨著高度增加，其軸力變化值越來越小;橫擔桿的軸力受豎向位移影響較小。

從表2可以發(fā)現(xiàn)，在各種工況下節(jié)點位移主要發(fā)生在X與Z方向上，Y方向的位移變化不大，輸電塔在支座發(fā)生豎向位移時，底部節(jié)點X方向與Z方向的位移受支座豎向位移的影響遠小于頂部節(jié)點受支座豎向位移的影響。橫擔桿上各節(jié)點的豎向位移基本相等。

表1 各工況下桿件軸力 kN

表2 各工況下各節(jié)點的位移 mm

3 結(jié)論

1)在工況一情況下各桿件的軸力值最大，最大值達到604 kN，當多個支座發(fā)生豎向位移時，桿件的軸力有所下降。輸電鐵塔底部桿件的軸力變化較上部桿件變化幅度大，隨著高度增加，其軸力變化值越來越小。

2)在各種工況下節(jié)點位移主要發(fā)生在X與Z方向上，Y方向的位移變化不大。輸電塔在支座發(fā)生豎向位移時，底部節(jié)點X方向與Z方向的位移受支座豎向位移的影響遠小于頂部節(jié)點受支座豎向位移的影響。

3)橫擔桿上各節(jié)點的豎向位移基本相等，橫擔桿的軸力受豎向位移影響較小。

［1］周國銓，崔繼憲，劉廣容，等.建筑物下采煤［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1983.

［2］趙洪才.高壓輸電鐵塔下采煤可行性預測及實踐［J］.山東煤炭科技，1989(4):53-57.

［3］史振華.采空區(qū)輸電線路直線自立塔基礎沉降及處理方案［J］.山西電力技術，1997，17(3):180-186.

［4］張聯(lián)軍，王宇偉.高壓輸電鐵塔下采煤技術研究［J］.河北煤炭，2002(4):120-123.

［5］孫俊華.煤礦采空區(qū)線路設計技術［J］.山西電力，2004(3):130-134.

［6］張建強，楊昆，王予東，等.煤礦采空區(qū)地段高壓輸電線路鐵塔地基處理的研究［J］.電網(wǎng)技術，2006，30(2):30-34.

［7］袁廣林，陳建穩(wěn).動態(tài)地表變形對輸電鐵塔內(nèi)力和變形的影響［J］.河海大學學報，2010，38(3):284-289.

［8］于建兵，賈勇，朱旦育.煤礦主井井架承載能力驗算［J］.鐵道建筑，2011(3):134-137.