某750kV聯(lián)合構(gòu)架有限元軟件計算對比分析

鞠洪濤 徐光彬 歐陽紅

摘 ? 要：為保證變電站750 kV構(gòu)架計算結(jié)果安全可靠、經(jīng)濟合理，該文以某變電站典型多跨聯(lián)合構(gòu)架為例，選用工程上常用的3種結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件，即SAP2000、STAAD/CHINA、MIDAS/Gen。之后對聯(lián)合構(gòu)架進行整體建模，對比柱頂位移、軸力、梁位移及應(yīng)力比，分析3種軟件的計算結(jié)果，為變電站聯(lián)合構(gòu)架采用有限元軟件進行計算提供了可靠依據(jù)。

關(guān)鍵詞：應(yīng)力比;有限元軟件;750 kV聯(lián)合構(gòu)架;軸力;SAP2000

中圖分類號： TP391 ? 文獻標志碼：A

變電站作為電力運輸?shù)臉屑~，其安全性關(guān)系到人民群眾的生產(chǎn)和生活。變電站設(shè)計的安全性顯得尤為重要，變電站750 kV聯(lián)合構(gòu)架是變電站土建結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心技術(shù)，相比傳統(tǒng)變電構(gòu)架，750 kV及以上特高壓變電構(gòu)架的高度、跨度及荷載水平均較高，其構(gòu)架結(jié)構(gòu)的準確計算是保證變電站設(shè)計達到安全適用、經(jīng)濟合理的重要前提條件之一。750 kV構(gòu)架結(jié)構(gòu)通過計算分析，合理選型，可以有效減少占地面積、節(jié)省用鋼量、節(jié)約土地資源和降低工程造價，并取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 3種軟件簡介

1.1 ?SAP2000簡介及構(gòu)架模型建立

SAP2000是一個集成化的通用結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計軟件。具備友好的用戶界面，它可以對包括橋梁、體育場館、高塔、工業(yè)廠房、近海結(jié)構(gòu)、管道系統(tǒng)、建筑結(jié)構(gòu)、大壩、土壤、機械等不同體系類型的結(jié)構(gòu)進行分析和設(shè)計，也可以根據(jù)需要完成世界大多數(shù)國家和地區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

SAP2000進行構(gòu)架模型建立的方法及主要步驟有4個。1）導(dǎo)入CAD塔架模型，定義組及框架屬性，將框架屬性賦予于塔架構(gòu)件。2）定義約束。主材采用剛接，其余桿件采用鉸接，同時梁柱采用鉸接。塔架結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)采用剛接。3）根據(jù)塔架所受荷載進行荷載定義與賦予，然后進行荷載組合。4）運行分析及后處理。

1.2 STAAD/CHINA簡介及構(gòu)架模型建立

STAAD/CHINA是全球首屈一指的三維結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計工程軟件，包含STAAD.Pro和SSDD 2個部分。可通過其靈活的建模環(huán)境、高級的功能和流暢的數(shù)據(jù)協(xié)同進行電力、涵洞、石化工廠、隧道、橋梁、橋墩等幾乎任何設(shè)施的鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、鋁結(jié)構(gòu)和冷彎型鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

STAAD/CHINA進行構(gòu)架模型建立的方法及主要步驟有4個。1）輸入結(jié)構(gòu)的幾何模型，可在CAD中畫好三維圖后直接在程序中調(diào)出。定義桿件截面特性，輸入桿件的材料特性和幾何常數(shù)。2）支座及桿件特性定義。支座處采用剛接，主材之間采用剛接，其余桿件采用鉸接。3）輸入各工況的基本荷載及荷載組合。4）運行分析及后處理。

1.3 ?MIDAS/Gen簡介及構(gòu)架模型建立

MIDAS/Gen是為了能夠迅速完成對結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計而開發(fā)的，建筑及土木結(jié)構(gòu)通用的結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計軟件。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，MIDAS/Gen全面強化了實際工作中，結(jié)構(gòu)分析時所需要的分析功能，從而計算出更加準確的、切合實際的分析結(jié)果。

MIDAS/Gen進行構(gòu)架模型建立的方法及主要步驟有4個。1）定義框架截面，導(dǎo)入CAD文件，并將截面屬性賦予構(gòu)架桿件上。2）支座及桿件特性定義。支座處采用剛接，主材之間采用剛接，其余桿件采用鉸接。3）荷載定義與荷載組合，并將荷載施加在構(gòu)架上。4）運行分析，查看分析結(jié)果。

2 ?荷載及荷載組合

2.1 ?風荷載

風荷載標準值按公式（1）計算：

ωk =βz μz μsω0 ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：ω0—基本風壓，可按照ω0=υ2/1600近似計算，小風工況取與風速10 m/s對應(yīng)的基本風壓，即0.063 kN/m2。大風工況取該地區(qū)50年一遇的風壓值，但不得小于0.3 kN/m2。μs—體形系數(shù)，可根據(jù)桿件和節(jié)點擋風的凈投影面積與輪廓線面積計算其擋風系數(shù)，再根據(jù)《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》得到風荷載體形系數(shù)。βz—風振系數(shù)，風振系數(shù)的取值參照《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》[1]，格構(gòu)式塔架結(jié)構(gòu)風振系數(shù)取1.5。μz—風壓高度變化系數(shù)，根據(jù)變電站所處的地理環(huán)境取值。

作用在構(gòu)架柱上的風荷載等于各柱段風荷載標準值乘以其桿件直徑，得到的線荷載值在軟件中以均布線荷載形式施加。作用在母線梁上的風荷載等于擋風面積乘以標準值，經(jīng)擋風系數(shù)折減后，對稱分配到桁架梁的上下弦桿上，最終以桁架梁上下弦桿的均布線荷載形式施加。X方向風荷載施加效果圖如圖1所示。

2.2 ?導(dǎo)線荷載

進、出線和母線梁除承受風荷載以外，還承受導(dǎo)線荷載，其作用集中在3個掛線點處，電氣專業(yè)所提的導(dǎo)線荷載見表1。

2.3 ?荷載組合

構(gòu)件設(shè)計時根據(jù)使用過程中在結(jié)構(gòu)上可能同時出現(xiàn)的荷載，按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進行荷載組合，并根據(jù)各自的最不利的效應(yīng)組合進行設(shè)計[1-2]。

荷載組合時，各荷載的分項系數(shù)按以下4項規(guī)定選取。1） 對于永久荷載，當其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)不利時，由可變荷載效應(yīng)控制的組合應(yīng)取1.2，由永久荷載效應(yīng)控制的組合應(yīng)取1.35。當其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)有利時，一般情況下應(yīng)取1.0，對結(jié)構(gòu)的傾覆、抗拔計算應(yīng)取0.9。2） 對于可變荷載，一般情況下應(yīng)取1.4，對溫度變化作用應(yīng)取1.0，對地震作用應(yīng)取1.3。3） 偶然荷載作用的分項系數(shù)取1.0。4） 導(dǎo)線荷載的分項系數(shù)一般情況下應(yīng)取1.3。

根據(jù)《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》，按照承載能力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)選擇荷載組合。荷載效應(yīng)基本組合主要有運行工況、安裝工況、檢修工況、地震作用效應(yīng)組合和荷載效應(yīng)的偶然組合。其中運行工況包括大風工況、覆冰有風工況、溫度作用工況。

3 ?截面和材料選擇

考慮到進出線柱、母線柱、進出線構(gòu)架柱橫桿及進出線構(gòu)架梁弦桿受力較大，選用強度較高的Q345（Q355）鋼材，其余部位構(gòu)件由于受力較小，選用Q235鋼材[3]。在截面選擇中，先預(yù)先根據(jù)工程經(jīng)驗選擇各類桿件的截面尺寸，再反復(fù)調(diào)整其截面尺寸大小，使其控制應(yīng)力比大小在合理范圍。該部分較為煩瑣，主要工作在建模過程中體現(xiàn)，在此不做過多贅述。

4 計算結(jié)果對比分析

4.1 ?柱頂位移、梁跨中位移對比

在各種工況數(shù)據(jù)中，根據(jù)計算分析結(jié)果，其中大風不利工況下對應(yīng)X方向柱頂位移最大，其組合形式為

1.2GK+1.3D11K+1.4WK （2）

式中：GK—結(jié)構(gòu)自重及其他橫荷載效應(yīng)標準值。D11K— 大風氣象條件下導(dǎo)線荷載效應(yīng)標準值。WK— 大風氣象條件下作用于構(gòu)架和導(dǎo)線上的風荷載標準值。

圖2為分析所得的構(gòu)架的沿X方向位移變形圖，表2為大風不利工況下地線柱端節(jié)點位移對比。

在各種工況數(shù)據(jù)中，溫度作用工況下對應(yīng)梁跨中Z向位移最大，其組合形式為

1.2GK+1.3D13K+1.4W10K+1.0Δt-40 （3）

式中：Gk—結(jié)構(gòu)自重及其他橫荷載效應(yīng)標準值，D13k— 最低氣溫氣象條件下導(dǎo)線荷載效應(yīng)標準值，W10k— 對應(yīng)風速10 m/s 的作用于構(gòu)架和導(dǎo)線上的風荷載標準值，Δt-40—夏季安裝，最低日計算平均氣溫下運行時的溫度作用效應(yīng)，計算溫差t=-40℃。

該工況下對比結(jié)果見表3。

4.2 ?軸力、應(yīng)力比對比

在各種工況數(shù)據(jù)中，其中X方向大風有利工況下對應(yīng)進出線柱軸力最大，其組合形式為

1.0GK+1.3D11K+1.4WK （4）

其效果圖如圖3所示，表4為進出線柱在該工況下軸力對比。圖中1-8為構(gòu)架柱柱段編號，A為支座節(jié)點。

應(yīng)力比云圖如圖4所示。取進出線構(gòu)架柱編號部分進行應(yīng)力比對比，結(jié)果見表5。

5 ?結(jié)語

根據(jù)以上柱頂位移、梁跨中位移、軸力及應(yīng)力比的對比，可知3種軟件分析差異較小，結(jié)果計算差異值對比均在10%以內(nèi)，證明3種軟件計算結(jié)果的一致性，為變電站聯(lián)合構(gòu)架采用有限元軟件進行對比計算提供可靠依據(jù)，保證了計算結(jié)果的安全可靠、經(jīng)濟合理有效性。

參考文獻

[1]電力規(guī)劃設(shè)計總院.變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程：DL/T 5457—2012 [S].北京：中國計劃出版社，2012：9-11.

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

[3] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準：GB50017—2017[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2017：16-23.