雙層雙排8連跨聯(lián)合750 kV構(gòu)架的設(shè)計(jì)研究

雷曉標(biāo)，張 咪，張玉明

(1.中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071；2.西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710075)

隨著特高壓換流站的大規(guī)模建設(shè)，±800 kV靈州換流站首次接入750 kV系統(tǒng)，交流濾波器母線構(gòu)架采用750 kV構(gòu)架。母線構(gòu)架是參考以往常規(guī)500 kV構(gòu)架采用鋼管A型柱三角形梁結(jié)構(gòu)還是參考750 kV變電站采用矩形鋼管格構(gòu)式梁柱結(jié)構(gòu)； 對(duì)于聯(lián)合母線構(gòu)架連續(xù)8跨共328 m，是按照常規(guī)中間設(shè)置溫度伸縮縫斷開成4跨+ 4跨布置還是8連跨布置，都需進(jìn)行計(jì)算比較綜合分析，為本站的設(shè)計(jì)以及后期類似受端換流站的建設(shè)提供指導(dǎo)和參考。

1 輸入條件

根據(jù)電氣的布置方式，濾波器場(chǎng)750 kV構(gòu)架采用聯(lián)合布置形式，縱向(長(zhǎng)向)有8跨連續(xù)布置，每跨跨度為41 m，縱向總長(zhǎng)為328 m，梁底掛線點(diǎn)高度為32.5 m，地線柱頂標(biāo)高為48.0 m；橫向(短向)梁與縱向梁垂直布置，跨度為42.0 m，其掛線點(diǎn)高度為44.0 m，地線柱頂標(biāo)高為60.5 m，縱向梁和橫向梁空間上雙層布置，其高差為11.5 m，柱頂端最長(zhǎng)的懸臂長(zhǎng)度為16.5 m，詳見圖1。

圖1 透視圖

站址所在地50年一遇10 m高10 min平均最大風(fēng)速采用26.8 m/s，相應(yīng)風(fēng)壓為0.45 kN/m2。每根梁上單側(cè)或雙側(cè)掛三根導(dǎo)線，導(dǎo)線采用四分裂導(dǎo)線，每根導(dǎo)線在覆冰有風(fēng)工況下最大拉力為85 kN，在梁上的掛線點(diǎn)有“V”串掛線和單串掛線兩種方式，構(gòu)架上的導(dǎo)線布置見圖2。

圖2 導(dǎo)線布置圖

2 母線構(gòu)架結(jié)構(gòu)選型

750 kV母線構(gòu)架可參考以往工程采用鋼管A型柱三角形梁結(jié)構(gòu)和矩形鋼管格構(gòu)式梁柱結(jié)構(gòu)。鋼管A型柱三角形梁結(jié)構(gòu)(方案1)：構(gòu)架柱采用A型普通直縫焊接圓形鋼管；構(gòu)架梁采用三角形變斷面、鋼管弦桿和角鋼腹桿。矩形鋼管格構(gòu)式梁柱結(jié)構(gòu)(方案2)：構(gòu)架柱采用矩形從底向上變斷面的鋼管自立柱，構(gòu)架梁采用矩形等斷面、鋼管弦桿和鋼管腹桿。兩種結(jié)構(gòu)的桿件端頭和梁柱接頭均采用螺栓連接，柱主材和梁弦桿拼接接頭均采用法蘭連接。兩種結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型分別見圖3、圖4。

圖3 鋼管A型柱三角形梁結(jié)構(gòu)模型

圖4 矩形鋼管格構(gòu)式梁柱結(jié)構(gòu)模型

2.1 根開和截面比較

通過空間桿系分析軟件STAAD ProV8i對(duì)鋼管A型柱三角形梁結(jié)構(gòu)和矩形鋼管格構(gòu)式梁柱結(jié)構(gòu)分別建模計(jì)算，計(jì)算的柱底部根開尺寸、梁截面尺寸和梁柱主材的主要截面大小見表1。

矩形鋼管格構(gòu)式柱窄面的根開為2.5 m，整個(gè)結(jié)構(gòu)縱向長(zhǎng)度為330.5 m。采用A型柱三角形梁結(jié)構(gòu)時(shí)，由于A型柱平面外的剛度很小，只能靠鋼管自身的慣性矩來抵抗平面外受力，一般采用在端頭A型柱加設(shè)端撐(方案1(a))或在縱向中間斷開加設(shè)剪刀撐(方案1(b))兩種方案來滿足構(gòu)架平面外的剛度和位移要求。

表1 柱根開尺寸和梁柱主材截面

(1)A型柱加端撐(方案1(a))

A型柱端撐根開按照《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》DL/T5457－2012第6.1.7條，一般按柱高的1/5選用，梁掛線點(diǎn)高度為44.0 m，根開即為8.8 m。根據(jù)計(jì)算，由于風(fēng)荷載和導(dǎo)線荷載很大，在8跨連續(xù)時(shí)結(jié)構(gòu)縱向尺寸過長(zhǎng)，只在一側(cè)加設(shè)端撐很難滿足構(gòu)架高度1/200的位移要求，必須兩個(gè)端頭同時(shí)加設(shè)兩個(gè)端撐，見圖3。根據(jù)工藝布置梁的跨度可因此由41 m減小2.1 m，考慮到兩側(cè)端撐及端撐鋼管外邊緣，則整個(gè)結(jié)構(gòu)縱向長(zhǎng)度330.3 m，比矩形鋼管格構(gòu)式梁柱結(jié)構(gòu)共減少了0.55 m。針對(duì)此種掛線點(diǎn)較高的結(jié)構(gòu)，由于端撐根開太大，其占地較省的優(yōu)勢(shì)不太明顯。

掛線點(diǎn)在44.0 m和32.5 m的兩榀A型柱根開分別為8.8 m和6.8 m，截面分別為Φ750×14和Φ500×10，同一排柱子根開和截面不太一致影響美觀。

(2) A型柱中間加剪刀撐(方案1(b))

采用在縱向中部加設(shè)剪刀撐，見圖5，在縱向中間第四跨邊上增加5 m的距離，將相鄰兩A型柱通過單斜圓鋼管連接起來形成格構(gòu)式截面，橫膈采用交叉角鋼，同時(shí)取消兩端頭的端撐設(shè)置。這種形式在一般A型柱結(jié)構(gòu)中比較常用，此種布置也很好的解決了端撐占地大的問題，整個(gè)結(jié)構(gòu)縱向長(zhǎng)度為317.15 m，減少13.7 m。

因剪刀撐剛度相比A型柱剛度較大，吸收更多的能量，剪刀撐柱截面需Φ950×14才能滿足要求。端部A型柱單側(cè)受力，對(duì)縱向梁和橫向梁高差11.5 m的懸臂部分極其不利，若在柱頂與下部縱向橫梁之間設(shè)置支撐桿，則梁上弦桿需增大至Φ299×10。

圖5 剪刀撐設(shè)置

2.2 用鋼量比較

通過采用模型計(jì)算用鋼量，并參考以往工程統(tǒng)計(jì)的節(jié)點(diǎn)板、螺栓和法蘭等附件的占比，矩形鋼管格構(gòu)式梁柱結(jié)構(gòu)和考慮加端撐、剪刀撐的A型柱三角形梁結(jié)構(gòu)的總用鋼量見表2。

表2 兩種結(jié)構(gòu)形式總用鋼量

表2的結(jié)果中，矩形鋼管格構(gòu)式梁柱結(jié)構(gòu)的總用鋼量要比加端撐A型柱三角形梁結(jié)構(gòu)的多，主要原因就是格構(gòu)式梁、柱結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)板占比較大；加剪刀撐A型柱三角形梁結(jié)構(gòu)的用鋼量比矩形鋼管格構(gòu)式梁柱結(jié)構(gòu)多，主要是由于端部A型柱受力不利，需加大柱截面或設(shè)置支撐桿在梁上加大梁上弦截面。

2.3 其余比較

掛線點(diǎn)在44.0 m和32.5 m的兩榀構(gòu)架柱，采用矩形格構(gòu)式柱時(shí)，根開可以保持2.5 m不變，通過調(diào)整主材和輔材的截面，可以使一排柱子的截面保持一致，比Φ950×14的圓鋼管外觀輕巧美觀。

特高壓換流站內(nèi)構(gòu)架受力較大，A型柱構(gòu)架單根鋼管受力很大，安全富裕度相比格構(gòu)式構(gòu)架要小，單鋼管更多受制于工廠加工質(zhì)量和現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量，其初始缺陷在設(shè)計(jì)中未必能充分考慮，一旦某根柱鋼管出現(xiàn)問題，極可能出現(xiàn)連續(xù)倒塌。

從而，本工程推薦采用矩形鋼管格構(gòu)式構(gòu)架結(jié)構(gòu)形式。

3 溫度作用

根據(jù)現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》DL/T5457－2012第4.4.3條，兩端設(shè)有剛性支撐、總長(zhǎng)超過150 m的連續(xù)排架，或總長(zhǎng)超過100 m連續(xù)剛架，應(yīng)計(jì)算溫度作用效應(yīng)的影響。

3.1 構(gòu)架用鋼量比較

整個(gè)結(jié)構(gòu)縱向長(zhǎng)度為330.85 m，遠(yuǎn)超過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置伸縮縫的長(zhǎng)度限制。根據(jù)常規(guī)布置一般在結(jié)構(gòu)中間斷開，將8連跨改為4跨+4跨的布置形式。根據(jù)插入式基礎(chǔ)杯口大小和柱根開尺寸，一般在中間設(shè)置5 m的距離。通過對(duì)兩種布置形式和兩種結(jié)構(gòu)形式分別建模計(jì)算分析，其結(jié)構(gòu)總用鋼量見下表3。

表3 8連跨和4跨+4跨布置用鋼量比較

通過上表看出，采用4跨+4跨的布置形式確實(shí)能節(jié)省3%的用鋼量，但是節(jié)省的用鋼量相比其縱向長(zhǎng)度加大5 m來說，其占地和工藝指標(biāo)不具備優(yōu)勢(shì)。

3.2 溫度作用對(duì)構(gòu)架內(nèi)力影響

將4跨+4跨和8連跨布置的結(jié)構(gòu)分別按照純溫度作用、溫度作用+風(fēng)荷載和溫度作用+風(fēng)荷載+導(dǎo)線拉力三種荷載工況進(jìn)行計(jì)算，對(duì)A型柱加端撐三角形梁結(jié)構(gòu)(方案1(a))、A型柱中間加剪刀撐三角形梁結(jié)構(gòu)(方案1(b))和矩形鋼管格構(gòu)式梁柱結(jié)構(gòu)(方案2)三種結(jié)構(gòu)型式分別比較分析如下。

(1)溫度作用對(duì)方案1(a)和方案1(b)的影響

三種工況下兩種布置形式的A型柱和三角形梁桿端最大內(nèi)力的變化情況詳見表4、表5。

表4 溫度作用對(duì)三角形梁的影響

表5 溫度作用對(duì)A型柱的影響

從表格及相應(yīng)模型得知，當(dāng)只有溫度作用時(shí)，因三角形梁與柱僅下弦鉸接連接，構(gòu)架長(zhǎng)度增大1倍，構(gòu)架梁端最大內(nèi)力變化幅度不大，柱端最大內(nèi)力增大數(shù)倍。但當(dāng)同時(shí)承受溫度作用+大風(fēng)荷載或同時(shí)承受溫度作用+大風(fēng)荷載+導(dǎo)線荷載時(shí)，構(gòu)架長(zhǎng)度增大1倍，構(gòu)架梁端最大內(nèi)力變化幅度仍然不大，柱端最大內(nèi)力增大倍數(shù)反而減小，說明構(gòu)架受較大風(fēng)荷載和導(dǎo)線荷載后溫度作用不起絕對(duì)控制作用。

采用剪刀撐方案1(b)后柱端最大內(nèi)力顯著加大，且中間剪刀撐部位柱桿件受力最大，其余柱承擔(dān)的內(nèi)力相反減小，主要原因是雙A型柱組成的剪刀撐剛度相比太大，不如端撐方案1(a)整個(gè)結(jié)構(gòu)受力均勻。

(2)溫度作用對(duì)矩形鋼管格構(gòu)式梁柱結(jié)構(gòu)(方案2)的影響。

三種工況下兩種布置形式的格構(gòu)式構(gòu)架梁柱桿端最大內(nèi)力的變化情況詳見表6、表7。

表6 溫度作用對(duì)格構(gòu)式梁的影響

表7 溫度作用對(duì)格構(gòu)式柱的影響

從上述表來看，當(dāng)格構(gòu)式構(gòu)架只有溫度作用時(shí)，構(gòu)架長(zhǎng)度增大1倍，構(gòu)架梁柱的端部最大內(nèi)力基本增大1倍。溫度作用的內(nèi)力跟構(gòu)架長(zhǎng)度基本呈線性增大的關(guān)系，且比A型柱三角形梁結(jié)構(gòu)的柱子受力更為均勻，不是集中在某個(gè)端撐或剪刀撐部位。

當(dāng)格構(gòu)式構(gòu)架同時(shí)承受溫度作用+大風(fēng)荷載時(shí)，構(gòu)架長(zhǎng)度增大1倍，梁柱的端部最大內(nèi)力呈現(xiàn)了與A型柱三角形梁結(jié)構(gòu)相同的規(guī)律，且同時(shí)承受溫度作用+大風(fēng)荷載+導(dǎo)線荷載時(shí)，構(gòu)架長(zhǎng)度增大1倍，構(gòu)架梁、柱的端部最大內(nèi)力增幅更小。

從以上看來，當(dāng)溫度作用、大風(fēng)荷載和導(dǎo)線荷載三者同時(shí)存在時(shí)，溫度作用并不再隨縱向長(zhǎng)度加長(zhǎng)而線性增長(zhǎng)。在4跨+4跨中的構(gòu)件截面在8連跨中大部分仍然可以應(yīng)用。構(gòu)架計(jì)算中所有起控制因素的大部分是承受溫度作用+大風(fēng)荷載+導(dǎo)線荷載工況，在導(dǎo)線荷載和大風(fēng)荷載足夠大時(shí)，4連跨縱向長(zhǎng)度為164 m超過限制64 m和8連跨縱向長(zhǎng)度超過限制224 m的結(jié)果差別不是特別明顯。

同時(shí)，相比A型柱端撐方案和剪刀撐方案，格構(gòu)式構(gòu)架剛度分布更均勻、受力更合理，采用8連跨不用在中間加設(shè)伸縮縫，可以節(jié)省一列柱子，節(jié)省5 m寬度范圍占地。所以，最終推薦采用8連跨布置的格構(gòu)式構(gòu)架結(jié)構(gòu)形式。

4 構(gòu)架腹桿布置優(yōu)化

換流站交流濾波器場(chǎng)母線構(gòu)架最終首次采用空間雙排雙層8連跨聯(lián)合的布置形式，構(gòu)架梁柱均采用矩形斷面鋼管格構(gòu)式結(jié)構(gòu)。常規(guī)矩形格構(gòu)式梁柱兩個(gè)對(duì)立平行面的斜腹桿交叉布置，空間上使兩根斜腹桿一根受拉一根受壓?？紤]母線構(gòu)架雙側(cè)對(duì)稱受導(dǎo)線水平拉力能自平衡、門型構(gòu)架受扭轉(zhuǎn)影響較小的特點(diǎn)，將矩形格構(gòu)式梁柱兩個(gè)對(duì)立平行面的斜腹桿平行布置，同時(shí)將矩形格構(gòu)式梁柱單個(gè)面的斜腹桿由“之”字形布置改為平行布置，使750 kV構(gòu)架的節(jié)點(diǎn)種類減少一半，透視感更強(qiáng)，外面立面更美觀簡(jiǎn)潔，見圖6。

圖6 構(gòu)架柱斜腹桿布置

5 結(jié)論

換流站內(nèi)交流濾波器母線構(gòu)架縱向總長(zhǎng)328 m、橫向總長(zhǎng)41.5 m，采用空間雙排雙層8連跨的矩形鋼管格構(gòu)式聯(lián)合構(gòu)架，其結(jié)構(gòu)形式安全合理。優(yōu)化后的構(gòu)架外面立面美觀簡(jiǎn)潔。對(duì)提高變電構(gòu)架的設(shè)計(jì)水平有重要的促進(jìn)作用。