鋼管抱桿的設(shè)計與應(yīng)用

馬 軍

(國網(wǎng)甘肅省電力公司檢修公司，甘肅 蘭州 730050)

鋼管抱桿的設(shè)計與應(yīng)用

馬 軍

(國網(wǎng)甘肅省電力公司檢修公司，甘肅 蘭州 730050)

針對目前角鋼抱桿存在自身體積和重量較大、使用易受限制等缺點，通過計算和校驗，設(shè)計了適合在35-220 kV輸電線路鐵塔組立施工(檢修)中使用的鋼管抱桿，滿足簡單輕便、安全可靠的要求，實現(xiàn)了簡化工器具、便于山地運輸、降低勞動強(qiáng)度、提高工作效率和經(jīng)濟(jì)效益的目的。

輸電線路；鐵塔組立；抱桿；無縫鋼管

0 引言

目前110-500 kV送電線路鐵塔組立中，主要采用350×350(單位mm，下同)及500×500角鋼抱桿。此類抱桿安全、可靠，但缺點是抱桿自身體積和重量較大，所使用的工器具較多，施工操作較復(fù)雜，在地形條件較差的地段，因運輸工作量較大，抱桿的使用易受限制。而鋼管抱桿能夠克服這方面的缺點，特別適用于輕型塔的施工。

在35-220 kV線路施工中，采用350×350角鋼抱桿立塔顯得較笨重和復(fù)雜；而采用小抱桿單插立塔，雖簡單方便，但組裝工作和高空作業(yè)量大，安全性、可靠性不如懸浮抱桿立塔，且施工速度較慢；而采用鋼管抱桿懸浮立塔，既簡單、方便，又安全、可靠。

1 鋼管抱桿的設(shè)計與強(qiáng)度校驗

1.1 材料選用

鋼管抱桿選用無縫鋼管，材質(zhì)選用A3鋼。

1.2 規(guī)格

根據(jù)起吊重量和起吊高度要求，鋼管抱桿示意如圖1所示，規(guī)格為Φ114×6×6 000。每節(jié)抱桿兩端各打2個Φ16.5的十字交叉眼孔，用于連接抱桿上段和下段。

1.3 抱桿上、下段及腰環(huán)規(guī)格

抱桿上段示意如圖2所示，規(guī)格為Φ114×6× 2 000，抱桿上段一端焊接1個Φ102×8×400套管(套管一端焊接，另一端打2個十字交叉的Φ16.5孔，與抱桿眼孔尺寸相配套)，另一端焊有掛板和朝天滑車。

圖1 鋼管抱桿規(guī)格尺寸示意

圖2 抱桿上段示意

抱桿下段示意如圖3所示，規(guī)格為Φ114×6× 2 000(或Φ114×6×4 000)，抱桿下段一端焊接1個Φ102×8×400的套管(套管一端焊接，另一端打2個十字交叉的Φ16.5孔，與抱桿眼孔尺寸相配套)，另一端焊有掛板。

圖3 抱桿下段示意

抱桿腰環(huán)示意如圖4所示，采用方框形，方框可分為兩半，用螺栓進(jìn)行連接。腰環(huán)上裝有套管，套管可以滾動。

圖4 腰環(huán)示意

1.4 抱桿荷載條件及強(qiáng)度校驗

由于抱桿在施工過程中沿抱桿承受軸向壓力，因此需對抱桿在軸向受壓時的機(jī)械強(qiáng)度及穩(wěn)定性進(jìn)行校驗。其荷載條件如圖5所示，鋼管抱桿受力按兩端鉸支考慮。

圖5 抱桿軸向受力示意

(1) 抱桿外徑D=11.4 cm，內(nèi)徑d=10.2 cm，抱桿截面積A為：

(2) 長度系數(shù)：μ=1。

(3) 彈性模量：E=2.1×107N/cm2(即2.1× 103Pa)。

(4) 慣性矩J為：

(5) 應(yīng)用歐拉公式計算臨界應(yīng)力PLj=π2EJ/ (μL)2。當(dāng)抱桿高度L=10 m時：

當(dāng)抱桿高度L=12 m時：

(6) 最小柔度值驗算。

① 截面慣性半徑i：

② 柔度(長細(xì)比)：

當(dāng)抱桿高度L=10 m時：

當(dāng)抱桿高度L=12 m時：

③ 極限柔度值 (A 3鋼比例極限取σp= 20 000 N/cm2)：

可以看出λ＞λp，符合歐拉公式的應(yīng)用條件。

(7) 取穩(wěn)定安全系數(shù)K=3，則鋼管的許用壓力[P]為：

當(dāng)抱桿高度L=10 m時：

當(dāng)抱桿高度L=12 m時：

2 抱桿起吊時的受力分析

2.1 內(nèi)拉線、單鋼繩起吊時

單鋼繩起吊抱桿受力分析如圖6所示，根據(jù)力的平衡：

聯(lián)解上述2式得：

上述式中：[P]為抱桿允許軸向壓力；G為起吊側(cè)鋼繩受力；F為起吊反側(cè)鋼繩受力；β為起吊側(cè)鋼繩對抱桿夾角；α為起吊反側(cè)拉線合力對抱桿夾角。

圖6 單鋼繩起吊抱桿受力分析

如果取β=α=10°，根據(jù)公式(3)計算出抱桿最大允許起吊重量G。

(1） 當(dāng)抱桿長度L=10 m時：

2.2 反側(cè)有對地拉線、滑車組起吊時

反側(cè)有對地拉線、滑車組起吊時抱桿受力分析如圖7所示，根據(jù)力的平衡：

聯(lián)解上述2式得：

上述式中：[P]為抱桿允許軸向壓力，G為抱桿允許起吊重量，F(xiàn)為起吊反側(cè)對地拉線受力，β為起吊側(cè)鋼繩合力對抱桿夾角，α為起吊反側(cè)拉線對抱桿夾角。

圖7 反側(cè)有對地拉線時滑車組起吊示意

如果取β=10°，α=30°，根據(jù)公式(7)，計算出抱桿最大允許起吊重量G。

(1) 當(dāng)抱桿長度L=10 m時：

(2) 當(dāng)抱桿長度L=12 m時：

根據(jù)以上計算方法可計算出不同的抱桿高度和拉線對地夾角時，允許的起吊重量G如表1所示。

表1 允許起吊重量G N

2.3 起吊反側(cè)安裝塔身拉線時

2.3.1 拉線受力計算

拉線受力如圖8所示，單根拉線受力：

式中：F′為單根拉線受力；γ為拉線間夾角的1/2。

用公式(8)可計算出拉線鋼繩合力F。

2.3.2 承托繩受力分析

4根承托繩承力時，單根承托繩拉力計算：

圖8 拉線受力

式中:[P]為抱桿允許軸向壓力；N為單根承托繩受力；φ為承托繩對抱桿夾角；M為抱桿、鋼繩及滑車總重量,取值2 000 N，承托繩受力如圖9所示。

圖9 承托繩受力

如果按4根鋼繩都承力考慮，承托繩對抱桿夾角φ取45°，則抱桿高度不同時單根承托繩受力計算如下：

(1) 抱桿高度為10 m時，單根承托繩受力為：

(2) 抱桿高度為12 m時，單根承托繩受力為：

3 內(nèi)懸浮鋼管抱桿組立鐵塔

3.1 鋼管抱桿的連接

鋼管抱桿的連接采用套接方法，將抱桿上、下段插入抱桿中段，抱桿連接處有連接眼孔，抱桿插入后對準(zhǔn)眼孔，用Φ16×130螺栓連接，根據(jù)起吊高度要求可連接成10 m或12 m 2種。

3.2 起吊方法及系統(tǒng)布置

3.2.1 鋼管抱桿采用內(nèi)懸浮單鋼繩起吊

如圖10所示，內(nèi)拉線采用Φ11鋼繩，起吊鋼繩分別通過抱桿頂部滑車、底部滑車后至牽引。由于起吊鋼繩通過頂部滑車，作用于抱桿中心，因而受力較好。

通過受力分析計算可以看出，起吊重量一般能滿足輕型塔施工，不受地形條件限制，施工簡單方便，安全可靠。

圖10 內(nèi)懸浮、單鋼繩起吊示意

3.2.2 鋼管抱桿采用內(nèi)懸浮滑車組起吊

如圖11所示，起吊系統(tǒng)采用(0-1)滑車組，即起吊鋼繩一端與抱桿頂部相連，另一端通過起吊滑車、抱桿頂部滑車和底滑車后至牽引。

圖11 內(nèi)懸浮、滑車組起吊施工布置

一側(cè)(0-1)滑車組起吊塔片，反側(cè)安裝對地拉線。通過受力計算可以看出，這種方法使起吊重量大大增加，適用于在塔重較大、地形較好(可打設(shè)對地拉線)情況下的鐵塔組立施工。

3.3 拉線系統(tǒng)、腰環(huán)系統(tǒng)、承托系統(tǒng)布置

抱桿內(nèi)拉線采用Φ11鋼繩，當(dāng)采用單鋼繩起吊時，內(nèi)拉線起兩側(cè)平衡抱桿的作用；當(dāng)采用滑車組起吊時，抱桿反側(cè)對地拉線采用Φ11鋼繩，起反側(cè)平衡作用。

腰環(huán)系統(tǒng)中部分腰環(huán)用螺栓連接成整體后，4端用U形環(huán)通過Φ11腰環(huán)鋼繩和1.5 t的雙鉤連接，以便于調(diào)節(jié)。

承托系統(tǒng)中Φ13承托鋼繩一端和抱桿下段的底部掛扳相連，另一端連接在主材節(jié)點上部。

3.4 鐵塔吊裝方法

(1) 將塔身下段組裝好后留一面開口，通過開口對側(cè)兩根主材頂端懸掛的滑車將抱桿立起，然后封裝好開口面鐵件。

(2) 抱桿立好后，裝設(shè)上下2道腰環(huán)，隨后通過抱桿提升系統(tǒng)提升抱桿。

(3) 提升抱桿施工布置如圖12所示，抱桿提升到適當(dāng)高度后，打好拉線即可進(jìn)行起吊。

圖12 提升抱桿示意

(4) 起吊時，先起吊塔身和兩側(cè)曲臂，曲臂在起吊過程中應(yīng)盡量安裝反側(cè)對地拉線，在起吊重量允許的情況下，上下曲臂可整體起吊，若超重則將上下曲臂斷開，分2次進(jìn)行起吊。

(5) 橫擔(dān)吊裝時，根據(jù)橫擔(dān)的重量確定采用整體吊裝還是分片吊裝。內(nèi)拉線、單鋼繩吊裝時，起吊重量小，適用于分片吊裝；反側(cè)有對地拉線且使用滑車組起吊時，適用于整體吊裝。

（6） 橫擔(dān)吊裝完畢后，可利用牽引系統(tǒng)鋼繩通過掛在中橫擔(dān)以及上曲臂頂部的滑車將抱桿落下。

4 工程實例

2014年，在某地區(qū)施工的110 kV送電線路工程，其沿線地形復(fù)雜，施工小運距離平均800 m。工程由2條并行的單雙回混合線路組成，線路長度2×8.35 km，共有鐵塔37基，投入2個施工隊用鋼管抱桿組立鐵塔，僅用1個月時間就完成了全線組塔任務(wù)。鋼管抱桿組立鐵塔具有以下優(yōu)點。

(1) 鋼管抱桿體積小、重量輕、運輸工作量較小，施工操作靈活方便，特別是在高山大嶺的塔位施工更能凸現(xiàn)其優(yōu)越性。

(2) 在地形條件極差、運輸工器具困難的地方，可采用單鋼繩起吊，大大簡化了工器具。

(3) 施工現(xiàn)場布置緊湊，不受地形、地面障礙物的影響，施工人員比采用角鋼抱桿少。

(4) 通過受力分析可看出，由于起吊鋼繩通過頂部滑車，改善了抱桿受力，允許起吊重量完全能夠滿足輕型塔的施工。對于地形較差、無法打?qū)Φ乩€的塔位，在抱桿上只安裝內(nèi)拉線便可進(jìn)行起吊。

(5) 在地形較平坦的塔位，抱桿安裝反側(cè)對地拉線后，允許起吊重量增加，可采用將曲臂或橫擔(dān)整體吊裝的施工方法，簡單、快捷、安全、可靠，符合110 kV，220 kV線路施工及檢(搶)修的要求。

5 結(jié)論

在220 kV及以下輸電線路施工或檢修中，采用鋼管抱桿組立鐵塔既簡單快捷又安全可靠，對于優(yōu)化施工方法、提高工作效率、節(jié)約人力物力、做到標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化檢修都起到了積極的作用，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

1 中國電機(jī)工程學(xué)會電力建設(shè)安全技術(shù)分委會．DL5009.2—2004電力建設(shè)安全工作規(guī)程[S]．北京：中國電力出版社，2004.

2016-07-18。

馬 軍(1977-)，男，高級工程師，主要從事輸電線路檢修技術(shù)工作，email：majunwuwei@126.com。