鋼管構(gòu)架吊裝中吊點及鋼絲繩徑的選擇

劉林田，隋菲菲

（1.山東送變電工程公司，濟南市，250022；2.國核電力規(guī)劃設計研究院，北京市，100094）

0 引言

密州500 kV變電站工程是山東500 kV主網(wǎng)架的重要組成部分，位于山東電網(wǎng)西電東送通道上，主要承擔山東中部電網(wǎng)的供電任務，是山東電網(wǎng)的重要變電站。該變電站500 kV構(gòu)架包括構(gòu)架桿、鋼梁、地線柱、避雷針、鋼爬梯、鋼斜撐等，共計60吊。共有人字柱22基（其中帶端撐7基），分為15種型號，單重最大12.482 t；共有構(gòu)架梁38根，分為7種型號，并可分為4個標高，其中4根18.5 m，12根20 m，16根26 m，6根33 m，單梁最重8.275 t。

該工程構(gòu)架柱采用直縫焊接圓形鋼管，螺栓法蘭連接，鋼橫梁為三角形格構(gòu)式鋼梁。鋼橫梁跨度為28 m、30.5 m和32.5 m，安裝高度為18.5 m、20 m、26 m、33 m；避雷針安裝后最高為50 m。該工程吊裝時擬采用70 t吊車進行吊裝，25 t吊車進行組裝。

目前，鋼管結(jié)構(gòu)已廣泛應用于超高壓、特高壓變電構(gòu)架中[1-6]，而構(gòu)架吊裝中吊點及鋼絲繩徑的選擇一般憑施工經(jīng)驗進行確定。本文以山東密州變電站500 kV鋼管構(gòu)架吊裝為例，通過理論計算闡述了構(gòu)架吊裝過程中鋼梁和A字柱的吊點的最佳受力位置及鋼絲繩徑的選擇，為構(gòu)架吊裝提供理論依據(jù)。

1 鋼梁和構(gòu)架柱吊點選擇

該工程吊裝構(gòu)件總體上分為2大類：鋼梁和構(gòu)架柱。在吊點計算中均采用近似計算法確定吊點位置。

1.1 鋼梁吊裝

1.1.1 吊點計算公式

鋼梁吊點按允許彎矩法進行吊點受力計算與吊點選擇。

各類鋼梁計算時均忽略其接頭包鋼質(zhì)量，假設荷載線性均勻分布，計算中不考慮加速度、風速等動荷載，鋼梁吊裝按雙吊點考慮，其吊裝示意圖如圖1所示。吊點至梁端的距離為x，q為線荷載，l為鋼梁長度，l=28 m（以GL-7為例）。

根據(jù)文獻[7]，鋼梁在自重狀態(tài)下跨中的最大彎矩值為

1.1.2 計算實例

該工程有7種鋼梁，以鋼梁GL-7為代表，其質(zhì)量為7.990 t，q=2.797 kN/m。下面以鋼梁GL-7為例進行吊點計算與選擇。圖2為GL-7鋼梁起吊示意圖。

梁安裝就位后，橫梁在自重工況下梁端部彎矩值M=0，鋼梁跨中最大彎矩值M=0.125ql2=274.11 kN·m。

鋼梁吊裝過程中，當不考慮吊繩水平力所產(chǎn)生的附加彎矩時，根據(jù)文獻[8]，鋼梁最合理的吊點位置是使吊點處負彎矩與跨中正彎矩絕對值相等的地方，此時吊點位置在離鋼梁一端0.207l處。

（1）當?shù)觞c位置設在距梁端0.207l=5.8 m時，吊點處最大負彎矩：（-M）=-qx2/2=-47.05 kN·m，跨中最大正彎矩：（+M）=ql2/8-qlx/2=47.05 kN·m。此時|（-M）|=（+M）=47.05 kN·m。

當?shù)觞c設在鋼梁節(jié)點4時，x=6 m，此時吊點位置最接近0.207l位置。

（2）同理，根據(jù)式（2）和式（3）可以計算出，當選擇其他吊點時鋼梁承受的彎矩值，計算結(jié)果如表1所示。

當?shù)觞c選擇在鋼梁節(jié)點3至節(jié)點7位置時，鋼梁承受的彎矩的絕對值均小于鋼梁就位后在自重狀態(tài)下承受的彎矩，且均在允許強度范圍之內(nèi)。

1.2 構(gòu)架柱吊裝

該工程構(gòu)架柱組裝件型式不一，可分為構(gòu)架柱和帶鋼梯的構(gòu)架柱。根據(jù)假設條件荷載線性均勻分布，計算中不考慮加速度、風速等動荷載，吊裝按雙吊點考慮，其吊裝示意圖如圖3所示。

表1 GL-7承受的荷載及撓度計算表Tab.1 GL-7 applied load and deflection calculation

（1）獨立鋼桿和鋼斜撐采用1點起吊，綁扎點位置計算方法和圖3相同。

（2）帶鋼柱和避雷針的構(gòu)架柱，鋼柱和避雷針可分別簡化成等效長度，再按線性均布荷載進行計算，計算中不考慮加速度、風速等動荷載，吊裝按雙吊點考慮，其吊裝綁扎示意圖如圖4所示。

設吊點至柱頂鐵的距離為x，構(gòu)架柱頂板至底端的距離為l，計算總長度為l0，吊點至頂端的計算長度為x0，頂頭鐵至頂端的長度和等效長度分別為ln、xn'，l1為吊點至底端的距離，則l0=l1+x0，x0=x+xn'。當構(gòu)架柱無鋼柱或避雷針時，xn'=0，l0=l1+x=l，x0=x。

設λ=x0/l1，根據(jù)文獻[7]，最大正彎矩為

最大負彎矩為

（1）當x=0時，即在頂頭鐵處起吊時，最大正彎矩為M=ql12/8。

以最重構(gòu)架柱為例進行計算（11.55 t，l1=27.75 m），q=4.08 kN/m，則M=392.7 kN·m。

根據(jù)文獻[9]，可得

式中：f為材料應力強度；Yx為截面塑性系數(shù)，可取1.15；Wx為截面抵抗矩，2根φ530 mm×10 mm的鋼管，其Wx=4168 cm3；f=81.9 N/mm2＜345 N/mm2（鋼材的材料應力強度），即在頂頭鐵處起吊時，強度能夠滿足要求。

（2）當（+M）+（-M）=0時，求得λ=0.414（λ其余3個值舍去），即x0/（l0–x0）=0.414，求得x0=0.293l0，些時鋼柱承受的正彎矩值和負彎矩值的絕對值相等，鋼柱承受的彎矩值最小。

（3）當有鋼柱和避雷針時，等效長度為xn'=（G/Gn）·l，吊點至頂頭鐵的距離x=x0-xn'＝0.293 l0-（G/Gn）l（G為避雷針的重量，Gn為下部桿子重量）。

綜合上面2種情況，即吊點在頂頭鐵到0.293 l0之間，強度均能滿足要求。但為了減小吊鉤的高度和容易控制吊件就位，在吊裝過程中吊點宜選擇在最上面的橫撐附近。

2 鋼絲繩徑的選擇

吊裝最大起重量為122.32 kN，采用2點起吊。

單根鋼絲繩的受力為F=G/（2×sin60°）=70.62 kN（其中G為重量，鋼絲繩與水平面的夾角取60°）。

根據(jù)文獻[10]，可以得到鋼絲繩的破斷拉力為S=kF=423.74 kN（其中F為鋼絲繩的受力，k為安全系數(shù)，取k=6）。

鋼絲繩的破斷拉力總和P=S/ω=498.52 kN（其中ω為鋼絲繩破斷拉力換算系數(shù)，取ω=0.85）。

根據(jù)上面的計算結(jié)果可選用φ31 mm（6×19×1700型，鋼絲強度極限1700）的鋼絲繩，其破斷拉力的總和為608.5 kN。

[1]呂超英，肖貴成.南陽1000 kV開關(guān)站構(gòu)架主柱采用抱桿組立方法[J].電力建設，2009，30（4）：98.

[2]高湛，余歡，李華.500 kV變電構(gòu)架中剛、柔性法蘭的有限元分析[J].電力建設，2008，29（2）：32-36.

[3]陳傳新，劉素麗.750 kV變電構(gòu)架結(jié)構(gòu)選型[J].電力建設，2007，28（5）：33-35.

[4]覃鵬，魏永清.葛洲壩500 kV開關(guān)站構(gòu)架改造[J].電力建設，2007，28（9）：24-26.

[5]郝仕玲，陳瑞金.鋼構(gòu)架柱子的計算長度[J].電力建設，1999，20（8）：33-36.

[6]何偉然.高電站戶外配電裝置構(gòu)架吊裝的準備工作[J].電力建設，1994，15（9）：42-42.

[7]龍馭球，包世華.結(jié)構(gòu)力學[M].北京：高等教育出版社，1996.

[8]江正榮.建筑施工計算手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.

[9]GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[10]本書編寫組.建筑施工手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.