無端撐多棱高強(qiáng)鋼管構(gòu)架的應(yīng)用研究

李濤

摘要：全戶外GIS型變電站，構(gòu)架區(qū)布置對站址占地面積影響較大，無端撐多棱高強(qiáng)鋼管構(gòu)架其特點(diǎn)可有效減少占地面積，減小土方降低投資。

關(guān)鍵詞：無端撐多棱高強(qiáng)鋼管構(gòu)架;無端撐變電構(gòu)架

引言

目前330kV及以下變電所鋼構(gòu)架普遍柱采用螺旋或直縫焊接鋼管組成“A”字形柱，鋼梁采用三角形斷面格構(gòu)式鋼梁，主材采用無縫鋼管或角鋼，主腹材通過節(jié)點(diǎn)板用螺栓或焊接連接，柱與梁組成鉸接排架，端部設(shè)置斜撐以抵御導(dǎo)導(dǎo)線張力。此種構(gòu)架未能充分利用鋼材強(qiáng)度，隨著荷載的加大，采用高強(qiáng)度的鋼材才能滿足要求。

一.多棱高強(qiáng)鋼管構(gòu)架的介紹

多棱鋼管結(jié)構(gòu)作為一種技術(shù)先進(jìn)、外型美觀的新型結(jié)構(gòu)已經(jīng)被外國公司引入到國內(nèi)，在低電壓等級的變電所、線路工程中試用，得到了良好的效果。此種結(jié)構(gòu)在國電電力建設(shè)研究所進(jìn)行了真型試驗(yàn)，對試驗(yàn)樣品進(jìn)行了6種工況的試驗(yàn)。其中100%荷載整體試驗(yàn)及梁140%荷載部件試驗(yàn)表明構(gòu)架能夠滿足試驗(yàn)方案相應(yīng)指標(biāo)要求;通過三種不同構(gòu)造形式的單柱接頭試驗(yàn)，表明進(jìn)一步加強(qiáng)柱頭構(gòu)造形式更合理。它和目前我國普遍采用的鋼構(gòu)架型式不同之處：

（1）鋼梁采用封閉式多邊形鋼管梁，形成空間框架。

（2）梁柱剛接，使縱向平面內(nèi)具備一定的剛度。

（3）構(gòu)架采用的ASTM A572 Gr65高強(qiáng)度鋼材和國內(nèi)Q235B鋼相比，其物理指標(biāo)比較見表1，其化學(xué)成分比較見表2。表中可以看出ASTM A572 Gr65鋼材有較好的強(qiáng)度和延性。由于嚴(yán)格地控制了微量元素硅（Si）的含量，使得噴鋁效果得到改善，鋼材表面和鋅層的結(jié)合更緊密，可以長時(shí)期地免維護(hù)。

（4）兩種構(gòu)架形式的特點(diǎn)比較（見表3）。

二.多棱鋼管構(gòu)架型式的特點(diǎn)

多棱鋼管構(gòu)架為空間框架體系，梁柱剛接共同作用。由于梁柱剛接，其在平面外亦具備一定的剛度，存在取消端撐的可能性;橫梁采用封閉多邊形鋼管梁，不存在強(qiáng)、弱軸之分，各向同性。梁為等截面梁，從受力分析上完全可以避免傳統(tǒng)形式桁架梁在不同工況下受拉或受壓存在局部桿件超限的情況。由于其結(jié)構(gòu)型式簡潔，計(jì)算理論和實(shí)際受力相近，結(jié)構(gòu)可靠性高;全部為螺栓連接，現(xiàn)場組裝更容易。采用了分體式A型架柱頭（梁柱節(jié)點(diǎn)），方便地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接，便于工業(yè)化大生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量也容易保證。

三.技術(shù)問題探討

（1）多棱鋼管替代傳統(tǒng)圓鋼管從斷面特性上來看，隨著多棱管邊數(shù)的增多，其截面特性越接近，12邊形以上的多棱鋼管的截面力學(xué)性能基本上與圓鋼管相同，在截面面積相近時(shí)可以互相替換。由于圓鋼管A字構(gòu)架的計(jì)算、設(shè)計(jì)理論已較成熟，加之目前在電力行業(yè)內(nèi)已有多家專業(yè)生產(chǎn)廠商，能保證多棱鋼管的加工質(zhì)量滿足電力行業(yè)的使用要求，采用多棱鋼管柱替代傳統(tǒng)圓鋼管柱是可行的。

（2）梁柱剛接

鑒于構(gòu)架形式的改變，原來傳統(tǒng)的桁架梁與柱鉸接的連接方式己不適應(yīng)新的構(gòu)架形式，采用《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》DL/T5457-2012中圖7.3.7-2及《構(gòu)架設(shè)計(jì)手冊》5.2節(jié)，梁柱剛接的節(jié)點(diǎn)。這種型式適合機(jī)械化制造，現(xiàn)場安裝方便，但對于設(shè)計(jì)有較高的要求。

（3）溫度應(yīng)力

由于新的結(jié)構(gòu)形式改變了連續(xù)構(gòu)架的節(jié)點(diǎn)連接方式，梁柱改為剛性連接，連續(xù)梁長度可能達(dá)100～120m以上，溫度應(yīng)力對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響就顯現(xiàn)出來了，以下是對結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度應(yīng)力的分析：

1）《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50017-2017第3.3.5條：露天結(jié)構(gòu)的溫度區(qū)段長度（伸縮縫的間距），當(dāng)不超過120m時(shí)，可不計(jì)算溫度應(yīng)力。《構(gòu)架設(shè)計(jì)手冊》3.1.3.6節(jié)為連續(xù)剛架，當(dāng)其總長度超過lOOm時(shí)，應(yīng)考慮溫度作用效應(yīng)的影響。

2）通過對構(gòu)架的理論計(jì)算表明端撐的存在使得溫度應(yīng)力作用更明顯，這是因?yàn)槎瞬康募s束使得結(jié)構(gòu)不易釋放溫差而引起變形，約束更強(qiáng)構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力增加越明顯;另外，同環(huán)境下高強(qiáng)度鋼材較之普通低強(qiáng)度鋼更能抵抗溫度應(yīng)力，兩者的彈性模量和溫度變形系數(shù)相同，因此產(chǎn)生的溫度應(yīng)力也是相同的，同樣的溫度應(yīng)力，應(yīng)力比高強(qiáng)度鋼材優(yōu)于普通鋼材很多。溫度變化會對構(gòu)架的受力產(chǎn)生有限的影響，可以通過給結(jié)構(gòu)構(gòu)件預(yù)留強(qiáng)度儲備來確保結(jié)構(gòu)的安全，相對于普通低強(qiáng)度鋼材，高強(qiáng)度鋼材在抵御溫度變化上有很大的優(yōu)勢。

3）在巨大的溫度變化下，構(gòu)架的柱底、地面會有一定程度的變形，從而使整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力松弛。溫度應(yīng)力的影響應(yīng)比理論計(jì)算小一些。

（4）兩種構(gòu)架形式經(jīng)濟(jì)比較

無端撐多棱高強(qiáng)鋼管構(gòu)架在結(jié)構(gòu)形式、材料性能等很多方面體現(xiàn)出優(yōu)越性。鑒于此，在某220kV變電站設(shè)計(jì)階段其與桁架梁構(gòu)架形式作了經(jīng)濟(jì)比較，無端撐多棱高強(qiáng)鋼管構(gòu)架耗鋼量僅為傳統(tǒng)構(gòu)架的80%左右。由于單價(jià)不同，兩方案造價(jià)相差相當(dāng)。

四，結(jié)束語

綜上所述，多棱高強(qiáng)鋼管構(gòu)架通過合理的受力計(jì)算取消端撐，采用高強(qiáng)鋼管后將減小構(gòu)架區(qū)占地面積。其特點(diǎn)可應(yīng)用于山地型（全戶外GIS）變電站，使土方減少，以降低土建總投資。作為一種工藝先進(jìn)、技術(shù)領(lǐng)先的新型構(gòu)架，其安裝方便，長期免維護(hù)、占地小的優(yōu)勢，在中國的變電構(gòu)架市場中會占有一席之地。

參考文獻(xiàn)

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[2]鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn).中國建筑工業(yè)出版社，2017