變電站專用小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)選型

周文杰

(廣東辰譽電力設(shè)計咨詢有限公司，廣東 佛山 528200)

變電站專用小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)選型

周文杰

(廣東辰譽電力設(shè)計咨詢有限公司，廣東 佛山 528200)

在對變電站專用小跨徑橋梁的特點進行綜合分析的基礎(chǔ)上，提出專用橋結(jié)構(gòu)形式宜采用預(yù)制裝配式簡支空心板梁橋。在分析典型的220kV電力變壓器運輸參數(shù)的基礎(chǔ)上，確定了專用橋的車輛設(shè)計荷載。最后，以某220kV變電站專用橋設(shè)計為例，對預(yù)制裝配式簡支空心板橋主梁的截面設(shè)計進行了分析，提出以比設(shè)計跨度大一級跨徑的板梁截面為基準進行設(shè)計，可提高設(shè)計與施工效率。

變電站；小跨徑橋梁；設(shè)計荷載；結(jié)構(gòu)選型。

在變電站工程項目實施過程中，經(jīng)常會遇到進站道路跨越小河的情況，需修建小跨徑的專用橋。專用橋雖然規(guī)模小、跨度小，但因其需通行重型平板掛車的特殊使用條件，對橋梁的結(jié)構(gòu)選型、設(shè)計荷載、結(jié)構(gòu)計算都提出了不同于普通公路橋梁的要求。

1 專用橋特點分析

變電站進站道路為專用道路，需承擔變電站從施工到正常運行期間所有人員、材料、機具、設(shè)備的運輸任務(wù)。進站道路設(shè)計標準為四級廠外道路，設(shè)計行車速度20 km/h，路面寬度4.5 m。專用橋作為進站道路組成部分，其設(shè)計具有自身獨特的特點。

1.1 布局特點

(1)規(guī)模小

作為附屬工程，專用橋規(guī)模一般較小。按輸變電工程選址選線相關(guān)要求，交通問題在選址階段即應(yīng)充分考慮，選擇交通方便的站址，避免建設(shè)大中型橋梁，故常見的專用橋一般屬于小橋。

(2)寬度窄

專用橋行車道寬度與進站道路相同，為4.5 m，僅相當于普通公路橋梁單車道的寬度?？紤]行車道兩側(cè)設(shè)置防護欄等構(gòu)造后，橋面寬度一般為6.0 m，則橋梁結(jié)構(gòu)寬度亦限制在6.0 m以內(nèi)。

1.2 荷載特點

(1)荷載大

專用橋需要通過的最大型設(shè)備為主變壓器本體，其運輸重量較大，如240 MVA主變本體運輸重量約150 t，連同牽引車及平板掛車，總重量接近200 t，遠大于普通公路橋梁掛－120驗算荷載。

(2)荷載集中

普通公路橋梁因其寬度較大，需通過重型車輛時，可限制其他車輛通行，橋梁結(jié)構(gòu)自身剛度把重型荷載在橋梁整個寬度內(nèi)進行橫向傳遞，降低了通行車道范圍內(nèi)主梁所承受的荷載。由于專用橋?qū)挾刃?，重型車輛的荷載必須由最大寬度僅為6.0 m的主體結(jié)構(gòu)所承受，其荷載集中程度比普通公路橋梁高得多。根據(jù)橋梁橫向分布系數(shù)簡化計算公式估算，對于常見的鉸接空心板或?qū)嵭陌褰Y(jié)構(gòu)，相同的車輛荷載通過單車道橋梁時，單片主梁承受的荷載比雙車道橋梁高約40%，荷載集中程度相當高。

1.3 施工特點

(1)施工條件差

專用橋?qū)儆谌ㄒ黄焦こ?，現(xiàn)場條件尚不完善，且其建設(shè)規(guī)模小，難以使用大型專用施工設(shè)備，故施工條件相對較差。因此，進行專用橋設(shè)計時，應(yīng)充分考慮施工條件，盡量采用簡單的施工工藝，避免采用整體式預(yù)制箱梁等需要使用大型起重設(shè)備進行安裝的結(jié)構(gòu)形式。

(2)工期短

專用橋是變電站工程建設(shè)工期進度的控制性工程，其施工進度控制著后續(xù)所有施工工序的開展，其工期通常相當緊張，需在盡量短的時間內(nèi)建成通車。因此，施工工期應(yīng)在結(jié)構(gòu)選型中給予足夠的重視。如現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁橋、拱橋等需要復(fù)雜腳手架、拱架等施工設(shè)施的橋型因工期長、現(xiàn)場工藝復(fù)雜繁瑣，不宜作為專用橋結(jié)構(gòu)形式的選擇。

2 專用橋上部結(jié)構(gòu)選型

2.1 小跨徑橋梁常用的上部結(jié)構(gòu)形式

橋梁上部結(jié)構(gòu)形式多樣，有梁式橋、拱橋、剛架橋、纜索承重橋等四種基本結(jié)構(gòu)體系，其中剛架橋和纜索承重橋跨越能力大，適用于大型橋梁。小跨徑橋梁常用的是梁式橋和拱橋。

2.2 結(jié)構(gòu)選型

橋梁上部結(jié)構(gòu)的選型應(yīng)統(tǒng)籌考慮整體布局、荷載情況及施工條件，從多種結(jié)構(gòu)形式中選擇結(jié)構(gòu)簡單、承載能力強且施工簡便易行的結(jié)構(gòu)方案。

拱橋的特點在于能充分發(fā)揮圬工和混凝土材料的抗壓能力，承載力強；但其施工工藝特殊，需要搭建拱架作為模板，施工期長且需要長期占用河道，故其應(yīng)用受到諸多限制。而現(xiàn)場施工條件簡陋及工期短限制了專用橋上部結(jié)構(gòu)的施工工藝，不宜采用全現(xiàn)澆梁橋等工藝復(fù)雜、需要大量現(xiàn)場施工的橋型。

在綜合考慮各種限制條件后，單元質(zhì)量小、施工速度快的預(yù)制裝配式簡支梁橋是變電站專用橋較為合理的結(jié)構(gòu)形式。常見的小跨度預(yù)制裝配式簡支梁橋主梁結(jié)構(gòu)形式有空心板梁和T梁兩類，其對比見表1。

表1 空心板梁和T梁對比

由對比表可知，相對于T梁，空心板梁的優(yōu)勢在于施工簡便，工期短。在變電站專用橋的跨徑范圍內(nèi)，空心板梁即可滿足要求，而T梁適用跨度較大的特點并無優(yōu)勢，其施工工序多，工期長卻對變電站整體工程進度的推進不利。

綜上所述，在常見的跨度范圍內(nèi)，變電站專用橋主梁結(jié)構(gòu)選型宜采用預(yù)制裝配式簡支空心板梁。

3專用橋設(shè)計荷載與計算分析

3.1 設(shè)計荷載

表2為典型三相220kV電力變壓器運輸重量，雖然500kV變壓器容量更大，但多為單相自耦合設(shè)計，其體積和重量與三相220kV變壓器相當，故未列出。

表2 典型三相220kV電力變壓器運輸重量

運輸大型電力變壓器的機具為重型平板掛車，由大功率牽引車牽引，屬于特殊的重型車輛。在《公路橋涵通用設(shè)計規(guī)范》(JTG D60—2015)和《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》(CJJ 11－2011)中車輛荷載的條文中列出了此類特種荷載，見表3。

3.2 車輛荷載作用下主梁彎矩的計算分析

采用影響線理論對跨徑為4～20 m的專用橋通行表3中所列的4種重型平板掛車進行跨中彎矩標準值計算，并列出公路－I級荷載作用下的跨中彎矩標準值，結(jié)果見表4。

表3 重型平板掛車荷載布置

表4 公路－I級及掛車荷載作用下主梁跨中彎矩標準值( kN·m)

從表4和圖1可見，通行重型掛車的荷載等級和小跨徑主梁的彎矩存在非線性關(guān)系：當主梁跨度較小的時候，不同荷載等級對主梁彎矩影響不大；而隨著跨徑的增加，荷載等級的增大導(dǎo)致跨中彎矩迅速變大。

造成此現(xiàn)象的原因在于重型掛車自身的特點：車身長度大，軸數(shù)多，但軸重相差不大，都集中在125 kN～150 kN的范圍內(nèi)。

當主梁跨徑小于車長時，僅有部分輪軸荷載會同時作用于主梁之上，因此掛車的總重對跨中彎矩的影響并不明顯，此時對主梁跨中彎矩起決定性作用的是掛車的軸重和軸距。

但當主梁跨徑超過掛車長度后，會出現(xiàn)所有輪軸荷載同時作用在主梁上的情況。此時，掛車的總重，即荷載等級將決定跨中彎矩的大小。

圖1 公路－I級及掛車荷載作用下主梁跨中彎矩標準值變化圖

4 某220kV變電站專用橋空心板梁的設(shè)計

4.1 工程概況

某220kV變電站站址位于珠江三角洲腹地，屬于平原水網(wǎng)地帶，進站道路總長520 m，中間需跨越一條寬約20 m的小河。按水利部門要求，進站道路需建設(shè)一座專用橋跨越小河，其結(jié)構(gòu)物不得阻礙河道行洪及通航。綜合考慮現(xiàn)場地形、施工條件，專用橋整體布局上采用20 m單跨簡支空心板梁，橋面凈寬5.0 m。橋臺為現(xiàn)澆鋼筋混凝土扶壁式橋臺，橋臺基礎(chǔ)采用1.2 m直徑鉆孔灌注樁，橋臺后行車道設(shè)置8 m長的搭板。

擬建變電站設(shè)計容量較大，采用4臺240 MVA三相三繞組主變，單臺變壓器本體最大運輸重量約150 t。專用橋采用表3中的特－220重型平板掛車荷載布置進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，其結(jié)構(gòu)布置見圖2。

圖2 某專用橋立面布置圖

4.2 主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.2.1 主梁斷面

主梁采用先張法預(yù)應(yīng)力空心板，斷面采用5片板梁，其中3片中梁，2片帶懸臂邊梁?？紤]主梁寬度小，荷載大于普通公路橋梁，故板梁采用通用圖集中20 m跨徑板梁的截面加高15 cm進行試算。

4.2.2 荷載工況及組合

恒載：一期恒載：自重，混凝土容重r＝26 kN/m3，

二期恒載：橋面鋪裝、防撞墻等。

活載：特－220重型平板掛車荷載

橋梁重要性系數(shù)：1.0

混凝土徐變：對于成橋，考慮3650 d混凝土收縮徐變，相對濕度0.8。

預(yù)應(yīng)力類型：全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》1.0.8條：橋涵施工過程中承受臨時性作用的狀況僅作承載能力極限設(shè)計，采用的組合如下：

(1)基本組合=1.2×恒載+1.4×活載(運輸車輛)，不考慮沖擊力；

(2)長期組合=1.0×恒載+0.7×活載(公路－I級)，考慮沖擊力；

(3)短期組合=1.0×恒載+0.4×活載(公路－I級)，考慮沖擊力。

4.2.3 計算結(jié)果

經(jīng)建模計算，控制主梁斷面的是基本組合下的跨中最大彎矩。

表4 基本組合下板梁跨中最大內(nèi)力計算結(jié)果

計算結(jié)果表明，采用加高的20 m跨徑板梁截面主梁承載力可滿足特－220重型平板掛車的通行。

另取某雙車道公路橋工程進行對比，該橋為公路－I級荷載，板梁采用通用圖集中20 m跨徑，1.0 m板寬，0.95 m梁高的截面。

表5 對比工程板梁極限承載力

對比表5中的最大彎矩和板梁極限承載力可知：按通用圖集中的20 m跨徑空心板梁截面設(shè)計的主梁極限承載力過小，無法滿足主變運輸時特－220重型平板掛車通過的要求。

4.2.4 計算結(jié)果分析

在《公路橋梁上部結(jié)構(gòu)構(gòu)造系列通用設(shè)計圖》(板梁系列)中，提供了跨徑6～20 m，橋?qū)?.5～2×16.75 m，汽車荷載等級涵蓋公路－I和公路－II級的通用設(shè)計圖。通用圖中的橋梁按公路要求設(shè)計，寬度為雙車道，其最大驗算荷載為掛－120。

根據(jù)4.2.3節(jié)的計算結(jié)果，特－220重型平板掛車在寬度較窄的專用橋上通過時，對單片板梁產(chǎn)生的彎矩較大，若直接采用通用圖集中20 m跨度的空心板梁，其截面抗彎承載力將不能滿足要求。為提高板梁抗彎承載力，可采用加大梁高的板梁截面進行設(shè)計，其極限承載力有明顯的提高，可滿足特－220重型平板掛車的通行。

因制造預(yù)應(yīng)力板梁需要專用場地和設(shè)備，且變電站專用橋?qū)Π辶旱男枨罅枯^小，一般委托專業(yè)廠家生產(chǎn)。因此，主梁采用標準截面應(yīng)盡量利用現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)施，有利于降低造價，提高生產(chǎn)效率，縮短施工工期。當專用橋跨徑為16 m或以下的較小跨徑時，可參照《公路橋梁上部結(jié)構(gòu)構(gòu)造系列通用設(shè)計圖》(板梁系列)，直接采用大一級跨徑的板梁截面進行設(shè)計；當專用橋跨徑達到20 m時，宜采用簡單加高截面的辦法，使生產(chǎn)標準板梁的設(shè)施經(jīng)過簡單改造即可滿足要求。

5 結(jié)論

通過對變電站專用橋使用和結(jié)構(gòu)特點的分析研究，可得出以下結(jié)論：

(1)變電站專用橋在整體布局、設(shè)計荷載、施工條件上都有其不同于普通公路橋梁的特點。

(2)因自身的特點限制，專用橋上部結(jié)構(gòu)選型宜采用預(yù)制裝配式簡支空心板梁。

(3)專用橋的設(shè)計荷載可采用《公路橋涵通用設(shè)計規(guī)范》JTG D60—2015及《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》CJJ11－ 2011中的重型掛車荷載。

(4)專用橋在進行主梁截面設(shè)計時，若重型掛車荷載超過標準圖集的最大荷載，可選用大一級跨徑的板梁截面進行設(shè)計，可提高設(shè)計效率和施工效率。

[1]范立礎(chǔ)，徐光輝.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]鄭機.圖解橋梁施工技術(shù)[M].北京：中國鐵道出版社，2009.

[3]GBJ 22－1987，廠礦道路設(shè)計規(guī)范[S].

[4]JTG D60－2015，公路橋涵通用設(shè)計規(guī)范[S].

[5]JTG D62－2004， 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[6]CJJ11－ 2011，城市橋梁設(shè)計規(guī)范[S].

[7]交通部專家委員會等編，公路橋梁上部結(jié)構(gòu)構(gòu)造系列通用設(shè)計圖[S].北京：人民交通出版社出版，2008.

Structure Type Selection of Small Span Bridge in Transformer Substation

ZHOU Wen-jie
(Guangdong Chenyu Electricity Design Consultancy Co.,Ltd.,Foshan 528200,China)

Based on the comprehensive analysis of the characteristics of the special small span bridge,the special bridge structure is proposed. Based on the analysis of typical 220kV power transformer transport parameters,the design load of the special bridge is determined. Finally,with special bridge design in a 220kV substation as an example,section design of prefabricated simply supported hollow slab girder are analyzed,put forward to than the big span design is a span of plate girder section as the base design,can improve the efficiency of design and construction.

substation; small span bridge; design load; structure type selection.

TM63

B

1671-9913(2017)05-0058-05

2016-06-22

周文杰(1981- )，男，廣東佛山人，碩士，主要從事電力工程結(jié)構(gòu)設(shè)計。