陈雪松，罗义华，周焕林

(1.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2.安徽省电力公司，安徽 合肥 230009)

跨越架是一种能迅速搭建并跨越一定范围的架体，其作用是保证输电线路架线施工时被跨越设施的安全运行。跨越架从最初的脚手架式，发展形成了站立式抱杆、金属格构式和索桥跨越等多种形式。吕江林[1]等介绍了常用跨越架线施工方法，阐述其工作原理和应用范围，并对跨越架线施工影响因素进行了分析；王玉华[2]讨论了高铁跨越架结构风荷载计算方法、断线荷载模拟，提出了新的整体稳定分析方法；石亮[3]等设计了一种安全、稳固、结构轻巧且安装方便的模块化输电线路跨越架；丁晨[4]研发了一种抱杆自立式跨越架，利用了抱杆强度高和抗载能力强的特性；梁益嘉等[5]提出了一种高机动性、能够快速自动展开的车载移动式跨越架。

平臂自升塔式跨越架的设计借鉴了塔式起重机的结构设计理念。文朝辉等[6]建立了塔式起重机模型，实现了塔式起重机的系列化、规范化力学分析；滕儒民等[7]结合CAD的装配参数化技术，有效地解决了动臂塔式起重机臂架系统有限元模型参数化的问题；周奇才等[8]提出了基于连续体拓扑优化的桁架结构优化设计方法，实现塔式起重机臂桁架结构腹杆的布局优化；贾洁等[9]以结构横截面尺寸为优化变量，并对其结构质量最小化进行迭代计算，实现了起重臂结构的轻量化设计，并且提升了臂架强度；包恩和等[10]指出钢框架局部变形中，柱变形与总变形比值随柱梁刚度比和梁柱截面高度比的增大而减小；赵维等[11]对跨越架封网结构在不同工况下的力学性能进行分析，总结出封网结构的相关参数的影响规律；高强等[12]以某型式塔机转台机构为研究对象，设计了一种均载机构，并进行了动力学仿真计算。

1 工程概况

本文研究的平臂塔式跨越架用于跨越铁路、公路或已有输电线路，保证新建输电线路架线施工时被跨越设施的安全。跨越架主体采用钢结构，分自立式塔身和横梁臂架，并配备自升降系统和转台机构。可灵活调整跨越架的高度和角度。塔身由标准节组立而成，跨越高度可达60 m；臂架可在空中对接，保护范围可达120 m；臂架上顶面直接形成1个宽4 m的放线平台，无需其他封网设施，即可同时完成4根导线的跨越工作。2个跨越架对接后结构形式如图1所示。

图1 对接的跨越架

跨越架的设计主要包括结构型式设计、截面尺寸选型和转台机构设计3个方面。

2 结构型式设计

2.1 塔身设计

采用上回转式自升塔式跨越架，塔身固定不动，主要承受轴力荷载。由于上部旋转而塔身不转，塔身的受力情况随臂架的不同方位而在变化，故而采用桁架式塔身结构，并沿塔身高度做成等截面结构。塔身标准节如图2所示，塔身标准节规格为1.8 m×3 m，最大组合高度为60 m，各节间为螺栓连接。

图2 标准节

2.2 臂架设计

臂架是跨越架的重要组成部分，承受着跨越架主要的工作载荷。设计了一种箱型截面型式的臂架结构，如图3所示，臂架标准节的设计长度10 m，由5个2 m段组成，上平面宽4 m，下底宽1.2 m，高度为1.5 m。其中按应力分布的趋势，臂架主弦杆每10 m设置为一个变截面段，同一区段内的杆件截面参数相同。长臂部分长40 m，由4节臂架标准节组成，短臂和横担部分长20 m，由2节臂架标准节组成，各节间为法兰盘连接。

图3 臂架

3 截面选型

跨越架实际应用时，作业人员首先在被跨越的设施两侧地面上进行跨越架的组立安装，跨越架可根据被跨越设施实际情况，通过顶升套架上的液压装置，逐步完成塔身标准节的连接，将臂架升至预期高度。跨越架主体立柱部分安装完毕后，可通过操作转台机构，将两侧长悬臂架在被跨越设施上方连为一体，格构式臂架上顶面直接形成放线平台，起到硬封网作用。

采用上述结构设计方案分别建立了施工安装时的单个平臂塔式跨越架有限元模型(见图4)和对接后的跨越架有限元模型(见图5)，其中梁单元模拟跨越架的主弦杆，杆单元模拟跨越架的辅材，分析不同荷载组合作用下的结构响应。

图4 单个跨越架模型

图5 对接的跨越架模型

根据《起重机设计规范》(GB/T 3811—2008)要求[13]，平臂塔式跨越架按极限状态设计法，跨越架体主要承受自重荷载、配重荷载、导线荷载和风荷载。其中风荷载分为正常工作风荷载(风速为10 m/s)和极限大风荷载(风速为27 m/s)，并要求跨越架结构在大风工况下能保证结构安全、不发生倾覆事故，在正常工作工况下跨越架结构的变形能满足跨越放线施工的要求，其结构荷载如表1所示。

表1 架体荷载

3.1 塔身截面选型

塔身由标准节组立而成，因此只需优化一个标准节内的杆件截面型号。标准节主弦杆编为1号，直腹杆编为2号，中间斜腹杆编为3号，如图2所示。塔身标准节主要承受轴力作用，为了满足构件的稳定性和施工组装方便快捷的要求，应优先考虑等边角钢的截面型式。参考《起重机设计规范》(GB/T 3811—2008)对长细比和应力的限值要求[13]，对跨越架结构模型进行钢构件验算分析，对型钢库的角钢进行优选，塔身标准节截面选型结果如表2所示。

表2 塔身标准节选型结果

3.2 臂架截面选型

臂架结构采用变截面结构设计，每段标准节的截面型号都不相同，考虑臂架杆件较多，不宜将每个杆件的截面属性设为变量，基于结构的受力特点和初步的计算结果，将同一位置及功能相近的杆件分组归并。如图6所示，从臂尖到塔身处，分别编号为1、2、3、4，短悬臂编号为5，长悬臂辅材编为6，短悬臂辅材编为7。依据截面选型优化设计方法，确定臂架各部分结构型钢型号，臂架选型结果如表3所示。

图6 臂架杆件编号

表3 臂架标准节选型结果

在上述选型基础上，对结构的整体安全性也经过校核，符合要求。

4 转台机构设计

根据塔式起重机的回转结构形式，设计了一种双回转式转台机构，即对称布置一对行星小齿轮，其中输出的小齿轮作为行星齿轮围绕着齿圈做回转运动。该转台机构包括上支座、下支座和回转支承3个部分。

4.1 转台模型

建立转台的三维有限元模型如图7所示。转台弹性模量为E=2.06×105MPa，泊松比γ=0.3，密度ρ=7.8×10-3kg/mm3，采用四面体实体单元模拟回转支承，壳单元模拟上、下支座。在仿真模拟中，齿圈与下支座、回转支承与上支座、下支座与塔身主弦杆固接，并在齿轮间定义接触约束模拟齿轮啮合运动。

图7 转台模型

转台的受力复杂，全部荷载包括起升平面内的悬臂自重、导线荷载以及作用在转台回转平面内水平方向上的风力、回转过程中产生的扭矩等。计算时，主要考虑垂直力、扭矩和弯矩对转台的共同作用，并选择对跨越架最不利的工况(在最不利工况下，转台机构一边承受155.8 kN压力，一边承受82.8 kN拉力)进行分析计算，平臂自升塔式跨越架转台载荷如表4所示。

表4 回转过程中转台荷载

4.2 计算结果

转台应力如图8所示，高应力区集中在上支座的上、下盖板以及肋板与主弦受压一侧对称线附近以及下支座的下盖板、肋板与主弦支腿受压一侧的对称线附近。其中，上支座上盖板的最大应力为75.02 MPa，下盖板的最大应力为110.15 MPa，转台下支座上盖板的高应力区发生在主弦支腿受压一侧附近，最大应力值为88.54 MPa。下盖板高应力区发生在主弦支腿受压一侧的对角线上，其最大应力值为81.29 MPa。转台最大应力在下支座肋板与上盖板受压侧的交接处，其应力值为200.01 MPa，均低于材料的屈服极限。

转台变形最大点发生在上支座受压一侧主弦悬臂端，最大变形为0.3 mm，满足转台机构刚度大、承载力强的要求，转台的位移见图9。

图8 应力云图

图9 位移云图

5 结论

以平臂塔式跨越架为研究对象，完成了跨越架结构型式设计、截面尺寸选型以及转台机构3个部分结构设计。基于起重机空间桁架结构特点，完成了塔身和臂架标准节结构设计，臂架可直接作为封网结构，避免传统跨越施工的封网时间和费用；完成了塔身和臂架截面优化选型，跨越架结构的位移、应力等符合安全要求；设计了一种双回转式转台机构，转台受力合理，保证塔架回转过程中的平稳性。该塔架结构在输电导线跨越架线工程中可发挥重要的安全防护作用，具有一定的应用和推广价值。