750 kV聯(lián)合構(gòu)架結(jié)構(gòu)型式的比較與選擇

王寧璧，王甲麟

(1.中國電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710075；2.中國電力工程顧問集團(tuán)新能源有限公司西安分公司，陜西 西安 710032)

0 引言

為了進(jìn)一步縮減變電站占地規(guī)模，節(jié)省土地資源，戶外敞開式布置的構(gòu)架采用聯(lián)合構(gòu)架結(jié)構(gòu)，由進(jìn)出線梁柱、母線梁柱組成，母線梁與出線梁垂直布置。目前國內(nèi)500 kV及以下電壓等級的聯(lián)合構(gòu)架一般采用全鋼管人字柱結(jié)構(gòu)；750 kV及以上電壓等級的聯(lián)合構(gòu)架一般采用全鋼管格構(gòu)柱結(jié)構(gòu)，而在風(fēng)壓較小的地區(qū)，也有少數(shù)導(dǎo)線拉力較小、掛點(diǎn)較低的聯(lián)合構(gòu)架采用全鋼管人字柱結(jié)構(gòu)。對于750 kV聯(lián)合構(gòu)架中導(dǎo)線拉力較大、掛點(diǎn)很高的出線構(gòu)架采用鋼管格構(gòu)式梁柱比較合理；而導(dǎo)線拉力較小、掛點(diǎn)較低的母線構(gòu)架如果仍采用鋼管格構(gòu)式結(jié)構(gòu)，就會(huì)暴露出其材料利用率低、占地面積大的缺點(diǎn)。全鋼管人字柱結(jié)構(gòu)在受力特性方面較之全鋼管格構(gòu)柱結(jié)構(gòu)略差，但前者平面外尺寸更小，因此可壓縮結(jié)構(gòu)間隔寬度。本文提出一種新的聯(lián)合構(gòu)架結(jié)構(gòu)型式，即鋼管格構(gòu)進(jìn)出線柱加母線人字柱結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能將鋼管格構(gòu)式結(jié)構(gòu)和鋼管人字柱結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)充分利用，同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)受力和變形的要求。文章通過對三種結(jié)構(gòu)型式的受力特性、鋼材量及占地面積分別進(jìn)行論述和比較，提出優(yōu)化后的聯(lián)合構(gòu)架結(jié)構(gòu)型式。

1 750 kV聯(lián)合構(gòu)架結(jié)構(gòu)型式的受力特性

目前在750 kV聯(lián)合構(gòu)架中應(yīng)用的兩種結(jié)構(gòu)型式，即全鋼管人字柱結(jié)構(gòu)和全鋼管格構(gòu)柱結(jié)構(gòu)，實(shí)景照片如圖1、圖2所示。本文提出的鋼管格構(gòu)進(jìn)出線柱加母線人字柱結(jié)構(gòu)型式目前還沒有完整應(yīng)用到具體工程中。下面對三種結(jié)構(gòu)型式的受力特性進(jìn)行分析。

圖1 全鋼管人字柱結(jié)構(gòu)

圖2 全鋼管格構(gòu)柱結(jié)構(gòu)

1.1 全鋼管人字柱結(jié)構(gòu)

構(gòu)架柱采用人字柱，鋼管采用直縫焊接圓形或多邊形鋼管；構(gòu)架梁采用變截面的鋼管三角形格構(gòu)梁，鋼管弦桿、角鋼腹桿，節(jié)點(diǎn)板螺栓連接。梁柱整體鉸接，構(gòu)架柱、梁弦桿拼接采用法蘭連接。

由于人字柱結(jié)構(gòu)平面外的剛度很小，僅靠鋼管自身的慣性矩和模量無法抵抗平面外的受力，因此在建設(shè)時(shí)一般采用在構(gòu)架縱向端部加設(shè)端撐或在中部加設(shè)剪刀撐的方式來滿足平面外的剛度和位移要求。此外，由于鋼管人字柱與三角形格構(gòu)梁之間整體為鉸接，兩者無法協(xié)同受力，導(dǎo)致三角形格構(gòu)梁的跨中彎矩和撓度很大，人字柱截面和所受拉壓內(nèi)力相應(yīng)較大，容易出現(xiàn)管壁內(nèi)凹的局部屈曲。

三角形格構(gòu)梁在梁跨度較大時(shí)，為了減小跨中撓度，需要較大的梁截面尺寸，在柱頭連接處又要考慮預(yù)留格構(gòu)式地線柱的位置，因此柱頂板懸臂較長，頂板下需要增加較多的加勁板，造成柱頭處結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，計(jì)算假定與實(shí)際差別較大的情況，進(jìn)而導(dǎo)致鋼管人字柱柱頭處工廠焊接工作量大，柱頭與頂板的相貫焊、與加勁板的角焊縫交錯(cuò)且集中，焊縫應(yīng)力集中明顯，焊接及鍍鋅變形都很大，也給運(yùn)輸增加了難度。

敞開式布置的人字柱聯(lián)合構(gòu)架柱頭處、母線梁與進(jìn)出線人字柱連接處等節(jié)點(diǎn)受力復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)的極限承載能力目前還沒有詳細(xì)的計(jì)算規(guī)定，需要通過試驗(yàn)和有限元計(jì)算等方法確定。

1.2 全鋼管格構(gòu)柱結(jié)構(gòu)

構(gòu)架柱采用變截面鋼管格構(gòu)矩形柱，鋼管主材、鋼管腹桿，節(jié)點(diǎn)板螺栓連接；構(gòu)架梁采用等截面鋼管格構(gòu)矩形梁，鋼管弦桿、鋼管腹桿，節(jié)點(diǎn)板螺栓連接。梁柱整體剛接，構(gòu)架柱、梁弦桿拼接采用法蘭連接。

鋼管格構(gòu)式梁柱為整體剛接，格構(gòu)柱承擔(dān)格構(gòu)梁傳來的梁端彎矩，從而減小格構(gòu)梁跨中彎矩。多跨連續(xù)布置時(shí)格構(gòu)梁為連續(xù)梁，結(jié)構(gòu)受力均勻，格構(gòu)梁跨中撓度小，材料利用率高，整個(gè)結(jié)構(gòu)剛度很大。鋼管格構(gòu)式梁柱的協(xié)同受力在大跨度、作用荷載很大的結(jié)構(gòu)中優(yōu)勢尤為突出。

鋼管格構(gòu)式構(gòu)架為超靜定結(jié)構(gòu)，一旦某個(gè)桿件出現(xiàn)問題，可以通過內(nèi)力重分布進(jìn)行調(diào)整，確保構(gòu)架的安全儲(chǔ)備。桿件受力明確，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡單，大部分構(gòu)件屬于拉壓桿，符合計(jì)算假定。鋼管構(gòu)件受荷性能好，相對于角鋼構(gòu)件具有明顯的優(yōu)勢：一是可以減小構(gòu)架的風(fēng)壓；二是在截面面積相等的情況下，圓管的回轉(zhuǎn)半徑比角鋼大20%左右。

1.3 鋼管格構(gòu)進(jìn)出線柱加母線人字柱結(jié)構(gòu)

聯(lián)合構(gòu)架的進(jìn)出線柱采用變截面鋼管格構(gòu)矩形柱，鋼管主材、鋼管腹桿，節(jié)點(diǎn)板螺栓連接；構(gòu)架梁采用等截面鋼管格構(gòu)矩形梁，鋼管弦桿、鋼管腹桿，節(jié)點(diǎn)板螺栓連接。梁柱整體剛接。母線構(gòu)架柱采用人字柱，鋼管采用直縫焊接圓形或多邊形鋼管；母線梁采用變截面鋼管格構(gòu)矩形梁，鋼管弦桿、鋼管腹桿，節(jié)點(diǎn)板螺栓連接。母線梁一端與進(jìn)出線構(gòu)架柱整體剛接，另一端與母線構(gòu)架柱整體鉸接。構(gòu)架柱、梁弦桿拼接采用法蘭連接。

此種結(jié)構(gòu)是一種新型的750 kV聯(lián)合構(gòu)架結(jié)構(gòu)型式。根據(jù)進(jìn)出線梁和母線梁上所受導(dǎo)線拉力差異較大的特點(diǎn)，在聯(lián)合構(gòu)架中對進(jìn)出線柱和母線柱進(jìn)行區(qū)別設(shè)計(jì)，選用不同的結(jié)構(gòu)型式。將鋼管格構(gòu)矩形柱與鋼管人字柱這兩種不同的結(jié)構(gòu)型式在聯(lián)合構(gòu)架中有機(jī)地結(jié)合，進(jìn)出線柱采用鋼管格構(gòu)式矩形柱充分利用其受力性能好、剛度大的優(yōu)點(diǎn)，不僅滿足進(jìn)出線梁上導(dǎo)線拉力大、掛線點(diǎn)高的要求，同時(shí)可為母線人字柱提供側(cè)向剛度，從而省去母線人字柱的側(cè)向端撐；母線柱采用鋼管人字柱結(jié)構(gòu)，適用于母線梁上導(dǎo)線拉力小、掛線點(diǎn)低的特點(diǎn)，避免采用全鋼管格構(gòu)柱造成用鋼量及占地面積的浪費(fèi)。

2 750 kV聯(lián)合構(gòu)架結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì)比較

結(jié)合750 kV變電站中構(gòu)架電氣總平面布置及各個(gè)荷載工況下的導(dǎo)線拉力，利用空間桿系分析軟件STAAD Pro(V8i)對敞開式布置的750 kV構(gòu)架建立整體模型進(jìn)行空間計(jì)算。在相同的邊界輸入條件和導(dǎo)線拉力等作用下，對全鋼管人字柱結(jié)構(gòu)、全鋼管格構(gòu)柱結(jié)構(gòu)、鋼管格構(gòu)進(jìn)出線柱+母線人字柱結(jié)構(gòu)三種結(jié)構(gòu)型式分別建模，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合比較，提出最優(yōu)結(jié)構(gòu)型式。

2.1 輸入條件

三種結(jié)構(gòu)模型中輸入相同的邊界條件：①基本風(fēng)壓；②站區(qū)的地震動(dòng)峰值加速度值、相應(yīng)的地震基本烈度、地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期；③站址所在區(qū)域的氣象條件。

2.2 計(jì)算荷載

作用于構(gòu)架的荷載主要有：導(dǎo)(地)線拉力、結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)荷載、冰荷載及安裝檢修所產(chǎn)生的臨時(shí)荷載、溫度作用及地震作用，按最終規(guī)模所產(chǎn)生的荷載進(jìn)行分析計(jì)算。導(dǎo)線拉力值見表1和表2所列。

表1 出線構(gòu)架導(dǎo)線拉力kg

表2 母線構(gòu)架導(dǎo)線拉力kg

風(fēng)荷載對變電構(gòu)架的影響很大，根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50135—2006《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]的要求，考慮0°和90°風(fēng)(即順導(dǎo)線和垂直導(dǎo)線風(fēng))對構(gòu)架的作用效應(yīng)。一般結(jié)構(gòu)的基本自振周期T≥0.25 s，由風(fēng)引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)比較明顯，而且隨著結(jié)構(gòu)自振周期的增長，風(fēng)振也隨著增強(qiáng)，因此設(shè)計(jì)時(shí)均應(yīng)考慮風(fēng)振的影響[2]。對于自立式鐵搭，DL/T 5154—2012《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》[3]規(guī)定：塔桿全高在60 m以下時(shí)風(fēng)振系數(shù)βz按照規(guī)范中表格選用；當(dāng)塔桿全高超過60 m時(shí)，應(yīng)按GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[2]采用由下到上逐段增大的數(shù)值。

對于整體較高而剛度弱的構(gòu)架結(jié)構(gòu)，風(fēng)振的影響一般要大于地震的影響，但是如果結(jié)構(gòu)的重量較大，又處在地震高烈度區(qū)，則地震的影響會(huì)更強(qiáng)烈些。因此建造在地震高烈度區(qū)的結(jié)構(gòu)，要充分考慮地震作用的影響，以保證結(jié)構(gòu)的安全。GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]及《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，對烈度為8°和9°的高聳結(jié)構(gòu)，應(yīng)同時(shí)考慮豎向地震作用和水平地震作用的不利組合。水平及豎向地震作用均采用反應(yīng)譜法計(jì)算。

對于暴露在室外的構(gòu)架結(jié)構(gòu)，受溫度作用影響較直接，同時(shí)結(jié)構(gòu)縱向尺寸較大，溫度效應(yīng)的累計(jì)作用明顯。DL/T 5457—2012《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》[5]規(guī)定，兩端設(shè)剛性支撐總長超過150 m的連續(xù)排架，或總長超過100 m的連續(xù)剛架，應(yīng)計(jì)算溫度作用效應(yīng)的影響。在計(jì)算溫度作用效應(yīng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程具體條件合理選擇計(jì)算溫差。在聯(lián)合構(gòu)架中應(yīng)滿足處理溫度應(yīng)力的要求。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制條件

750 kV聯(lián)合構(gòu)架采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)，即承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。承載能力極限狀態(tài)對應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到最大承載力或不適于繼續(xù)承載的變形；正常使用極限狀態(tài)對應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能的某項(xiàng)規(guī)定限值。

根據(jù)《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，運(yùn)行工況、安裝工況、檢修工況宜作為承載能力極限狀態(tài)的三種基本組合。安裝工況宜作為正常使用極限狀態(tài)下對變形及裂縫進(jìn)行校驗(yàn)的荷載條件。

鋼管格構(gòu)式結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)的控制條件：柱頂?shù)脑试S撓度值為3h/1000(h為柱計(jì)算點(diǎn)高度)，橫梁跨中為L/400(L為梁跨度)；人字柱平面內(nèi)、外(帶端撐)允許撓度值為h/200(h為柱計(jì)算點(diǎn)高度)。

2.4 計(jì)算模型簡圖

某工程750 kV配電裝置采用戶外敞開式布置方案，750 kV構(gòu)架出線梁跨度39.0 m，掛線點(diǎn)高度37.5 m，母線梁跨度38.5 m，掛線點(diǎn)高度27.0 m。基于電氣專業(yè)布置要求，750 kV構(gòu)架采用分片聯(lián)合構(gòu)架，選取其中具有代表性的一組出線和母線聯(lián)合構(gòu)架，分別采用全鋼管人字柱結(jié)構(gòu)、全鋼管格構(gòu)柱結(jié)構(gòu)、鋼管格構(gòu)出線柱加母線人字柱結(jié)構(gòu)，三種結(jié)構(gòu)型式的計(jì)算模型簡圖如圖3～圖5所示。

圖3 全鋼管人字柱計(jì)算模型簡圖

圖5 鋼管格構(gòu)出線柱加母線人字柱計(jì)算模型簡圖

圖4 全鋼管格構(gòu)柱計(jì)算模型簡圖

2.5 計(jì)算結(jié)果分析

經(jīng)計(jì)算，三種不同結(jié)構(gòu)型式的模型中各構(gòu)件的控制應(yīng)力比見表3所列。

表3 三種不同結(jié)構(gòu)型式的模型中各構(gòu)件的控制應(yīng)力比

從表3可以看出，全鋼管格構(gòu)柱結(jié)構(gòu)模型中母線柱平均應(yīng)力比為0.568，受力較小，其腹桿、弦桿基本由長細(xì)比控制，材料利用率低。因此將母線柱改為受力較大、構(gòu)造桿件較少的鋼管人字柱，進(jìn)出線柱仍采用鋼管格構(gòu)矩形柱，為母線人字柱提供側(cè)向剛度，從而省去母線人字柱的側(cè)向端撐，在滿足聯(lián)合構(gòu)架受力、變形要求的同時(shí)提高了材料利用率。

2.6 不同結(jié)構(gòu)型式的鋼材量統(tǒng)計(jì)

通過對三種不同結(jié)構(gòu)型式的計(jì)算，構(gòu)件斷面尺寸及主材截面見表4所列。

表4 三種結(jié)構(gòu)型式的構(gòu)件斷面尺寸及主材截面

根據(jù)以往工程統(tǒng)計(jì)，當(dāng)鋼管格構(gòu)柱在等寬度的窄面節(jié)點(diǎn)采用相貫焊、變寬度的寬面節(jié)點(diǎn)采用節(jié)點(diǎn)板螺栓連接，鋼管格構(gòu)矩形梁上下面節(jié)點(diǎn)采用相貫焊、正背面節(jié)點(diǎn)采用節(jié)點(diǎn)板螺栓連接，鋼管格構(gòu)三角形梁三面均采用節(jié)點(diǎn)板螺栓連接時(shí)，進(jìn)出線柱與母線柱節(jié)點(diǎn)板、法蘭和螺栓等輔材占整根柱總重的比例約為20%；鋼管格構(gòu)矩形梁與鋼管格構(gòu)三角形梁節(jié)點(diǎn)板、法蘭和螺栓等輔材占整根進(jìn)出線梁總重的比例約為30%，占整根母線梁總重的比例約為25%；節(jié)點(diǎn)板、法蘭和螺栓、柱頂板等輔材占整根進(jìn)出線人字柱(無論是否帶端撐)總重的比例約為25%，占整根母線人字柱總重的比例約為20%，節(jié)點(diǎn)板、法蘭和螺栓等輔材占整根鋼管格構(gòu)矩形地線柱總重的比例約為30%。

根據(jù)上述比例，考慮節(jié)點(diǎn)板、法蘭和螺栓、柱頂板等輔材后結(jié)構(gòu)總用鋼量的比較結(jié)果見表5所列。

2.7 750 kV聯(lián)合構(gòu)架的占地面積

聯(lián)合構(gòu)架占地面積的計(jì)算，縱橫向尺寸均算至構(gòu)架柱最邊緣柱肢中心線處，三種不同結(jié)構(gòu)型式的占地面積比較見表6所列。

表6 三種不同結(jié)構(gòu)型式的占地面積比較

從表6可知，同一組聯(lián)合構(gòu)架采用三種不同的結(jié)構(gòu)型式，鋼管格構(gòu)出線柱加母線人字柱結(jié)構(gòu)占地面積最小，全鋼管人字柱結(jié)構(gòu)占地面積最大，全鋼管格構(gòu)柱結(jié)構(gòu)占地面積介于其中，與鋼管格構(gòu)出線柱加母線人字柱結(jié)構(gòu)占地面積基本相當(dāng)。鋼管格構(gòu)出線柱加母線人字柱結(jié)構(gòu)相比全鋼管人字柱結(jié)構(gòu)節(jié)約占地面積7.2%。

3 結(jié)論

本文針對戶外敞開式布置的750 kV聯(lián)合構(gòu)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對三種型式的受力特性進(jìn)行了論述，并利用空間桿系分析軟件STAAD Pro進(jìn)行了結(jié)構(gòu)計(jì)算，得出結(jié)論如下：

1)戶外敞開式布置的750 kV聯(lián)合構(gòu)架由于進(jìn)出線梁上導(dǎo)線拉力大，掛線點(diǎn)高，進(jìn)出線柱上還需設(shè)地線柱或避雷針，構(gòu)架柱若采用鋼管人字柱時(shí)兩端需設(shè)置端撐，增加占地面積。如采用鋼管格構(gòu)式結(jié)構(gòu)，不僅占地面積小，而且由于梁柱整體剛接、協(xié)同受力，多跨連續(xù)梁受力均勻，跨中撓度小，材料利用率相應(yīng)提高。

2)母線梁上導(dǎo)線拉力小，掛線點(diǎn)低，對于受力較小的結(jié)構(gòu)采用鋼管格構(gòu)式結(jié)構(gòu)時(shí)，大部分桿件限于長細(xì)比等構(gòu)造要求，材料利用率低。因此母線柱宜采用鋼管人字柱，而母線梁采用變截面的鋼管格構(gòu)矩形梁，其一端與進(jìn)出線構(gòu)架柱整體剛接，另一端與母線人字柱整體鉸接。母線人字柱平面外的剛度由與母線梁連接的鋼管格構(gòu)進(jìn)出線柱提供，并充分利用母線人字柱平面外尺寸小進(jìn)而壓縮母線間隔寬度，使得電氣設(shè)備布置更為緊湊。同時(shí)母線人字柱柱頭上僅需考慮母線梁的連接，柱頭設(shè)計(jì)更加簡潔，節(jié)省用鋼量。

3)針對軟件計(jì)算結(jié)果比較三種型式的總用鋼量，同時(shí)結(jié)合結(jié)構(gòu)占地面積的比較，可知鋼管格構(gòu)進(jìn)出線柱+母線人字柱結(jié)構(gòu)相比全鋼管格構(gòu)柱結(jié)構(gòu)節(jié)約鋼材量11%；相比全鋼管人字柱結(jié)構(gòu)節(jié)約占地面積7.2%。鋼管格構(gòu)柱和人字柱這兩種不同結(jié)構(gòu)型式在聯(lián)合構(gòu)架中的結(jié)合使用不僅滿足受力、變形的要求，達(dá)到了“按需設(shè)計(jì)、物盡其用”的目的，取得了良好的綜合經(jīng)濟(jì)效益。