淺談變電站構架結構選型與優化

謝忠強

（福建永福工程顧問有限公司）

淺談變電站構架結構選型與優化

謝忠強

（福建永福工程顧問有限公司）

隨著我國經濟的快速發展，電力工業在國民經濟中的作用日益突出。變電站是電網系統的重要組成部分，其建設水平也在不斷提高。作為變電站主要的構筑物，屋外配電裝置構架發展也取得長足的進步，形成多種多樣的結構形式。本文試對應用較為成熟的鋼管結構和格構式結構兩種形式進行比較分析，探討構架結構形式的選擇與優化。

鋼管式構架；格構式構架

1　工程概況

某220kV變電站位于江西省景德鎮市，站址自然條件：

（1）極端氣溫-13.4～40.8℃。

（2）離地10m高統計所得的30年一遇10min平均最大風速20m/s。

（3）歷年最大積雪深度20cm。

（4）地震烈度Ⅵ度，動峰值加速度0.05g，特征周期0.35s。

2　構架結構形式

構架是變電站最主要的構筑物之一。國內各地區的自然條件和經濟發展水平的多樣性，造就了多種多樣的構架結構形式。目前常見的結構形式有：

（1）鋼管人字柱結構。柱采用直縫焊接鋼管人字形結構，梁采用格構結構（斷面為三角形），梁柱連接為鉸接。

圖1　鋼管人字柱結構

（2）高強鋼管梁柱結構。梁柱均采用多邊形高強鋼管，鋼材強度等級為Q460。梁柱連接為剛接（如圖2）。

（3）格構式梁柱結構。柱和梁全部采用截面較小的角鋼或鋼管組裝而成。柱為自立式等截面或變截面的四邊形格構式結構，梁采用四邊形斷面的格構式結構，梁柱連接為剛接（如圖3）。

圖2　高強鋼管梁柱結構

圖3　格構式梁柱結構

此外，早期尚有預制混凝土環形桿結構、現澆鋼筋混凝土結構和打拉線結構等。由于工藝落后，可靠性低，已逐步淘汰，故不做更多介紹。

國內500kV及以下電壓等級的變電站中，應用最多的是鋼管人字柱結構和格構式梁柱結構。具備采購加工方便、價格低廉、生產及安裝工藝成熟的特點。高強鋼管梁柱結構為上海維蒙特公司開發推廣（其母公司為美國維蒙特工業公司），由于采用的Q460高強鋼為美國ASTMA572gr65標準，國內只有寶鋼一家生產，同時也只有上海維蒙特一家加工，造成鋼材單價較高，上海以外的地區還需考慮較高的運輸成本，所以采用這種該結構的變電站目前還十分有限。

下文就鋼管人字柱結構和格構式梁柱結構進行空間整體建模計算及比較。在全壽命周期成本管理理念下，選擇較優的結構方案。

3　設計使用條件

3.1工藝布置

本工程電氣采用管母方案，構架工藝布置透視圖如圖4。

3.2荷載效應及組合

3.2.1導線在各工況下的荷載（如表1）

3.2.2結構的風荷載

站址離地10m高統計所得的30年一遇10min平均最大風速20m/s，地面粗糙度B類。換算風壓值為0.25kPa，考慮到220kV變電站的設計使用年限為50年，應按《建筑結構荷載規范》附錄E中提供的50年一遇的風壓采用，且不得小于0.3kPa。所以本工程設計基本風壓取0.30kPa。

3.2.3溫度作用

圖4　220kV配電裝置及避雷針

表1　

按照《變電站建筑結構設計技術規程》（DL/T5457-2012）規定，當兩端設有剛性支撐的連續排架總長超過150m、或連續剛架總長度超過100m時，應考慮溫度效應的影響。本工程構架總長不超過75m，站址所在地極端氣溫-13.4～40.8℃，ΔT=54.2℃，不屬于溫差特別大的地區，故可不考慮溫度作用的影響。

3.2.4地震作用

本工程為Ⅵ度抗震設防，動峰值加速度0.05g。構架屬于大柔度的細長結構，自重輕，抗震性能好。大量工程實踐分析表明，Ⅶ度區500kV及以下等級的構架不受地震作用控制。

3.2.5覆冰荷載

電氣專業導線拉力計算結果中已相應考慮了導線覆冰的工況，結構自身的覆冰按10mm考慮。

3.2.6荷載效應組合

《變電站建筑結構設計技術規程》規定220kV構架結構安全等級應取二級，結構重要性系數γ0=1.0。構架應考慮不同工況下可能產生的最不利受力情況，并考慮遠景可能存在的變化，分別按承載力極限狀態和正常使用極限狀態進行荷載效應組合。

（1）承載力極限狀態荷載效應組合

該組合用于校驗結構構件和連接節點的強度、穩定性。按承載力極限狀態進行組合時，應考慮基本組合和偶然組合兩種情況。本工程管母單獨設置支架，因短路引起的偶然電動力不會對構架產生影響，所以只需考慮荷載效應基本組合。主要包括：

①運行工況a.大風工況：

b.覆冰工況：

②安裝工況：

③檢修工況

式中：Gk——結構自重及其余荷載效應標準值；

Wk——最大風工況下導線的側向風偏荷載以及結構自身風荷載的標準值；

W10k——10m/s風速下導線的側向風偏荷載及結構自身風荷載標準值；

D11k——最大風工況下導線荷載效應標準值；

D12k——覆冰工況下導線荷載效應標準值；

D21k——安裝工況下緊線的導線荷載效應標準值；

D22k——安裝工況下非緊線的導線荷載效應標準值；D31k——單相上人檢修時導線荷載效應標準值。

（2）正常使用極限狀態荷載效應組合

該組合用于校驗結構構件在日常使用中產生的變形、裂縫等。按正常使用極限狀態進行組合時，采用荷載效應標準組合。

安裝或檢修工況：Gk+D22k+W10k

正常使用工況：Gk+D11k+0.5Wk

4　空間模型計算分析

變電站構架的受力特點是以承受水平荷載為主，來自于導線及地線的張力，其次是風力。隨著空間有限元分析計算軟件的普及，設計單位可以對構架進行整體建模，準確計算構架不同部位桿件的內力，細化構件材料，理論上可以做到每根構件的應力都充分使用，為經濟可靠的構架結構設計提供了有力支持。

本工程采用STAADPro空間有限元計算分析軟件，對兩種結構形式分別建模計算。

4.1焊接鋼管結構

4.1.1模型及荷載輸入（如圖5）

鋼管人字柱結構的梁與柱為鉸接，梁不參與柱段間的彎矩分配。為簡化模型輸入，減少桿件數量并加快計算速度，鋼梁按照等重等剛度原則簡化為單根桿件輸入。模型用于分析柱的內力和支座反力，鋼梁則單獨計算。每排人字柱其中一根邊柱設置端撐桿。

圖5　鋼管人字柱結構空間模型

鋼梁的兩端設為鉸接；端撐桿頂部通過銷釘與鋼柱柱頭連接，可自由轉動，設為鉸接；此外帶端撐的構架柱上設置2道橫向支撐，旨在減小端撐桿的計算長度，通常選取截面較小的角鋼作為橫撐，設為鉸接。除以上自定義的約束條件外，所有梁元的連接均默認為剛接。

構架的受力不同于一般的工業及民用建筑。作為通用的有限元分析計算軟件，STAADPro無法自動生成構架荷載，也無法自動進行正確的荷載組合。所有的導線荷載、結構自身風荷載及覆冰荷載、對應各工況下的荷載組合均采用手工輸入的方式。

4.1.2內力計算及后處理

通過結構荷載及組合的計算分析，得出各桿件在不同工況及組合下的內力值，各節點的位移值，各支座的反力。對內力分析結果進行整理統計，承載力極限狀態荷載效應組合下柱段內力控制值如表2。

表2　承載力極限狀態效應組合下控制桿件內力統計

正常使用極限狀態荷載效應組合下各柱頂點位移統計如表3。

表3　正常使用極限狀態效應組合下節點位移統計

分析結果各主要控制節點的位移均滿足規范要求。

4.1.3規范檢驗及選材優化

規范檢驗采用SSDD鋼結構設計與繪圖軟件進行。該軟件可按照《鋼結構設計規范》檢驗桿件在各種受力狀態下的強度、穩定性、變形等。由于構架不同于一般的工業及民用建筑，所以在桿件的某些設計參數，特別是計算長度、截面塑性發展系數等關鍵的參數取值必須人工干預，要對桿件進行歸類，按照《變電站建筑結構設計技術規程》第6章的相關規定，手動設置相應的檢驗參數，并指定到各自類別的桿件中，再由軟件進行驗算。

經檢驗及優化，焊接鋼管結構方案最終選材及耗鋼量統計見表4。

表4　焊接鋼管結構方案主要構件用鋼量統計表

以上重量已考慮了節點板、螺栓等附件的重量。

4.2格構式梁柱結構

4.2.1模型及荷載輸入

圖6　格構式梁柱結構空間模型

該結構中梁柱為剛接連接，鋼梁采用四邊形斷面，跨度為25m，根據工程經驗，其高跨比按1/25左右取值是較為經濟的，本工程鋼梁截面高度取1.0m，寬度同為1.0m。

鋼柱采用變截面的結構可以有效降低用鋼量，提高經濟性。柱頂與鋼梁連接處截面尺寸1.0m×1.0m，寬度同鋼梁寬度，便于梁柱連接。柱腳尺寸以出線構架為代表，比較了2.0m×1.0m，2.5m×1.5m，1.6m×1.0m三種柱腳根開尺寸后，2.0m×1.0m根開尺寸較為經濟，見表5。

表5　根開尺寸及對應的材料規格表

由于格構式梁柱結構的梁柱為剛接。如將鋼梁模擬為單桿簡化輸入，除考慮重量外，還要確保剛度與格構式鋼梁相同，且連接節點在模型上模擬比較困難。如按實際桿件輸入，桿件數量及數據輸入工作量將成倍增加。為使力學分析結果盡可能真實準確，梁柱所有主材、輔材均按實建模，不采用簡化輸入。

在約束條件設置上，柱腳處支座設為鉸接，因為角鋼抗彎性能差，設置為剛接會使主材增加額外的彎矩，不利于角鋼性能的發揮。

4.2.2內力計算及后處理

采用STAADPro進行內力分析，整理統計后，承載力極限狀態荷載效應組合下各類桿件內力控制值如表6。

表6　承載力極限狀態效應組合下桿件內力統計

正常使用極限狀態荷載效應組合下各柱頂點位移統計如表7。

表7　正常使用極限狀態效應組合下節點位移統計

表7中鋼梁平面內及平面外分別指鋼梁豎向和水平方向的撓度。

4.2.3規范檢驗及選材優化

由于格構式梁柱結構構件數量大，連接比較復雜，SSDD鋼結構規范檢驗軟件無法對每根桿件的支撐條件、計算長度等關鍵參數做出正確的判斷，如果手工定義各桿件的規范檢驗參數，再逐根指定到相應的桿件上，數據輸入工作無疑十分巨大，是不太現實的。因此格構式桿塔結構在利用STAAD軟件進行內力計算的基礎上，對相似構件進行統計歸并，并采取手工校核的方式進行檢驗。

經過檢驗分析，對主要由材料強度控制的梁柱主桿，采用強度較高的Q345鋼可降低20％左右的鋼材；而主要受長細比控制的斜桿，采用強度較高的Q345鋼并不能明顯降低用鋼量，所以斜桿采用Q235鋼。

表8　格構式桿塔結構方案主要構件用鋼量統計表

以上統計中，已考慮了節點板、連接件等附件重量。

5　兩方案全壽命周期成本分析

5.1兩方案用鋼量統計對比

從表9統計中可以看出，使用格構式梁柱結構后，通過進一步采用變截面的構架柱、鋼柱主材采用Q345鋼等降低用鋼量的措施，用鋼量可比采用焊接鋼管結構降低了4.85t，約降低8.7％。從當前市場價比較，鋼構件生產加工費用差額約為6.9萬元。

表9　焊接鋼管方案和格構式桿塔方案用鋼量對比

5.2兩方案全壽命周期成本分析

目前變電站建設已經引入全壽命周期成本管理理念。變電站建設投資中不僅要考慮初期的建設投入，還要考慮在整個壽命周期內的支持成本，包括安裝、運行、維修、改造、更新直至報廢的全過程。綜合考慮結構使用年限范圍內的各項成本，從而進行決策。主要計算模型是：

式中：LCC——全壽命周期成本（Life Cycle Cost）；

CI——投入成本，包括采購成本及建設成本（Investment Costs）；

CO——運行成本（Operation Costs）；

CM——維護成本（Maintenance Costs）；

CF——故障成本，亦稱懲罰成本（OutageorFailure Costs）；

CD——廢棄成本（Disposal Costs）。

作為土建設計人員，除了確保結構安全可靠，造價經濟合理外，還必須充分考慮工程的可操作性。設計上通常對尺寸一致且荷載工況比較接近的梁柱作適當歸并，目的就是為了減少梁柱的種類和數量，加快生產施工進度。對單個構件體積較大的結構形式，還應從加工、鍍鋅、運輸及市場采購難易方面考慮，要限制材料最大尺寸，盡量減少材料種類，便于備料、加工、安裝。

經過兩種結構方案的分析對比，除了6.9萬元的制造成本差異外，還應從生產、施工、維護等方面綜合考慮。

筆者統計了兩種結構方案在模型中節點與構件的數量：焊接鋼管結構模型：節點數210；桿件數280。

格構式桿塔結構模型：節點數2660，桿件數7400。

可見兩者的結構構件數量的差異是巨大的。當然，鋼管人字柱結構模型中鋼梁為簡化輸入，一定程度上減少了桿件及節點的數量，但總體仍然比格構式梁柱結構要精簡許多。更多的桿件數量意味著更長的制作加工周期，更長的工地組裝周期。

鋼構架的運行維護成本主要是防腐。經過熱鍍鋅處理后的鋼構件防腐能力大大增強，但在使用年限內仍要定期進行補鋅維護。鋼管人字柱結構比較簡潔，構件少，意味著維護方面成本更低。

相比電氣設備，構架結構在故障成本及廢棄成本占全壽命周期成本的比重相對要少很多。在滿足結構可靠度要求前提下，兩者故障成本可謂相當。在結構的報廢成本上，鋼管人字柱結構較格構式桿塔結構略具優勢。

通常220kV變電站的建設總投資在7000～9000萬元之間，主要是電氣設備的購置、安裝和調試費用。相對于變電站建設的總投資，鋼管人字柱結構雖然物料價格略高于格構式梁柱結構，但在施工工期、運行維護等成本要優于格構式梁柱結構，另外其結構簡潔明快，觀感更好，在本工程中總體更具優勢。

6　結論與建議

經過以上分析比較，筆者認為對常規的220kV變電站構架，在非極端自然條件的地區，從工藝布置、生產加工、安裝條件、日常維護及材料報廢等因素綜合考慮，鋼管人字柱結構方案更為適宜和理性，并作為本工程構架推薦的結構方案。

變電站構架在設計、施工、安裝上還可考慮進一步優化：

（1）對工藝布置、功能、使用工況做分析和類比，結構布局應整齊簡潔。經過細致計算，在降低用鋼量的同時對構件做合理歸并，有效減少構件種類及數量，縮短生產加工周期。

（2）構件宜工廠分段加工，熱鍍鋅防腐，現場螺栓連接。減少或免除現場焊接工作，加快施工進度的同時構件連接的可靠性更有保證。

（3）柱腳可采用螺栓連接。工廠鋼構件生產加工與現場基礎施工養護同步進行，有效縮短建設周期。相比杯口灌漿連接方式，螺栓連接一次性完成構架就位安裝，免去了二次灌漿濕作業及灌漿凝結養護時間，縮短建設工期的同時也符合環保理念。

TM63

A

1673-0038（2015）22-0203-05

2015-5-18

謝忠強（1982-），男，工程師。