500 kV變電聯(lián)合構(gòu)架溫度效應(yīng)分析研究

陸啟亮 周元強(qiáng) 王 磊

(江蘇省電力設(shè)計(jì)院，江蘇 南京 211102)

500 kV變電聯(lián)合構(gòu)架溫度效應(yīng)分析研究

陸啟亮 周元強(qiáng) 王 磊

(江蘇省電力設(shè)計(jì)院，江蘇 南京 211102)

以某一實(shí)際變電站工程為例，對(duì) 500 kV HGIS聯(lián)合構(gòu)架的溫度效應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算分析，分別對(duì)梁、柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件中溫度效應(yīng)的影響部位作了詳細(xì)的研究，不僅定性的明確了承受溫度效應(yīng)的關(guān)鍵構(gòu)件，而且定量分析了溫度組合工況與大風(fēng)組合工況的軸力比，為以后工程中聯(lián)合構(gòu)架的計(jì)算分析以及構(gòu)件的概念設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

聯(lián)合構(gòu)架，溫度效應(yīng)，關(guān)鍵構(gòu)件，軸力比

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展以及跨區(qū)域輸電戰(zhàn)略的形成，500 kV變電站的建設(shè)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，特別是東南沿海地區(qū)，2014年江蘇地區(qū)即將投運(yùn)的500 kV變電站就將達(dá)到10座以上。按照國(guó)家電網(wǎng)公司500 kV標(biāo)準(zhǔn)化要求，目前江蘇地區(qū)新建的500 kV變電站均考慮采用HGIS方案，由于電氣裝置布置的要求，500 kV構(gòu)架采用聯(lián)合布置的方式，變電構(gòu)架長(zhǎng)度方向的連續(xù)長(zhǎng)度往往達(dá)到200 m左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了規(guī)范規(guī)定的露天結(jié)構(gòu)的溫度區(qū)段長(zhǎng)度限值，較一般短距離的構(gòu)架，溫度效應(yīng)無(wú)法忽略，在受力分析時(shí)必須考慮溫度效應(yīng)的影響。但是目前在設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于工程進(jìn)度以及設(shè)計(jì)人員和軟件的限制，往往無(wú)法進(jìn)行詳細(xì)的分析，必將在技術(shù)上給工程留下一定的隱患。本文將以某個(gè)500 kV變電站的聯(lián)合構(gòu)架作為案例，詳細(xì)闡述溫度效應(yīng)的影響部位，溫度效應(yīng)的大小，為工程設(shè)計(jì)人員在實(shí)際工程進(jìn)行概念設(shè)計(jì)提供依據(jù)，使500 kV聯(lián)合構(gòu)架的設(shè)計(jì)高效準(zhǔn)確。

1 計(jì)算模型及軟件

本文采用的模型是江蘇地區(qū)即將投運(yùn)的一個(gè)500 kV變電站中的500 kV場(chǎng)地的變電聯(lián)合構(gòu)架，該構(gòu)架一共7個(gè)間隔，縱向7跨，橫向主體3跨，兩端兩側(cè)有兩個(gè)低跨進(jìn)線，構(gòu)架梁整體分為3層，分別為18.5 m(20 m),26 m以及33 m。為了降低鋼材用量及節(jié)約占地，本工程構(gòu)架采用“A字柱+單柱+A字柱”的結(jié)構(gòu)形式，為了適應(yīng)主變進(jìn)線與高跨線的不平衡受力，在聯(lián)合構(gòu)架的端部全部采用33 m高的帶端撐柱。中部A字柱伸至26 m，33 m高的高跨梁采用短柱支撐，為降低短柱側(cè)向位移，在雙側(cè)受力高跨梁處采用“只拉桿”連接，在單側(cè)受力高跨梁處采用連梁。梁柱鋼材牌號(hào)均采用Q345鋼。26 m高的A字柱桿徑為φ480×10，33 m高帶端撐A字柱采用φ600×12，單桿采用φ650×12。梁主材采用φ159×8及φ152×8，輔材采用角鋼[7,8,11]。

分析軟件采用電力行業(yè)通用的構(gòu)架設(shè)計(jì)軟件STAAD.Pro，具有較強(qiáng)的可視化操作性能，可以直觀的編輯桿件、施加荷載以及添加工況組合，具有較為強(qiáng)大的分析功能以及后處理能力。

2 溫度效應(yīng)分析

2.1 溫度荷載的取值

溫度荷載產(chǎn)生的根源在于溫差帶來(lái)的桿件物理尺寸的變化以及外界約束對(duì)這種變化的限制。在目前變電構(gòu)架設(shè)計(jì)主要依據(jù)《變電構(gòu)架設(shè)計(jì)手冊(cè)》[5]以及《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》[6]，其對(duì)溫差的取值做了較為詳細(xì)的規(guī)定，詳見表1。兩本文獻(xiàn)的規(guī)定有所不同，但均提到了最大風(fēng)環(huán)境溫差的取值，取值略有不同。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，有大風(fēng)工況作用參與下的工況組合往往起控制作用，為了便于比較，本文計(jì)算分析時(shí)僅考慮最大風(fēng)環(huán)境下的溫差，取值按照《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定，分別取+35 ℃及-35 ℃。

表1 溫差的取值

2.2 溫度效應(yīng)影響部位分析

溫度效應(yīng)是一種變形荷載，在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生內(nèi)力的大小與構(gòu)件約束強(qiáng)弱、構(gòu)件超靜定次數(shù)有很大的關(guān)系。在聯(lián)合構(gòu)架中，梁柱之間、弦桿與腹桿之間連接方式不同，梁弦桿、腹桿以及柱的截面形式不同，梁柱桿件的布置方式不同，均會(huì)導(dǎo)致梁柱桿件在溫度荷載作用下產(chǎn)生截然不同的受力。而在聯(lián)合構(gòu)架分析過(guò)程中，弄清結(jié)構(gòu)體系中不同桿件的受力情況，找到溫度效應(yīng)影響的主要部位，對(duì)于提前預(yù)判結(jié)構(gòu)受力、簡(jiǎn)化計(jì)算、進(jìn)行概念設(shè)計(jì)至關(guān)重要。實(shí)際工程中梁柱連接雖然采用橢圓長(zhǎng)孔，對(duì)溫度效應(yīng)有一定的釋放功能，但是橢圓長(zhǎng)孔還兼具調(diào)節(jié)梁柱安裝加工誤差的作用，由于誤差的存在，橢圓孔無(wú)法保證足夠的變形空間用來(lái)釋放溫度效應(yīng)，所以本文在分析溫度效應(yīng)時(shí)不考慮橢圓長(zhǎng)孔的影響，將其作為工程中的一種安全儲(chǔ)備。

2.2.1 構(gòu)架梁

聯(lián)合構(gòu)架布置中，梁柱之間采用鉸接組合成縱橫向的排架結(jié)構(gòu)，根據(jù)電氣布置需要，按梁底標(biāo)高大致分為3種類型的構(gòu)架梁，分別為：18.5 m的低跨進(jìn)行梁(或20 m母線梁)、33 m處的高跨梁以及26 m處的出線或跨線梁。18.5 m(或20 m)處及33 m處的梁沿構(gòu)架橫向布置，跨數(shù)在4跨以內(nèi)，總長(zhǎng)度往往在100 m以內(nèi)，26 m處梁沿構(gòu)架縱向布置，隨著電氣間隔數(shù)目的變化而變化，按國(guó)網(wǎng)典設(shè)，電氣專業(yè)一般6個(gè)～7個(gè)間隔，總長(zhǎng)度達(dá)162 m以上。按照《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，兩端設(shè)有剛性支撐、總長(zhǎng)超過(guò)150 m的連續(xù)排架，或總長(zhǎng)超過(guò)100 m的連續(xù)鋼架，應(yīng)計(jì)算溫度作用效應(yīng)的影響。因此，從梁的連續(xù)布置長(zhǎng)度來(lái)看，聯(lián)合構(gòu)架中，產(chǎn)生明顯溫度效應(yīng)的應(yīng)該是26 m標(biāo)高處的出跨線梁。

由于鋼材熱傳導(dǎo)性能良好，梁在外界溫度變化時(shí)幾乎是均勻變形，見圖1。從圖中可見，在溫度升高后，連續(xù)梁以中間梁的中心為起點(diǎn)，均勻的向兩側(cè)伸長(zhǎng)。在溫度變形發(fā)生后，柱子對(duì)梁的約束，限制其變形產(chǎn)生了內(nèi)力，由于中間跨與梁連接的柱子均為26 m的人字柱，側(cè)向剛度基本相同，從而導(dǎo)致在連續(xù)梁中由溫度產(chǎn)生的內(nèi)力基本相同，見圖2，由于相鄰柱子的影響，中間構(gòu)架梁的溫度內(nèi)力略大于兩側(cè)的構(gòu)架梁。圖3表示了溫度作用下，構(gòu)架梁內(nèi)部弦桿、腹桿內(nèi)力下，構(gòu)架梁內(nèi)部弦桿、腹桿內(nèi)力的分布情況，由圖中可以清晰的看出，在溫度荷載的作用下，發(fā)生內(nèi)力的主要是兩個(gè)下弦桿，上弦桿及腹桿內(nèi)力較小，幾乎可以忽略。

2.2.2 構(gòu)架柱

由于構(gòu)架柱在結(jié)構(gòu)體系中屬于豎向構(gòu)件，它的溫度應(yīng)力來(lái)自于兩個(gè)方面，一方面約束梁的溫度變形，一方面柱子本身溫度變形。圖4,圖5分別表示了在同等繪圖比例下，縱向構(gòu)架柱分別在自身溫度變形作用下及梁溫度變形作用下各自的柱子軸力圖。從圖中可以看出，與柱子本身溫度變化產(chǎn)生的溫度效應(yīng)相比，梁溫度變化給柱子帶來(lái)的溫度效應(yīng)要大得多，并且主要集中在兩端帶端撐的構(gòu)架柱上。這主要是由于柱子下端與基礎(chǔ)固接，上端與梁鉸接，在豎向發(fā)生溫度變形時(shí)，上端幾乎不受約束，可以自由伸縮，溫度應(yīng)力被有效釋放；但是當(dāng)橫向梁發(fā)生溫度變形時(shí)，由于連續(xù)排架的兩端帶有端撐，相對(duì)于中間“A”形柱平面外剛度來(lái)說(shuō)，具有很強(qiáng)的側(cè)向剛度，限制了伸縮變形，在端撐上便產(chǎn)生了較大的溫度應(yīng)力?？v向排架這樣，橫向亦是如此，只不過(guò)橫向排架跨數(shù)較少而已，圖6表示了橫向排架柱在梁溫度變形作用下的軸力圖，溫度效應(yīng)主要集中在兩側(cè)約束其變形”A”形柱上。

從上述分析可以知道，無(wú)論是在聯(lián)合構(gòu)架的橫向還是縱向，柱子的溫度效應(yīng)主要是由梁的溫度變形產(chǎn)生，集中于約束剛度較大的兩端，從整體來(lái)看，溫度效應(yīng)集中于聯(lián)合構(gòu)架的外圍構(gòu)架柱。圖7表示了在整體溫度效應(yīng)作用下，聯(lián)合構(gòu)架中出線縱向排架的軸力圖，由上述的分析可知，兩端端撐的溫度效應(yīng)主要由縱向梁溫度變形產(chǎn)生，中間“A”形柱的溫度效應(yīng)主要由橫向梁的溫度變形產(chǎn)生，但是與端撐相對(duì)應(yīng)的兩端“A”形柱，由于需協(xié)調(diào)縱橫向的溫度變形，同時(shí)承受兩個(gè)方向的溫度效應(yīng)。

2.3 溫度效應(yīng)大小分析

根據(jù)上述的分析，溫度效應(yīng)在聯(lián)合構(gòu)架中不是均勻的分布于結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，而是集中在某些構(gòu)件上，而產(chǎn)生過(guò)高的溫度應(yīng)力，特別是對(duì)于這種超長(zhǎng)且整體連接的聯(lián)合構(gòu)架。為了達(dá)到精細(xì)化設(shè)計(jì)以及滿足規(guī)范的要求，受力分析時(shí)必須考慮溫度效應(yīng)參與的組合工況，而根據(jù)分析經(jīng)驗(yàn)，在不考慮溫度效應(yīng)時(shí)，大風(fēng)工況下的組合工況往往起到控制作用。為了更好的說(shuō)明溫度效應(yīng)的影響大小，本文將有溫度效應(yīng)參與的組合工況與大風(fēng)工況下的組合工況進(jìn)行對(duì)比。按照規(guī)范[5，9，10]，工況組合如下：

大風(fēng)組合工況(HWC)：1.2×SW+1.3×D11+1.4×Wmax。

溫度參與組合工況(TC)：1.2×SW+1.0×Δt+0.85×(1.3×D11+1.4×Wmax)。

其中，SW為結(jié)構(gòu)自重；D11為導(dǎo)線荷載；Wmax為大風(fēng)荷載；Δt為溫度荷載(此處為+35 ℃)。

通過(guò)分析統(tǒng)計(jì)，在表2中分別列出了端跨出線構(gòu)架梁下弦桿，中部出線“A”形柱以及端部帶端撐“A”形柱在上述兩種組合工況下的軸力。

表2 兩種組合工況下構(gòu)件內(nèi)力(壓力最大桿件)

由表2可知，對(duì)于構(gòu)件梁，在有溫度作用參與的組合工況作用下的軸力反而沒(méi)有大風(fēng)組合工況下的大，二者比值為0.89，出現(xiàn)小于1情況的主要原因是組合系數(shù)抵消了溫度效應(yīng)微弱的影響；對(duì)于中部出線的“A”形柱，溫度組合工況的軸力略大于大風(fēng)組合工況，二者的比值為1.02，這是由于中部出線“A”形柱的溫度效應(yīng)主要由橫向梁的溫度變形產(chǎn)生，而對(duì)于目前的聯(lián)合構(gòu)架來(lái)說(shuō)，橫向梁的連續(xù)長(zhǎng)度僅為70 m左右，溫度效應(yīng)較??；對(duì)于帶端撐“A”形柱，不論“A”形柱還是端撐，溫度效應(yīng)的影響均不可忽視，A形柱軸力的比值達(dá)到了1.5，端撐軸力的比值為1.08。所以，在整個(gè)聯(lián)合構(gòu)件中，由于縱向構(gòu)架梁連續(xù)長(zhǎng)度過(guò)大，一般6跨～8跨達(dá)150 m以上，在溫度變形的作用下對(duì)構(gòu)架兩端的帶端撐“A”形柱產(chǎn)生了較大的溫度效應(yīng)，這樣的溫度效應(yīng)必須考慮。除此之外的其他構(gòu)件，由于溫度效應(yīng)較小，在受力分析時(shí)可以忽略。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文分析可知，500 kV聯(lián)合構(gòu)架在溫度變形作用下，溫度效應(yīng)并不是在各構(gòu)件中均勻分布，而是集中分布在部分構(gòu)件上。梁的溫度效應(yīng)主要集中于下弦桿，且在工況組合時(shí)不占控制作用。柱的溫度效應(yīng)主要來(lái)自于梁的溫度變形，集中于縱橫向兩端的構(gòu)架柱上，特別是縱向兩端帶端撐的“A”形構(gòu)架柱。本文所述聯(lián)合構(gòu)架，在考慮溫度效應(yīng)后，A形柱的組合軸力相當(dāng)于不考慮溫度效應(yīng)的1.5倍，端撐為1.08倍，在結(jié)果分析中如果沒(méi)有充分考慮，將給構(gòu)架的安全帶來(lái)很大的隱患。除帶端撐“A”形以外的普通A形柱由于受橫向構(gòu)架梁溫度變形的控制，溫度效應(yīng)不是很顯著，考慮溫度后的軸力相當(dāng)于考慮前的1.02倍，在桿件設(shè)計(jì)中考慮一定量的裕度后便可以忽略溫度效應(yīng)的影響。

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Theresearchofremperatureeffectsonthe500kVunitedframeworkofsubstation

LUQi-liangZHOUYuan-qiangWANGLei

(JiangsuElectricPowerDesignInstitute，Nanjing211102，China)

Based on a practical substation project, the temperature effects on the 500 kV HGIS united framework were calculated and analyzed. Respectively, as the structural members, beams and columns were studied in detail, not only to identify qualitatively the key components which withstand temperature effect, and analyze quantitatively the axial force ratio between the combined load case including temperature effect and the combined load case including high wind. The results of this paper provide a foundation for the analysis and conceptual design of the united framework in the future.

united framework, temperature effect, key component, axial force ratio

1009-6825(2014)33-0031-03

2014-09-12

陸啟亮(1985- )，男，碩士，工程師

TU391

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