海外工程變電站鋼構(gòu)架中美標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算模型分析

摘 要：對于海外項(xiàng)目變電站內(nèi)鋼構(gòu)支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一般采用的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范等均為美標(biāo)。本文按照中美規(guī)范的要求，綜合考慮了鋼構(gòu)架荷載及組合、材料強(qiáng)度、計(jì)算長度、規(guī)范檢驗(yàn)等因素，使用國際通用結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)程序STAAD對變電站內(nèi)400kV鋼構(gòu)架進(jìn)行了試算對比分析，對構(gòu)架梁、柱用鋼量進(jìn)行了對比和分析。

關(guān)鍵詞：中美標(biāo)準(zhǔn)，對比分析，用鋼量，STAAD

0 引 言

隨著“一帶一路”國家倡議的發(fā)展和世界能源互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)施，中國電力技術(shù)不斷走出國門，輸出到非洲、南美洲、東南亞和中東等地區(qū)，由于受西方思想影響較大，這些地區(qū)的工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)往往采用美國、歐洲等標(biāo)準(zhǔn)。為實(shí)現(xiàn)與國際接軌，順利推進(jìn)工程建設(shè)，中國國際工程總承包公司在項(xiàng)目執(zhí)行過程中往往傾向于接受合同規(guī)定的國際標(biāo)準(zhǔn)，這對習(xí)慣于中國標(biāo)準(zhǔn)的總承包公司來說是一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)。

掌握國際標(biāo)準(zhǔn)以及充分了解國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)的差異對國際工程設(shè)計(jì)具有重大意義，是國際工程總承包公司需要解決的重要問題。當(dāng)前海外輸變電工程競爭日趨激烈，了解國際主流EPC承包商的技術(shù)路線，分析中美技術(shù)差異非常必要。

本文結(jié)合國際工程實(shí)例對中國標(biāo)準(zhǔn)、美國標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行深入地分析和比較研究，歸納了中美標(biāo)準(zhǔn)模型計(jì)算用鋼量指標(biāo)。

1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)

1.1 采用的中國規(guī)范、美國規(guī)范

變電站鋼構(gòu)架模型計(jì)算輸入?yún)?shù)主要有結(jié)構(gòu)計(jì)算、荷載取值以及不同工況下荷載組合等，相應(yīng)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

1.2 鋼構(gòu)架結(jié)構(gòu)型式

構(gòu)架梁、柱均采用四邊形斷面角鋼格構(gòu)式結(jié)構(gòu)，且斜腹桿均為交叉腹桿，各構(gòu)件之間螺栓連接。

1.3 風(fēng)荷載

中美規(guī)范對于基本風(fēng)速定義時(shí)距差別較大，中國規(guī)范時(shí)距10min，美國規(guī)范時(shí)距是3s風(fēng)速。中美規(guī)范地面粗糙度類別劃分標(biāo)準(zhǔn)類似，中國A、B、C、D類分別對應(yīng)美國規(guī)范D、C、B、B（美國規(guī)范取消了A類）。

構(gòu)架計(jì)算時(shí)為了統(tǒng)一輸入條件，國內(nèi)風(fēng)荷載按照美國標(biāo)準(zhǔn)《土建工程設(shè)計(jì)之抗風(fēng)設(shè)計(jì)手冊》的計(jì)算方法，將假定的3s風(fēng)速通過陣風(fēng)因素?fù)Q算成時(shí)距l(xiāng)0min的風(fēng)速。

2 國內(nèi)構(gòu)架計(jì)算分析

2.1 構(gòu)架的荷載及荷載組合

2.1.1 作用于構(gòu)架的荷載

變電站架構(gòu)模型中荷載主要分3類（見表2）：（1）永久荷載：如：構(gòu)架自重、固定的設(shè)備重及導(dǎo)線和絕緣層自重產(chǎn)生的垂直荷載和水平張力等（2）可變荷載：如：風(fēng)荷載（構(gòu)架風(fēng)壓、導(dǎo)線側(cè)向風(fēng)壓及其產(chǎn)生的水平張力）、冰荷載；（3）偶然荷載：如：短路電動(dòng)力、驗(yàn)算（稀有）風(fēng)荷載及驗(yàn)算（稀有）冰荷載。

2.1.2 荷載組合

（1）承載能力極限狀態(tài)

1）覆冰有風(fēng)工況：

1.0×SW + 1.3×D12 + 1.4×W10

1.2×SW + 1.3×D12 + 1.4×W10

2）大風(fēng)工況：

1.0×SW +1.3×D11 + 1.4×Wmax

1.2×SW + 1.3×D11 + 1.4×Wmax

3）溫度作用工況：

1.0×SW + 1.3×D13 + 1.0×1.0×Δt-40 +1.4×W10

1 . 2 × S W+ 1 . 3 × D 1 3 + 1 . 0 × 1 . 0 × Δ t - 4 0 +1.4×W10

1.0×SW + 1.3×D14 + 1.0×1.0×Δt+50 +1.4×W10

1.2×SW + 1.3×D14 + 1.0×1.0×Δt+50 +1.4×W10

1.0×SW + 1.3×D11 + 0.85×1.0×Δt+35（或Δt-30）+ 1.4×Wmax

1.2×SW + 1.3×D11 + 0.85×1.0×Δt+35（或Δt-30）+ 1.4×Wmax

4）安裝工況（緊線相為任意相，主要驗(yàn)算構(gòu)架梁）

1.0×SW + 1.2×D21（可只考慮B相）+ 1.2×D22（A、C相）+ 1.4×W10

1.2×SW + 1.2×D21（可只考慮B相）+ 1.2×D22（A、C相）+ 1.4×W10

5） 檢修工況

1.0×SW + 1.2×D31 + 1.4×W10 （僅母線且只考慮一個(gè)檔距）

1.2×SW + 1.2×D31 + 1.4×W10 （僅母線且只考慮一個(gè)檔距）

1.0×SW + 1.2×D32（可只考慮B相）+ 1.2×D22（A、C相）+1.4×W10

1.2×SW + 1.2×D32（可只考慮B相）+ 1.2×D22（A、C相）+1.4×W10

6） 地震作用組合

1.0×GE + 1.3×E

1.2×GE + 1.3×E

1.0×GE + 1.3×E +0.2×1.4×Wmax

1.2×GE + 1.3×E +0.2×1.4×Wmax

（2）正常使用極限狀態(tài)

1）大風(fēng)工況：

1.0×SW + 1.0×D11 + 0.5×Wmax

2）覆冰有風(fēng)工況：

1.0×SW + 1.0×D12

3）溫度作用工況：

1.0×SW + 1.0×D13 + 1.0× 1.0×Δt-40

1.0×SW + 1.0×D14 + 1.0× 1.0×Δt+50

1.0×SW + 1.0×D11 + 0.85×1.0×Δt+35（或Δt-30）+ 0.5×Wmax

2.2 400kV構(gòu)架計(jì)算分析

構(gòu)架的三維模型（如圖1所示）。

構(gòu)架所采用的主要構(gòu)件截面及梁柱用鋼量（見表3）。

以非洲某變電站項(xiàng)目400kV出線構(gòu)架為例，進(jìn)行模型計(jì)算，國標(biāo)情況下梁柱主材選擇計(jì)用鋼量見表3。

荷載組合控制工況如下。

柱：1.2×SW + 1.3×D11 + 1.4×Wmax（大風(fēng)工況）

梁：1.2×SW + 1.2×D21（可只考慮B相）+1.2×D22（A、C相）+ 1.4×W10（檢修工況）

3 美標(biāo)400kV構(gòu)架計(jì)算分析

3.1 CFE標(biāo)準(zhǔn)下構(gòu)架的荷載及荷載組合

（1）根據(jù)CFE JA100-57《變電站使用的大型及小型金屬結(jié)構(gòu)》的要求，對構(gòu)架進(jìn)行分析時(shí)，所使用的負(fù)荷條件如下。

PP = 金屬結(jié)構(gòu)的自重。

PEC = 設(shè)備和電纜的自重。

TMCCN = 在常規(guī)條件下電纜的最高拉力（在兩個(gè)方向產(chǎn)生的最高拉力）。最高拉力是根據(jù)在特殊特性章節(jié)里列出的弧垂和應(yīng)力的演算書來計(jì)算獲得（雙側(cè)最大導(dǎo)線拉力，最大風(fēng)）。

TTCCN = 在常規(guī)條件下電纜的拉力（雙側(cè)受力，非緊線）。

TMCCD = 在不平衡條件下產(chǎn)生的最高拉力（在一個(gè)方向產(chǎn)生的最高臨界拉力）（單側(cè)最大導(dǎo)線拉力，最大風(fēng)）。

TTCCD = 在不平衡條件下產(chǎn)生的電纜工作拉力（在一個(gè)方向產(chǎn)生的工作拉力）（單側(cè)受力，非緊線）

PVMNE = 對金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的正常最大風(fēng)壓（在電纜拉力的方向），針對200年重現(xiàn)期的標(biāo)準(zhǔn)。

PVMPE = 對金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的平行最大風(fēng)壓（電纜拉力的正交方向），針對200年重現(xiàn)期的標(biāo)準(zhǔn)。

PvmNE = 對金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的正常平均風(fēng)壓（在電纜拉力的方向），風(fēng)速的一半值則是針對50年重現(xiàn)期的標(biāo)準(zhǔn)。

PvmPE = 對金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的平行平均風(fēng)壓（電纜拉力的正交方向），風(fēng)速的一半值則是針對50年重現(xiàn)期的標(biāo)準(zhǔn)。

PVM45 = 45 ℃溫度下的最高風(fēng)壓（ 要考慮在金屬結(jié)構(gòu)兩個(gè)方向中應(yīng)力組合因素，也就是說，在金屬結(jié)構(gòu)的每一側(cè)，根據(jù)正弦或余弦三角函數(shù)對上述的應(yīng)力采用的一個(gè)數(shù)值為0.7071。

CSNE = 對金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的正常地震負(fù)荷（要考慮在這個(gè)方向100%產(chǎn)生的地震負(fù)荷，以及在另一個(gè)30%產(chǎn)生的地震負(fù)荷）。

CSPE = 對金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的平行地震負(fù)荷（要考慮在這個(gè)方向100% 產(chǎn)生的地震負(fù)荷，以及在另一個(gè)30%產(chǎn)生的地震負(fù)荷）。

（2）荷載組合

1） 1，4（PP+PEC+TTCCN）.

2） 1，2 （PP+PEC+TTCCN）+ 1，3 PVMPE.

3） 1，2（PP+PEC + TTCCN）+ 1，3 PVMNE.

4） 1，2（PP+PEC+TTCCD）+ 1，3 PVMPE.

5） 1，2（PP+PEC+TTCCD）+ 1，3 PVMNE.

6） 1，2（PP+PEC+TTCCN）+ 0，919 PVMNE +0，919 PVMPE.

7） 1，2 （PP+PEC+TTCCD） + 0，919 PVMNE +0，919 PVMPE.

8） 1，2（PP+PEC+TMCCN）+ 1，3 PvmPE.

9） 1，2（PP+PEC+TMCCN）+ 1，3 PvmNE.

10） 1，2 （PP+PEC+TMCCD）+ 1，3 PvmPE.

11） 1，2 （PP+PEC+TMCCD）+ 1，3 PvmNE.

12） 1，2 （PP+PEC+TTCCN）+ 1，5 CSNE.

13） 1，2 （PP+PEC+TTCCD）+ 1，5 CSNE.

14） 1，2 （PP+PEC+TTCCN）+ 1，5 CSPE.

15） 1，2 （PP+PEC+TTCCD）+ 1，5 CSPE.

16） 0，9（PP+PEC）+TTCCD+1，3 PVMNE.

17） 0，9（PP+PEC）+TTCCD+1，3 PVMPE.

18） 0，9（PP+PEC）+TTCCD+1，5 CSNE.

19） 0，9（PP+PEC）+TTCCD+1，3 CSNPE.

20） PP+PEC+TTCCN.

3.2 400kV構(gòu)架計(jì)算分析

（1）構(gòu)架的三維模型

（2）構(gòu)架設(shè)計(jì)所采用的主要構(gòu)件截面

以非洲某變電站項(xiàng)目400kV出線構(gòu)架為例，進(jìn)行模型計(jì)算，美標(biāo)情況下梁柱主材選擇計(jì)用鋼量見表4。

荷載組合控制工況如下。

柱：1.2 （PP+PEC+TMCCN）+ 1.3 PvmNE（大風(fēng)工況）；

梁：1.2 （PP+PEC+TMCCD）+ 1.3 PvmNE（大風(fēng)工況）。

4 中美構(gòu)架上部結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果的比較分析

4.1 中美建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容比較

（1）中美的荷載系數(shù)和荷載組合均基于概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法；參照國內(nèi)外對規(guī)定可靠指標(biāo)的分級，規(guī)定安全等級每相差一級，可靠指標(biāo)取值宜相差 0.5。

（2）為使結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)期的安全水平，采用不同的荷載組合和荷載系數(shù)。美國規(guī)范中采用抗力系數(shù)和荷載系數(shù)，中國規(guī)范中還將荷載系數(shù)分為組合值系數(shù)、頻遇值系數(shù)及準(zhǔn)永久值系數(shù)等，其同樣能反映荷載效應(yīng)和抗力的變異性。

（3）中國規(guī)范中指出影響荷載可靠度的不定因素有作用和環(huán)境的影響，而美國規(guī)范中還考慮了計(jì)算假定模式的誤差的影響。

（ 4 ） 中國的目標(biāo)可靠度值的變化范圍是2.7～4.2。美國的的目標(biāo)可靠度值的變化范圍是2.5～4.5。

（5）中國變電站的主要建（構(gòu)）筑物按延性破壞設(shè)計(jì)，其承載能力極限狀態(tài)可靠度指標(biāo)值分別對應(yīng) 3.2 和 3.7。美國規(guī)范為 OCCUPANCYCATEGORY III，其承載能力極限狀態(tài)可靠度指標(biāo)值對應(yīng)為 3.25～3.75（依據(jù)破壞的范圍）。

以上分析可以得出，中美標(biāo)準(zhǔn)可靠度接近，對模型計(jì)算結(jié)果沒有影響。

4.2 荷載組合分項(xiàng)系數(shù)的差異

變電站構(gòu)架荷載組合主要考慮運(yùn)行、安裝、檢修3種工況：（1）運(yùn)行工況：最大風(fēng)速、覆冰氣象條件；（2）安裝工況：考慮構(gòu)架組立、導(dǎo)線緊線及緊線時(shí)作用在梁上的人及工具重；（3）檢修工況：考慮單相帶電檢修和三相停電同時(shí)檢修時(shí)導(dǎo)線上人。各項(xiàng)工況中美標(biāo)準(zhǔn)組合分項(xiàng)系數(shù)有差異，見表5。

由以上分析可以得出，風(fēng)荷載參與的組合工況下，國標(biāo)的荷載組合導(dǎo)線拉力計(jì)風(fēng)荷載較美標(biāo)略大。

4.3 中美規(guī)范對構(gòu)件長細(xì)比規(guī)定的差異

受壓桿的容許長細(xì)比，GB 50017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》按不同的構(gòu)件和不同的受力情況分別取150和200，LRFD不分受力情況，統(tǒng)一取200，可見GB 50017-2003較嚴(yán)格；對受拉構(gòu)件GB 50017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》按不同的構(gòu)件和不同的受力情況分別取300和350．LRFD不分受力情況，統(tǒng)一取300，較GB 50017-2003嚴(yán)格。

從受壓桿件來看，國標(biāo)控制長細(xì)比150較美標(biāo)長細(xì)比200嚴(yán)格，受拉構(gòu)件美標(biāo)長細(xì)比300較國標(biāo)350嚴(yán)格。

4.4 用鋼量的比較

以非洲某變電站項(xiàng)目400kV出線構(gòu)架為例，分別采用國標(biāo)、美標(biāo)所得的用鋼量對比情況見表6。

對比中美標(biāo)準(zhǔn)差異，通過建模對比分析，得出結(jié)論如下。

（1）通過荷載系數(shù)、荷載組合以及承載能力極限狀態(tài)等綜合分析，中美建筑結(jié)構(gòu)可靠度指標(biāo)接近。

（2）荷載組合分項(xiàng)系數(shù)，風(fēng)荷載參與組合的情況下，國標(biāo)的荷載組合分項(xiàng)系數(shù)比美標(biāo)準(zhǔn)取值略微偏大。

（3）中美規(guī)范對構(gòu)件長細(xì)比規(guī)定差異：受壓構(gòu)件國標(biāo)較嚴(yán)格，受拉構(gòu)件美標(biāo)相對嚴(yán)格。

（4）實(shí)際建模采用中國標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的用鋼量較美國標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的稍微偏大，主要原因見4.1小節(jié)、4.2小節(jié)、4.3小節(jié)，用鋼量增加約6%～8%。

5 結(jié) 語

通過實(shí)際建模深入分析變電站格構(gòu)式鋼構(gòu)架受力模型，以400kV變電站構(gòu)架為例，分別從可靠度、荷載、荷載組合以及長細(xì)比構(gòu)造等方面進(jìn)行差異化分析，總結(jié)得出中美標(biāo)準(zhǔn)下用鋼量指標(biāo)，對海外變電站項(xiàng)目建設(shè)提供了有效指導(dǎo)。盡管本次模型分析取得了一定結(jié)論，但復(fù)雜情況下，例如：500kV聯(lián)合構(gòu)架、超大跨度等特殊場景，本結(jié)論不一定適用，未來研究可進(jìn)一步探討復(fù)雜聯(lián)合構(gòu)架、超高、超大跨度等變量的影響。

參考文獻(xiàn)

[1]GB 50153-2008，工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]GB 50068-2001，建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]GB50017，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]GB50009，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[5]中南電力設(shè)計(jì)院，編.變電站架設(shè)計(jì)手冊[S].

[6]AISC 360[S].

[7]ASCE/SEI 7： M inimum Design Loads for B uildings and Other Structures[S].

[8]CFE JA100-57[S].

[9]ANSI/AISC 341-05：Seismic Provisions for Structural Steel Buildings[S].

[10]Development of a probability based load criterion for American national standard A58 [M].

[11]Arthur H.Nilson. Design of Concrete Structures[M].

[12]International Building Code[S].

[13]中國電力規(guī)劃協(xié)會(huì)，編. 中國電力設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)和國外標(biāo)準(zhǔn)對比研究 [M].