750 kV 格構(gòu)式變電構(gòu)架結(jié)構(gòu)選型及優(yōu)化研究

商文念 劉建秋 魏珍中

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東濟(jì)南 250013)

0 引言

隨著電力建設(shè)的快速發(fā)展，變電站采用格構(gòu)式梁柱的結(jié)構(gòu)形式越來越多［1］，采用這種形式是非常必要的，一是滿足國外工程要求，二是超高電壓等級的構(gòu)架高度較高、跨度大、荷載大，變電構(gòu)架可以采用普通鋼管結(jié)構(gòu)、鋼管格構(gòu)結(jié)構(gòu)和角鋼格構(gòu)結(jié)構(gòu)，三種結(jié)構(gòu)形式的經(jīng)濟(jì)性并沒有學(xué)者進(jìn)行相關(guān)的研究。

傳統(tǒng)的平面計算分析方法，不能直觀反映構(gòu)件的真實(shí)的受力狀態(tài)，造成大量構(gòu)件的強(qiáng)度未能充分發(fā)揮，而局部一些構(gòu)件處于滿應(yīng)力工作狀態(tài)，不僅結(jié)構(gòu)用鋼量不低，而且結(jié)構(gòu)的整體安全度不高。

本文構(gòu)架計算采用空間分析方法，構(gòu)件的計算內(nèi)力更接近于其實(shí)際受力狀態(tài)，可以對所有的構(gòu)件依照設(shè)定的控制指標(biāo)進(jìn)行滿應(yīng)力設(shè)計，既保證了構(gòu)架的整體安全度水平一致，又有效地節(jié)省鋼材，降低工程造價。

1 設(shè)計條件

以某變電站中的750 kV連續(xù)四跨構(gòu)架為例，柱距為48 m，高度為38 m，鋼材的彈性模量取E=2.06×1011N/m2，密度取ρ=7 800 kg/m3，泊松比取μ=0.3。本文構(gòu)架柱采用梁單元模型來模擬，單線透視圖如圖1所示。

圖1 格構(gòu)梁柱三維透視單線圖

基本風(fēng)壓:0.50 kN/m2(考慮到結(jié)構(gòu)的重要性，按100年一遇查表)，地面粗糙度:B類。

作用在構(gòu)架上的荷載主要有:結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)荷載、冰荷載、上人、安裝檢修、短路沖擊、導(dǎo)線張力、溫度作用、地震作用。所有構(gòu)架按照最終規(guī)模所產(chǎn)生的荷載進(jìn)行分析計算，線路荷載系數(shù)如表1所示，風(fēng)荷載系數(shù)如表2所示，計算過程根據(jù)實(shí)際情況只考慮單側(cè)掛線情況。

由于本工程屬于極端最低氣溫達(dá)到-27.7℃，設(shè)計時，不但要考慮導(dǎo)線覆冰，還要考慮結(jié)構(gòu)覆冰荷載。

根據(jù)文獻(xiàn)［3］第3.3.4條規(guī)定:連續(xù)構(gòu)架長度總長度超過100 m時，應(yīng)考慮溫度作用效應(yīng)的影響。本工程構(gòu)架布置時，為減少溫度作用效應(yīng)的影響，雖然中間設(shè)伸縮縫，但每側(cè)4跨構(gòu)架(43.00×4=172.00)已超出規(guī)范要求，需要考慮溫度作用。

表1 線路專業(yè)提供的導(dǎo)線荷載 kg

表2 風(fēng)荷載系數(shù)取值［2］

2 構(gòu)架動力特性分析

通過STAAD動力分析，利用分塊的Lanczos算法，分析得到構(gòu)架前6階頻率如表3所示，振型模態(tài)如圖2所示。

表3 構(gòu)架前6階頻率 Hz

圖2 構(gòu)架前3階模態(tài)

3 結(jié)構(gòu)類型比較

3.1 等截面普通鋼管結(jié)構(gòu)

750 kV構(gòu)架A型構(gòu)架柱根開設(shè)置為7 m，端撐根開設(shè)為7 m，中間設(shè)置2道橫撐。三角形鋼梁寬3 m。構(gòu)架梁采用三角形格構(gòu)梁形式，如圖3所示。這樣可以便于加工、安裝，也可以減輕梁自重，節(jié)省鋼材。750 kV配電裝置構(gòu)架掛線點(diǎn)高度38 m，等截面普通鋼管結(jié)構(gòu)在每組連續(xù)構(gòu)架一端設(shè)置端撐。基礎(chǔ)采用杯口基礎(chǔ)，柱腳按剛接設(shè)計。

圖3 梁的計算單線圖

3.2 鋼管、角鋼格構(gòu)柱結(jié)構(gòu)

格構(gòu)柱底部斷面取5.5 m×2.5 m，頂部地線柱斷面取1 m×1 m，在設(shè)計中格構(gòu)柱每隔2個～3個節(jié)間設(shè)置一道橫隔，在柱變截面處及有較大荷載處也設(shè)置橫隔。

構(gòu)架橫梁采用矩形格構(gòu)式鋼梁，型鋼梁寬2.5 m，高2.5 m，如圖4所示。荷載較大時，多跨連續(xù)矩形斷面格構(gòu)式鋼梁用鋼少，構(gòu)造簡單。

圖4 格構(gòu)梁計算單線圖

鋼管格構(gòu)結(jié)構(gòu)，采用杯口基礎(chǔ)，插入式剛接柱腳，構(gòu)造簡單，施工容易，設(shè)計按剛接柱腳考慮。

3.3 計算結(jié)果比較

通過對上述的三種結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行統(tǒng)計可以得出三種結(jié)構(gòu)類型的用鋼量，如表4所示。

表4 格構(gòu)式柱、梁主材及用鋼量

從表4可以看出，鋼管格構(gòu)構(gòu)架較普通鋼管構(gòu)架節(jié)約鋼材17%，鋼管格構(gòu)構(gòu)架較角鋼格構(gòu)構(gòu)架節(jié)省鋼材27%，綜上所述，采用鋼管格構(gòu)式構(gòu)架從經(jīng)濟(jì)上最省。

4 節(jié)點(diǎn)設(shè)計

750 kV構(gòu)架節(jié)點(diǎn)設(shè)計原則應(yīng)考慮，在滿足承載力的前提下，施工安裝方便，并參考國內(nèi)其他變電工程和線路塔架成熟的節(jié)點(diǎn)形式。

腹桿與主材的連接節(jié)點(diǎn)。

梁、柱主材(圓鋼管)通過節(jié)點(diǎn)板，用普通螺栓與腹桿角鋼或鋼管鉸接連接，螺栓分并列布置和錯列布置。節(jié)點(diǎn)形式可參考線路鋼管塔之K形節(jié)點(diǎn)連接形式，該形式節(jié)點(diǎn)經(jīng)過試驗(yàn)的多次驗(yàn)證，比較成功［4，5］。

根據(jù)國內(nèi)部分試驗(yàn)結(jié)論［6］，插接板厚為8 mm的試件承載力并不比板厚為6 mm的試件的承載力要高，這說明插接板只需保證不先于管件破壞即可，盲目加大板厚不僅不會增加構(gòu)件的承載力，反而會因?yàn)樵黾恿斯?jié)點(diǎn)的構(gòu)造偏心，導(dǎo)致構(gòu)件承載力有所下降。

對于750 kV構(gòu)架在受力較大部位采用環(huán)形補(bǔ)強(qiáng)板，其適用于大承載力、鋼管變形要求嚴(yán)格的場合。并且要控制節(jié)點(diǎn)板寬度，節(jié)點(diǎn)板寬度加大，其承載力不僅不增加，反而有所下降，這是由于鋼管的扁平變形隨兩端環(huán)形補(bǔ)強(qiáng)板距離的增大而變大造成的，節(jié)點(diǎn)板變形隨著節(jié)點(diǎn)板寬度的增大而明顯變大，節(jié)點(diǎn)部位的總變形δ也隨之增大。

5 主要結(jié)論

本文研究分析了750 kV連續(xù)格構(gòu)式構(gòu)架的受力，主要做了以下研究工作:

1)利用空間計算分析的手段，研究了其動力特性和結(jié)構(gòu)形式的選擇，對三種750 kV常用的構(gòu)架形式(鋼管格構(gòu)構(gòu)架、普通鋼管構(gòu)架、角鋼格構(gòu)構(gòu)架)進(jìn)行了分析，得出采用鋼管格構(gòu)式構(gòu)架從經(jīng)濟(jì)上最省。

2)優(yōu)化750 kV格構(gòu)式構(gòu)架的結(jié)構(gòu)形式及節(jié)點(diǎn)設(shè)計，提出對于750 kV構(gòu)架受力較大部位可采用環(huán)形補(bǔ)強(qiáng)板加強(qiáng)，提出設(shè)計此類變電構(gòu)架結(jié)構(gòu)時所需注意的事項，為類似工程設(shè)計提供參考與借鑒，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、合理、降低工程造價的目的。

［1］魏志強(qiáng)，陳壽標(biāo).格構(gòu)式配電裝置鋼構(gòu)架分析與選型［J］.能源與環(huán)境，2011(5):40-41，43.

［2］中南電力設(shè)計院.變電構(gòu)架設(shè)計手冊［M］.武漢:湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

［3］DL/T 5457—2012，變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程［S］.

［4］毛軍朋.特高壓輸電塔半剛性K型節(jié)點(diǎn)受力性能分析［D］.重慶:重慶大學(xué)，2012.

［5］李衛(wèi)青.大跨越輸電塔鋼管節(jié)點(diǎn)承載力的試驗(yàn)研究與理論分析［D］.杭州:浙江大學(xué)，2011.

［6］袁 俊.特高壓鋼管塔插板連接K型節(jié)點(diǎn)承載力研究［D］.重慶:重慶大學(xué)，2012.