1.青岛农业大学海都学院 山东莱阳 265200；
2.莱阳市永达地基与基础工程有限公司 山东莱阳 265200
摘要：随着电网建设的迅猛发展，越来越多的输电线路不得不途经煤矿采动区。地下煤层采出后引起的地表沉陷是一个时间和空间过程。地表的移动经历一个由开始移动到剧烈移动，最后到停止移动的全过程1。开采引起了地表移动和变形破坏了高压输电塔的初始平衡状态，造成高下输电塔受力状态恶化。现有资料表明下沉是造成采动区输电塔破坏的主要原因之一。用有限元软件ANSYS对输电塔在地表变形和外负荷共同下的受力进行数值模拟，可为处于采动区输电铁塔结构的设计和安全性评估提供理论依据。
关键词：采动区；输电塔；动态地表变形；外负荷；内力
1 工程概况
输电塔位于某矿2209工作面的上方塌陷范围以内相对位置，该工作面近东西走向，东西长306m，南北宽200m。煤层倾角4o-11o，埋深100m左右，走向长臂式开采，冒落法管理顶板。
本文以山西某矿由于地下开采对地上的输电塔的影响，由下沉监测获得的下沉数据处理后布置不利工况。用有限元软件ANSYS对输电塔在地表变形下的受力进行数值模拟，可为处于采动区输电铁塔结构的设计和安全性评估提供理论依据。
2 地表下沉的不利工况选取
2.1下沉规律与下沉预计
输电铁塔处于非充分采动区，根据图2-1，可知充分采动区地表移下沉一般规律：在o点出达到最大下沉值，由于工作面顶板存在悬顶距拐点偏向采空区，自盆地中央至盆地边缘下沉值逐渐减小为02。根据概率积分法1，地表最大下沉值的预计公式：
图2-1 地表下沉曲线
计算出铁塔各支座处得最大下沉值，进而获得输电塔的最不利变形工况。
2.2工况设计
工作面推进方向与铁塔支座节点的位置关系开采过程中靠近开采方向的支座节点先受地表变形的影响，然后远处节点依次受影响。
2.2.1变形工况
主要分析输电塔在三种不利变形工况下的附加内力及节点位移，具体变形工况如下：
（1）整体沉降：支座节点1-4下沉3m。
（2）不均匀沉降：支座节点3下沉3m，支座4节点下沉2m其余支座节点下沉值为1。
2.2.2外负荷工况
铁塔的外负荷主要是风灾、冰荷载、地震荷载、导线及线塔自重3。依据电力工业勘察设计
院的《送电线路杆塔的外负荷计算程序》计算并偏安全取整，得到线塔外负荷，选取最不利工况即：外负荷工况1（90度覆冰工况）；外负荷工况2（90度大风工况）。
2.2.3不利工况选取
工况1：自重+外负荷工况1；
工况2：自重+外负荷工况2
工况3：自重+外负荷工况1+整体沉降；
工况4：自重+外负荷工况2+整体沉降；
工况5：自重+外负荷工况1+不均匀沉降；
工况6：自重+外负荷工况2+不均匀沉降；
3 模型建立与计算分析
3.1模型的建立
以非充分采动区某线路中的直线跨越塔为计算实例建立模型4，呼高18 m，总高度为18.5 m，根开3.73m，直线跨越塔由各种等边角钢组成.
刚架模型可以准确的模拟角钢的截面形状，故采用刚架模型5。将输电铁塔杆件的中心轴线交点连接处作为模型节点，两节点间的角钢简化为模型单元.采用ANSYS 程序进行数值分析采用用自底向上的建模方式，以节点生成单元，建立模型时各杆件都用beam188单元，建立的ansys模型及节点编号如图。
图3-1 刚架模型
3.2塔架模型计算结果及分析
根据ansys对模型的运算提取各种工况下各杆件的轴力，并绘制成折线图，见图3-4。.
图3-2 各工况下杆件轴力变化折线图
工况一和工况二比较可知：在不受煤层采动影响下，下部杆件90度覆冰工况产生的轴力大于90度大风工况产生的轴力；中部杆件90度大风工况产生的轴力较大；上部杆件轴力大体相同。
工况一和工况三以及工况二和工况四比较可知：在采动下沉的影响下并考虑外负荷，铁塔支座发生均匀沉降时，铁塔个杆件轴力大大增加，下部杆件轴力增加显著约5-7倍。
工况一和工况五以及工况二和工况六比较可知：在采动下沉的影响下并考虑外负荷，铁塔支座发生不均均匀沉降时，铁塔个杆件轴力大大增加，下部杆件轴力增加显著约20-25倍；中部杆件轴力增加约4-6倍；上部杆件轴力增加相对较少。
工况三和工况五以及工况四和工况六比较可知：在采动下沉的影响下并考虑外负荷，铁塔支座发生不均匀沉降对铁塔下部及中部杆件轴力的值是均匀沉降时的2-3倍。上部杆件的轴力增加值相当。
4 结论和建议
本文用有限元软件ANSYS对输电塔在地表变形下各工况的受力进行数值模拟，通过对六种工况的对比得到以下结论。
（1）在外负荷和地表变形的共同作用下，输电塔底部杆件的轴力变化较上部杆件变化较大并且随着高度的增加轴力变化越来越小。建议在进行类似输电塔设计时，下部杆件要增大设计强度。
（2）地表均匀沉降相对于不均匀沉降对输电塔的轴力影响较小，建议采动区建设输电塔采用整体基础。
（3）在同时考虑地风载、覆冰荷载和地表变形进行输电塔设计时，90度覆冰工况对输电塔的内力值影响较大。
（4）在外负荷和采动沉陷影响下，输电塔内力增加较大，为确保结构的安全性，相关部门应当相互协作，及时检查，反馈输电塔 受力和变形信息，进而采取合适的采煤方法和加固措施保证输电塔的正常工作上述分析与结论可为处于采动区输电塔结构的设计和安全性评估提供理论依据。
参考文献
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论文作者:吕婷1,崔浩伟2
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第13期
论文发表时间:2017/10/13
标签：工况论文; 负荷论文; 地表论文; 支座论文; 铁塔论文; 节点论文; 模型论文; 《建筑学研究前沿》2017年第13期论文;