袁廣林,陳建穩(wěn),楊庚宇,劉 濤,郭廣禮

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,江蘇徐州 221008;2.華北科技學(xué)院土木工程系,北京 101601;3.濰坊市建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,山東濰坊 261200;4.江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)),江蘇徐州 221008)

近年來(lái),隨著煤礦塌陷區(qū)輸電線路的大量建設(shè),人們對(duì)煤礦塌陷區(qū)的輸電鐵塔進(jìn)行了初步研究,并取得了一些成果[1-8].由于煤礦開(kāi)采過(guò)程中地表的變形是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變形過(guò)程,輸電鐵塔在地表移動(dòng)過(guò)程中所處的不同位置,對(duì)輸電鐵塔的內(nèi)力和變形影響很大.因此,研究動(dòng)態(tài)地表變形對(duì)輸電鐵塔內(nèi)力和變形的影響規(guī)律,對(duì)塌陷區(qū)輸電鐵塔的建設(shè)和安全性評(píng)估具有重要的意義.

本文以某煤礦塌陷區(qū)上典型輸電鐵塔為背景,采用數(shù)值分析方法,分析了動(dòng)態(tài)地表變形(水平變形和豎向變形)對(duì)輸電鐵塔結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響規(guī)律,可為處于塌陷區(qū)任意位置的輸電鐵塔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和安全性評(píng)估提供理論依據(jù).

1 采動(dòng)區(qū)地表動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形理論及研究方法

1.1 動(dòng)態(tài)地表變形規(guī)律曲線

長(zhǎng)期以來(lái),人們對(duì)地下開(kāi)采時(shí)地表移動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)觀測(cè)和研究,獲得了地表移動(dòng)變形規(guī)律,并給出了其預(yù)計(jì)方法[9-12].其中常用的是蘇聯(lián)的三角函數(shù)預(yù)計(jì)方法[9].根據(jù)某礦區(qū)所建的輸電線路的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告,確定了有關(guān)參數(shù),獲得了整個(gè)沉陷過(guò)程的下沉和水平移動(dòng)曲線,見(jiàn)圖1.

圖1 地表變形曲線Fig.1 Curves of ground surface deformation

圖1所示的下沉和水平移動(dòng)曲線具有以下特點(diǎn):(a)最大下沉點(diǎn)和邊界點(diǎn)的水平變形為零;(b)下沉曲線的拐點(diǎn)大致位于最大下沉點(diǎn)和盆地邊界點(diǎn)之間的中央位置處,即距最大下沉點(diǎn)200m處,此處曲率為零,水平移動(dòng)最大,傾斜最大,下沉值近似為最大下沉值的一半;(c)距最大下沉點(diǎn)0～200m區(qū)段,建筑物受地表非均勻沉降和壓縮的作用(壓縮區(qū)),距最大下沉點(diǎn)200～400m區(qū)段,建筑物受地表非均勻沉降和拉伸的作用(拉伸區(qū)).

1.2 計(jì)算假定

輸電鐵塔處于地表,下部進(jìn)行煤層開(kāi)采時(shí),輸電鐵塔將首先處于下沉盆地邊緣,然后慢慢移動(dòng)至下沉盆地中部.如果假設(shè)下沉盆地已形成,取下沉盆地作為靜止參照物,輸電鐵塔從下沉區(qū)邊緣向最大下沉點(diǎn)移動(dòng)(圖2),此過(guò)程與開(kāi)采過(guò)程中輸電鐵塔的內(nèi)力及變形是一致的.采取此種方法對(duì)動(dòng)態(tài)開(kāi)采中的輸電鐵塔進(jìn)行研究,其基本思想是首先得到輸電鐵塔基礎(chǔ)在位移中的坐標(biāo)值,然后根據(jù)坐標(biāo)值計(jì)算出基礎(chǔ)的水平和豎向位移,再施加到基礎(chǔ)上去.輸電塔設(shè)計(jì)中的工況比較多,本文采用正常運(yùn)行工況進(jìn)行輸電鐵塔分析.

計(jì)算基于以下假設(shè):(a)輸電鐵塔基礎(chǔ)不發(fā)生破壞或者較大的變形,即地表變形直接通過(guò)輸電鐵塔基礎(chǔ)作用于輸電鐵塔支座上;(b)在沉陷變形過(guò)程中,節(jié)點(diǎn)不會(huì)先于桿件發(fā)生破壞;(c)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(chǔ)位移分別相同.

圖2 輸電鐵塔移動(dòng)示意圖Fig.2 Movement of transmission tower

圖3為ANSYS分析時(shí)塔身上的位移測(cè)量點(diǎn),應(yīng)力(軸力)測(cè)量點(diǎn)見(jiàn)圖4,為完整標(biāo)示測(cè)量點(diǎn)的空間位置,圖3、圖4采用方框做輔助圖,方框表示相應(yīng)測(cè)量點(diǎn)所在高度處塔架的平面投影.

圖3 位移測(cè)量點(diǎn)Fig.3 Measuring points for displacement

圖4 應(yīng)力(軸力)測(cè)量點(diǎn)(單位:m)Fig.4 Measuring points for stress(axial force)(units:m)

1.3 開(kāi)采工況

圖5給出了開(kāi)采方向與輸電鐵塔位置關(guān)系,開(kāi)采分別沿垂直于線路方向與沿線路方向進(jìn)行,圖中的數(shù)字表示ANSYS模型中的支座節(jié)點(diǎn)編號(hào).開(kāi)采過(guò)程中,靠近開(kāi)采方向2個(gè)基礎(chǔ)首先受地表變形的影響,然后是遠(yuǎn)離開(kāi)采方向2個(gè)基礎(chǔ)受影響,以模擬采動(dòng)過(guò)程中對(duì)于建筑物的影響.其橫坐標(biāo)均代表靠近開(kāi)采方向支座距最大下沉點(diǎn)的距離,參見(jiàn)圖2.

圖5 開(kāi)采方位示意圖Fig.5 Directions for mining

2 數(shù)值計(jì)算方法

以某線路中的KT16直線跨越塔為計(jì)算實(shí)例建立模型,呼高54m,總高度為59.5m,寬側(cè)根開(kāi)13.660m,窄側(cè)根開(kāi)9.379m.KT16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(hào)為∠200×14.將輸電鐵塔桿件的中心軸線交點(diǎn)連接處作為模型節(jié)點(diǎn),兩節(jié)點(diǎn)間的角鋼簡(jiǎn)化為模型單元.

采用ANSYS程序進(jìn)行數(shù)值分析,運(yùn)用自底向上的建模方式,采用梁桁混合單元模型模擬輸電鐵塔結(jié)構(gòu),有限元分析模型及單元相關(guān)參數(shù)選擇見(jiàn)文獻(xiàn)[8].

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 動(dòng)態(tài)地表水平變形對(duì)輸電鐵塔的影響規(guī)律

3.1.1 垂直線路方向開(kāi)采(沿長(zhǎng)向開(kāi)采)時(shí)地表水平變形對(duì)桿件軸力的影響

選取位移及軸力變化顯著的測(cè)量點(diǎn)及相應(yīng)桿件作為控制點(diǎn)和控制桿件.圖6為沿垂直于線路方向開(kāi)采時(shí)地表水平變形引起的控制桿件軸力變化,圖6(a)為支座的水平位移值,其編號(hào)意義見(jiàn)圖5,可以看出其加載順序有先后,同一時(shí)刻支座位移有差值.兩側(cè)基礎(chǔ)之間的距離首先增大,相當(dāng)于基礎(chǔ)受拉伸作用,極值點(diǎn)后由拉伸轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s,再經(jīng)過(guò)壓縮極值點(diǎn),直到達(dá)到盆地中間成為穩(wěn)定狀態(tài).

從圖6(b)可發(fā)現(xiàn)各控制點(diǎn)的位移幾乎與地表的水平位移值相同,因?yàn)閮H考慮地表水平變形的影響,同時(shí)正常運(yùn)行工況下沒(méi)有風(fēng)荷載等水平荷載的存在,所以沒(méi)有發(fā)生較大的頂部位移.

圖6(c)～(e)為動(dòng)態(tài)變形中部分主要桿件的軸力隨位置的變化,其中,正號(hào)表示受拉,負(fù)號(hào)受壓,測(cè)量點(diǎn)編號(hào)見(jiàn)圖4.可以看出,桿件1號(hào)與5號(hào)、4號(hào)與6號(hào)變化差別不大,因?yàn)榉謩e是處于同一節(jié)內(nèi)(最下部)的主材.2號(hào)與3號(hào)桿件和其他桿件受力符號(hào)不同,因?yàn)閮烧呤侵餍辈?在動(dòng)態(tài)開(kāi)采水平變形下,其軸力變化也比較大,變化幅度基本與同一高度處的主材類似,曲線形狀也基本相同.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(lái)越小,到一定高度后幾乎不再變化.最大值或最小值一般出現(xiàn)在距最大下沉點(diǎn)300m和100m處,該處為地表變形曲線斜率最大的2個(gè)點(diǎn),即地表水平變形差值最大的點(diǎn).

圖6 垂直線路開(kāi)采時(shí)地表水平變形對(duì)輸電鐵塔的影響Fig.6 Influence of dynamic ground horizontal deformation under vertical mining on transmission tower

3.1.2 平行線路方向開(kāi)采時(shí)地表水平變形對(duì)桿件軸力的影響

圖7為沿平行于線路方向開(kāi)采時(shí)地表水平變形引起的控制桿件軸力變化,可看出沿線路方向開(kāi)采時(shí),水平變形對(duì)桿件軸力影響曲線與垂直線路開(kāi)采時(shí)基本相同,桿件軸力均在距最大下沉點(diǎn)300m和100m處出現(xiàn)最大值或最小值,橫隔控制桿件21及控制桿件2,3在2種開(kāi)采方向下受水平變形的影響不同,主要是不同的開(kāi)采方向?qū)τ诓煌臈U件影響不同.

圖7 平行線路開(kāi)采時(shí)地表水平變形對(duì)輸電鐵塔的影響Fig.7 Influence of dynamic ground horizontal deformation under parallel mining on transmission tower

3.2 動(dòng)態(tài)地表豎向變形對(duì)輸電鐵塔的影響規(guī)律

3.2.1 垂直線路方向開(kāi)采(沿長(zhǎng)向開(kāi)采)時(shí)地表豎向變形對(duì)桿件軸力的影響

圖8為垂直于線路方向開(kāi)采時(shí)支座的豎向變形對(duì)桿件軸力影響的計(jì)算結(jié)果.圖8(a)為沿垂直于線路方向開(kāi)采時(shí)支座的豎向位移值,在動(dòng)態(tài)地表豎向變形影響下,輸電鐵塔兩側(cè)支座兩兩共同變形,相當(dāng)于受傾斜變形的影響,兩側(cè)支座的豎向距離差值首先增大,在拐點(diǎn)處達(dá)到最大,然后慢慢減少,到達(dá)盆地中間時(shí)變?yōu)榱?即支座處于同一高度,但此時(shí)電線離地面的安全距離減小.

圖8(c)～(e)為沿垂直于線路方向開(kāi)采豎向變形引起的控制桿件軸力變化.可見(jiàn)動(dòng)態(tài)地表豎向變形與水平變形下的軸力變化不同,1號(hào)與2號(hào)桿件為處于同一高度的主材和斜材,但1號(hào)主材的變化幅度比較大,而2號(hào)斜材幾乎沒(méi)有太大變化.隨高度增加,除橫隔17～21桿件外,各桿件軸力均有變化,其變化曲線相類似,極值點(diǎn)均出現(xiàn)在距最大下沉點(diǎn)200m處.桿件內(nèi)力變化曲線變化幅度不大,說(shuō)明傾斜對(duì)于輸電鐵塔有影響,但影響有限.

從下沉曲線(圖8(a))可看出距最大下沉點(diǎn)200m處為地面傾斜最大的點(diǎn),圖8(b)可以看出在該處的頂部位移值最大,要注意該點(diǎn)的位移控制.

圖8 垂直線路開(kāi)采時(shí)地表豎向變形對(duì)輸電鐵塔的影響Fig.8 Influence of dynamic ground vertical deformation under vertical mining on transmission tower

3.2.2 平行線路方向開(kāi)采時(shí)地表豎向變形對(duì)桿件軸力的影響

圖9為平行線路開(kāi)采時(shí)地表豎向變形對(duì)輸電鐵塔影響的計(jì)算結(jié)果.平行線路開(kāi)采時(shí)豎向變形影響與垂直線路開(kāi)采時(shí)基本相似,不再討論.

圖9 平行線路開(kāi)采時(shí)地表豎向變形對(duì)輸電鐵塔的影響Fig.9 Influence of dynamic ground vertical deformation under parallel mining on transmission tower

4 結(jié) 論

a.輸電鐵塔在從盆地邊部到中部過(guò)程中,首先經(jīng)歷正曲率與拉伸作用,經(jīng)過(guò)拐點(diǎn)后,又經(jīng)歷負(fù)曲率與壓縮作用.

b.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(lái)越小;傾斜對(duì)于輸電鐵塔有影響,但是桿件內(nèi)力曲線變化幅度不大.

c.桿件內(nèi)力變化曲線為地表水平與地表豎向變形下曲線的疊加,下部桿件主要受地表水平變形影響,而上部桿件主要受地表豎向變形影響,即不同部位的桿件受變形的影響是不同的,下部桿件主要受地表水平變形(拉伸、壓縮)的影響,而上部桿件受豎向變形(傾斜)影響較大.

d.輸電鐵塔支座的最大垂直位移差值出現(xiàn)在盆地中部與邊部之間的1/2處,支座最大水平位移差值出現(xiàn)盆地中部與邊部之間的1/4與3/4處.

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