750 kV 格構式變電構架結構選型及優化研究

商文念 劉建秋 魏珍中

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東濟南 250013)

0 引言

隨著電力建設的快速發展，變電站采用格構式梁柱的結構形式越來越多［1］，采用這種形式是非常必要的，一是滿足國外工程要求，二是超高電壓等級的構架高度較高、跨度大、荷載大，變電構架可以采用普通鋼管結構、鋼管格構結構和角鋼格構結構，三種結構形式的經濟性并沒有學者進行相關的研究。

傳統的平面計算分析方法，不能直觀反映構件的真實的受力狀態，造成大量構件的強度未能充分發揮，而局部一些構件處于滿應力工作狀態，不僅結構用鋼量不低，而且結構的整體安全度不高。

本文構架計算采用空間分析方法，構件的計算內力更接近于其實際受力狀態，可以對所有的構件依照設定的控制指標進行滿應力設計，既保證了構架的整體安全度水平一致，又有效地節省鋼材，降低工程造價。

1 設計條件

以某變電站中的750 kV連續四跨構架為例，柱距為48 m，高度為38 m，鋼材的彈性模量取E=2.06×1011N/m2，密度取ρ=7 800 kg/m3，泊松比取μ=0.3。本文構架柱采用梁單元模型來模擬，單線透視圖如圖1所示。

圖1 格構梁柱三維透視單線圖

基本風壓:0.50 kN/m2(考慮到結構的重要性，按100年一遇查表)，地面粗糙度:B類。

作用在構架上的荷載主要有:結構自重、風荷載、冰荷載、上人、安裝檢修、短路沖擊、導線張力、溫度作用、地震作用。所有構架按照最終規模所產生的荷載進行分析計算，線路荷載系數如表1所示，風荷載系數如表2所示，計算過程根據實際情況只考慮單側掛線情況。

由于本工程屬于極端最低氣溫達到-27.7℃，設計時，不但要考慮導線覆冰，還要考慮結構覆冰荷載。

根據文獻［3］第3.3.4條規定:連續構架長度總長度超過100 m時，應考慮溫度作用效應的影響。本工程構架布置時，為減少溫度作用效應的影響，雖然中間設伸縮縫，但每側4跨構架(43.00×4=172.00)已超出規范要求，需要考慮溫度作用。

表1 線路專業提供的導線荷載 kg

表2 風荷載系數取值［2］

2 構架動力特性分析

通過STAAD動力分析，利用分塊的Lanczos算法，分析得到構架前6階頻率如表3所示，振型模態如圖2所示。

表3 構架前6階頻率 Hz

圖2 構架前3階模態

3 結構類型比較

3.1 等截面普通鋼管結構

750 kV構架A型構架柱根開設置為7 m，端撐根開設為7 m，中間設置2道橫撐。三角形鋼梁寬3 m。構架梁采用三角形格構梁形式，如圖3所示。這樣可以便于加工、安裝，也可以減輕梁自重，節省鋼材。750 kV配電裝置構架掛線點高度38 m，等截面普通鋼管結構在每組連續構架一端設置端撐?；A采用杯口基礎，柱腳按剛接設計。

圖3 梁的計算單線圖

3.2 鋼管、角鋼格構柱結構

格構柱底部斷面取5.5 m×2.5 m，頂部地線柱斷面取1 m×1 m，在設計中格構柱每隔2個～3個節間設置一道橫隔，在柱變截面處及有較大荷載處也設置橫隔。

構架橫梁采用矩形格構式鋼梁，型鋼梁寬2.5 m，高2.5 m，如圖4所示。荷載較大時，多跨連續矩形斷面格構式鋼梁用鋼少，構造簡單。

圖4 格構梁計算單線圖

鋼管格構結構，采用杯口基礎，插入式剛接柱腳，構造簡單，施工容易，設計按剛接柱腳考慮。

3.3 計算結果比較

通過對上述的三種結構類型進行統計可以得出三種結構類型的用鋼量，如表4所示。

表4 格構式柱、梁主材及用鋼量

從表4可以看出，鋼管格構構架較普通鋼管構架節約鋼材17%，鋼管格構構架較角鋼格構構架節省鋼材27%，綜上所述，采用鋼管格構式構架從經濟上最省。

4 節點設計

750 kV構架節點設計原則應考慮，在滿足承載力的前提下，施工安裝方便，并參考國內其他變電工程和線路塔架成熟的節點形式。

腹桿與主材的連接節點。

梁、柱主材(圓鋼管)通過節點板，用普通螺栓與腹桿角鋼或鋼管鉸接連接，螺栓分并列布置和錯列布置。節點形式可參考線路鋼管塔之K形節點連接形式，該形式節點經過試驗的多次驗證，比較成功［4，5］。

根據國內部分試驗結論［6］，插接板厚為8 mm的試件承載力并不比板厚為6 mm的試件的承載力要高，這說明插接板只需保證不先于管件破壞即可，盲目加大板厚不僅不會增加構件的承載力，反而會因為增加了節點的構造偏心，導致構件承載力有所下降。

對于750 kV構架在受力較大部位采用環形補強板，其適用于大承載力、鋼管變形要求嚴格的場合。并且要控制節點板寬度，節點板寬度加大，其承載力不僅不增加，反而有所下降，這是由于鋼管的扁平變形隨兩端環形補強板距離的增大而變大造成的，節點板變形隨著節點板寬度的增大而明顯變大，節點部位的總變形δ也隨之增大。

5 主要結論

本文研究分析了750 kV連續格構式構架的受力，主要做了以下研究工作:

1)利用空間計算分析的手段，研究了其動力特性和結構形式的選擇，對三種750 kV常用的構架形式(鋼管格構構架、普通鋼管構架、角鋼格構構架)進行了分析，得出采用鋼管格構式構架從經濟上最省。

2)優化750 kV格構式構架的結構形式及節點設計，提出對于750 kV構架受力較大部位可采用環形補強板加強，提出設計此類變電構架結構時所需注意的事項，為類似工程設計提供參考與借鑒，達到經濟、合理、降低工程造價的目的。

［1］魏志強，陳壽標.格構式配電裝置鋼構架分析與選型［J］.能源與環境，2011(5):40-41，43.

［2］中南電力設計院.變電構架設計手冊［M］.武漢:湖北科學技術出版社，2006.

［3］DL/T 5457—2012，變電站建筑結構設計技術規程［S］.

［4］毛軍朋.特高壓輸電塔半剛性K型節點受力性能分析［D］.重慶:重慶大學，2012.

［5］李衛青.大跨越輸電塔鋼管節點承載力的試驗研究與理論分析［D］.杭州:浙江大學，2011.

［6］袁 俊.特高壓鋼管塔插板連接K型節點承載力研究［D］.重慶:重慶大學，2012.