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摘要：本文结合平潭海峡公铁两用大桥220kV高压电缆过桥项目，对高压电缆-钢桁梁桥梁体系(Highvoltagecable-SteelbridgeSystem,HSS)利用ANSYS建立了精细的有限元模型，从磁滞损耗、涡流损耗及其所带来的温升与带感应电流导体在磁场中沿各方向的受力情况等多个角度，分析了高压电缆感应电流对钢桁梁造成的影响。
关键词：桥梁，高压电缆，钢桁梁，有限元分析
0引言
大量的工程实例验证了电力电缆过桥的可行性与安全性[1]，但未能对220kV高压电缆所产生的磁场对钢桁梁桥梁体系所产生的影响做出全面的分析与研究。文献[2]考虑因电缆的热伸缩及桥梁的震动可能对电缆带来的危害，并未考虑高压电缆对钢桁梁造成的影响。文献[3]结合现有桥梁上敷设电缆的设计经验，分析了高压电缆对通信、监控线路的互感。文献[4]基于COMSOL多物理场仿真工具，对混凝土梁箱结构敷设电缆进行有限元建模与仿真计算，分析了梁箱内温度场的分布，但并未涉及钢桁梁与电缆桥架磁场力分析。
平潭公铁大桥位于福建省平潭海峡北口，全长约16.35公里，桥梁功能之一就是搭载高压电缆上平潭岛，由于敷设过桥高压电缆可能会对桥梁结构、部件产生影响，加之平潭海峡大桥周围环境复杂，电缆敷设方式及通道结构必须确保桥梁安全。在电缆磁场的作用下，铁磁材料会在受力、温升等方面与无磁场环境有所差别，并且钢材料不同的属性、结构以及实际环境中激励源与边界条件的不同也会对分析结果造成较大的影响。因此，利用有限元方法对钢桁梁结构与220kV高压电缆及其通道进行建模，研究磁场及其产生的感应电流对桥梁主体结构在受力、温升方面的影响，具有重要的意义与工程价值。
ANSYS是目前国际上使用最多的有限元分析软件，具有良好的通用性，能够分析热、电、磁、流体等方面的内容，非常适合高压电缆对钢桁架影响的分析。后文中对空间磁场、温升以及导体受力情况的分析均是基于该软件进行。
1HSS模型建立
本项目钢梁段长5.683km，钢桁梁桥的整体结构十分庞大，但具有周期重复性，可以对主桥钢桁梁搭建一个单元的桥段有限元模型来分析电缆对HSS体系的电磁影响。HSS模型主要由电缆、电缆通道、钢桁梁等几个部分构成。
1.1电缆模型
该项目220kV高压过桥电力电缆包含2个回路，过桥电缆选型为ZC-YJLW03-Z127/220kV，其主要技术条件为：
a)面积：1×2500mm2；
b)重量：39.3kg/m；
c)90℃最大交流电阻：0.011Ω/m；
d)额定电压：220kV，最高电压：253kV；
e)额定相电压：Vo127kV；
f)耐受冲击电压：Vp550kV；
g)导体允许最高温度：正常运行时90℃，短路时250℃；
h)空气中载流量：2249A。
电缆在桥上的布置方式主要有两种：“一”字形排列方式与“品”字形排列方式。该工程中使用的为“一”字形上、下两层排列方式电缆模型。
1.2电缆通道模型
电缆通道分为电缆支架和电缆吊架两个部分。电缆支架采用非铁磁性材料，以降低涡流损耗。电缆吊架用以支撑电缆及其支架，采用了与钢桁梁桥体相同的Q370qD桥梁钢，如图1所示：
该工程敷设的220kV电缆采用铜芯铝护套交联聚乙烯电缆。依据材料参数拟合得到Q370qd磁滞回线如图3所示：
图9电缆吊架磁滞损耗分布
在磁性材料Q370qD上两种损耗的分布情况大致相当，而在非磁性材料的不锈钢支架上，磁滞损耗基本为0。由于桥梁材料采用的Q370qD为软磁材料，所以相较于涡流损耗，磁滞损耗要小很多。具体数据如表2所示。
表2HSS平均损耗
由表2可知，涡流损耗和磁滞损耗主要还是集中在电缆通道上，且该损耗十分小。
3.2.2温度场分析
利用ANSYS的多物理耦合场进行分析，将焦耳损耗加载到温度场进行分析。损耗发出的热量通过桥梁体表面的自然对流换热和热辐射两种方式发散到周围环境。假设各种材料的热物性为常数，不随材料温度而改变。则温度场的控制方程为：
可以看出钢桁梁最大受力方向为垂直方向（Z轴），该方向最大平均受力约为0.2054N/m。电缆吊架最大受力方向也为垂直方向（Z轴），该方向的最大平均受力约为1.924N/m。电缆支架各方向的最大平均受力也在10-3kN/m以下。
《城市桥梁设计规范》（CJJ11-2011）[5]中规定各部位允许的永久荷载包括路面汽车荷载标准等均为kN/m以上的水平。参照《钢制电缆桥架工程技术规程》（T/CECS31-2017）[6]中规定的电缆桥架安全工作荷载等级也都在0.5kN/m以上。
可见无论针对钢桁梁、电缆吊架还是电缆支架，高压电缆所产生的电磁力相较于现行的载荷标准而言均小2个数量级以上，在桥梁载荷计算中可以忽略不计。
4总结
220kV高压电缆在公路桥梁已有较多建成实例，但在国内公铁两用跨海大桥上还是首次。本文基于ANSYS建立有限元模型，分析了感应电流对桥梁钢构架的影响。研究结果表明，在钢桁梁结构桥梁上敷设220kV高压电缆，在温升与电磁力方面对桥梁结构的作用十分有限，不会造成桥梁安全性能方面的影响。
参考文献:
[1]钟宇军，李程，孙建生等.国内外桥梁敷设电力电缆的可行性对比分析及建议[J].浙江电力，2016，35(7)：16-19.
[2]许一凡，戴秀秀.港珠澳大桥桥梁段高压电缆敷设质量控制[J].公路交通科技，2017，34(S1)：121-129.
[3]赵艳粉.长距离跨桥高压电缆的关键技术设计[J].电网与清洁能源，2013，29(11)：25-28.
[4]李红雷，夏俊峰，俞瑾华等.梁箱结构内的电缆温度场及载流量仿真[J].电气应用，2017，36(14)：46-49.
[5]CJJ11-2011城市桥梁设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.
[6]T/CECS31-2017钢制电缆桥架工程技术规程[S].北京：中国计划出版社，2017.