橙子溝水電站110 kV出線架結(jié)構(gòu)設(shè)計

沈 大 偉

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

橙子溝水電站110 kV出線架結(jié)構(gòu)設(shè)計

沈 大 偉

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

110 kV出線架通常采用混凝土柱與鋼梁結(jié)合設(shè)計，橙子溝水電站110 kV出線架采用了單跨度19 m人字形全鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，運(yùn)用SAP2000進(jìn)行結(jié)構(gòu)的計算分析，計算結(jié)果滿足設(shè)計要求，出線架施工完成至今已有4年，歷經(jīng)多次5級以上地震，依舊安全運(yùn)行，證明了工程設(shè)計的可行性、安全性。

橙子溝水電站，出線架，鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計

1 工程概況

橙子溝水電站位于甘肅省隴南市，電站廠房位于文縣，工程裝機(jī)容量115 MW，工程規(guī)模為三等中型工程，電站110 kV開關(guān)站采用戶外GIS布置型式。根據(jù)GIS的布置，出線架鋼柱高度為9.00 m，出線架鋼梁跨度19.00 m，梁端及梁跨中設(shè)置共6個導(dǎo)線掛點(diǎn)，鋼柱頂部5 m處設(shè)避雷線掛點(diǎn)；根據(jù)上游專業(yè)要求，單根導(dǎo)線拉力8 kN，避雷線拉力為5 kN。如果采用雙跨設(shè)計，結(jié)構(gòu)可以依據(jù)常規(guī)設(shè)計，采用混凝土人字形柱，頂部架設(shè)鋼梁，但是GIS的占地面積比要比單跨設(shè)計大15%，如果采用單跨設(shè)計，可以有效減少GIS的面積，經(jīng)過反復(fù)比選后，決定采用全身鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計。出線架結(jié)構(gòu)安全等級為二級。110 kV出線架結(jié)構(gòu)布置三維透視如圖1所示。

2 工程設(shè)計基本資料

2.1材料特性

出線架鋼管柱及頂部鋼梁擬采用Q235鋼材；螺栓采用普通C級螺栓，螺栓鋼材采用Q235鋼。出線架構(gòu)件焊接采用E4316焊條。人字形柱采用φ377×9，支桿采用φ299×8，鋼梁主肢采用φ133×8，鋼梁綴條采用∠63×8。

2.2設(shè)計原則

1)結(jié)合工程情況，按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》考慮恒荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、活荷載。

2)結(jié)構(gòu)采用容許應(yīng)力法計算，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)。

3 荷載及工況組合

3.1計算荷載

計算考慮的荷載及荷載計算如下：

1)恒荷載。

結(jié)構(gòu)自重根據(jù)輸入的Q235鋼材容重，由程序自動計算。

根據(jù)上游專業(yè)提供的荷載，導(dǎo)線拉力每相8 kN，避雷線拉力每根5 kN，導(dǎo)線與鋼柱軸線鉛直向夾角取90°，按照附錄提供的角度添加為節(jié)點(diǎn)荷載。

2)活荷載。

考慮鋼梁上檢修時人的荷載，因此在鋼梁上加1.5 kN/m的均布荷載。

3)風(fēng)荷載。

將桁架分段分別計算X,Y向風(fēng)荷載作用，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》基本風(fēng)壓取50年一遇風(fēng)壓。

4)地震荷載。

對出線架結(jié)構(gòu)的地震作用計算采用振型分解反應(yīng)譜法，考慮X，Y兩個方向的水平地震作用。工程區(qū)域地震烈度為8度(0.3g)，阻尼比為0.05，場地特征周期為0.40 s，周期折減系數(shù)為1.0。計算中振型組合考慮振型阻尼引起的鄰近振型間的靜態(tài)耦合效應(yīng)，并考慮雙向地震作用的扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)效應(yīng)，按照規(guī)范要求的1∶0.85的方向比例系數(shù)進(jìn)行組合。

5)溫度荷載。

根據(jù)GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，當(dāng)露天環(huán)境中的鋼結(jié)構(gòu)尺寸小于120 m時，可不考慮溫度變化對其應(yīng)力產(chǎn)生的影響。故不考慮溫度作用的影響。

6)雪荷載。

根據(jù)GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，基本雪壓按照50年一遇雪壓確定。

3.2分項(xiàng)系數(shù)

1)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：γ0=1.0；

2)荷載作用分項(xiàng)系數(shù)按GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范要求選??；

3)荷載組合值系數(shù)按GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范要求選取。

3.3荷載效應(yīng)組合

計算采用SAP2000結(jié)構(gòu)分析計算軟件，建立出線架結(jié)構(gòu)分析模型，模擬荷載作用，優(yōu)化選擇出線架結(jié)構(gòu)桿件截面，分析計算桿件內(nèi)力、應(yīng)力及變形。

根據(jù)GB 50009—2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范的要求，并考慮計算分析需要，對荷載效應(yīng)進(jìn)行組合，共計67種基本組合，9種標(biāo)準(zhǔn)組合。限于篇幅關(guān)系，荷載組合結(jié)果就不一一羅列。

4 工程分析

4.1計算假定

1)出線架結(jié)構(gòu)采用的鋼材為線彈性材料；

2)出線架結(jié)構(gòu)鋼柱、鋼梁主肢拼接為固結(jié)，其他支撐、綴條的連接均為鉸接；

3)出線架結(jié)構(gòu)的地震作用計算采用振型分解反應(yīng)譜法，考慮X,Y兩個方向的水平地震作用;

4)計算中振型組合考慮雙向地震作用的扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)效應(yīng)，按照規(guī)范要求的1∶0.85的方向比例系數(shù)進(jìn)行組合。

4.2計算結(jié)果

各桿件的包絡(luò)工況下最大應(yīng)力/承載力比值顯示見圖2，各出線架結(jié)構(gòu)在各標(biāo)準(zhǔn)組合工況下的變形包絡(luò)見圖3。

從圖3可知，在各基本組合工況下，鋼管柱下柱主肢底部軸力最大，最大軸向拉力為9.01 kN，最大軸向壓力達(dá)到-38.390 kN，向上逐漸減??；其他各桿件軸力分布較為均勻。從圖2中可以看出，在各組合中，各柱的主應(yīng)力/承載力比值均小于0.50，綴條等桿件的應(yīng)力/承載力比值均小于0.50。

從出線架撓度變形圖及計算的撓度值列表可以看出，在導(dǎo)線拉力及風(fēng)荷載等的作用下，鋼柱柱頂最大X向變形為1.1 mm，Y向最大變形為0.5 mm，Z向最大變形為-0.7 mm，鋼梁跨中最大X向變形為0.34 mm，Y向最大變形為4.3 mm，最大Z向變形為24.67 mm，均滿足正常使用極限狀態(tài)限值要求(鋼梁撓度限值為95 mm，鋼柱為45 mm)。

鋼梁綴條選用角鋼規(guī)格為∠63×8，節(jié)點(diǎn)位置布置2個M16普通螺栓，M16普通螺栓受剪承載力設(shè)計值為28.10 kN；∠63×8綴條的最大軸力為16.22 kN，每個螺栓強(qiáng)度滿足要求。

5 工程評價

橙子溝水電站廠房位于甘肅省隴南市文縣境內(nèi)，自本工程出線架施工完成以后，經(jīng)歷了甘肅岷縣6.6級地震(2013.7.22)、四川九寨溝縣7.0級地震(2017.8.8)、四川廣元青川縣5.4級地震(2017.9.30)等多次5級以上地震，震中與橙子溝水電站工程所在地距離較近，地震發(fā)生后經(jīng)現(xiàn)場巡查，工程建筑物質(zhì)量優(yōu)異，能保證電站正常運(yùn)轉(zhuǎn)，事實(shí)充分證明了設(shè)計的合理性和可靠性。本工程設(shè)計可為類似工程設(shè)計提供參考。

[1] 中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司.橙子溝水電站可行性研究報告[R].

[2] GB 50009—2001,建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[3] 110～500 kV架空送電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程[Z].

[4] 中國水力發(fā)電工程學(xué)會混凝土面板堆石壩專業(yè)委員會.混凝土面板堆石壩安全監(jiān)測技術(shù)實(shí)踐與進(jìn)展[M].北京：中國水利出版社，2010.

[5] GB 50017—2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

Structuraldesignof110kVoutletframeworkofChengzigouhydropowerstation

ShenDawei

(NorthwestEngineeringCorporationLimited,Xi’an710065,China)

The 110 kV outlet framework is usually designed with concrete column and steel beam combined together. While the 110 kV outlet framework of Chengzigou hydropower station adopts a new design totally with Herringbone steel with a single span of 19 m. The calculation and analysis of the framework are carried out using SAP2000 software to meet the design requirements. The framework started service 4 years ago, and is still in safe operation after several earthquakes with grade over 5 degrees, which proves good feasibility and security of the design.

Chengzigou hydropower station, outlet framework, steel structure, structural design

1009-6825(2017)32-0034-03

2017-10-10

沈大偉(1986- )，男，工程師

TU318

A