220kV變電站構架結構優(yōu)化選型

摘 要：筆者以山東地區(qū)變電構架設計的模型分析、概念分析以及工程經(jīng)驗、運行反饋意見為依托，經(jīng)過對比論述常用的幾種結構型式的優(yōu)缺點，以及適用的范圍，總結出220kV變電站構架的結構形式、選材優(yōu)化設計方案。

關鍵詞：構架；結構；節(jié)點；鋼管

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.141

1 構架柱選型

1.1 等截面普通鋼管結構

構架柱采用普通鋼管，柱桿段之間連接采用焊接連接。圓形鋼管截面特性好，受力合理，局部受壓及抗扭特性較好，特別適合人字柱這種剛性受力模型。對于直徑較大的鋼管，一般采用螺旋焊縫圓形鋼管或直縫焊接圓形鋼管。直縫焊接圓形鋼管由于可以任意取材，斷面也不受規(guī)格限制，故較螺旋焊縫圓形鋼管節(jié)省鋼材，且焊接工作量小，外形較螺旋焊縫圓形鋼管美觀，所以直縫焊接圓形鋼管較螺旋焊縫圓形鋼管的應用更為廣泛，此種結構為排架式結構，需設斜撐，受力明確，是目前220kV 構架應用最為廣泛也是最成熟的一種結構型式。

1.2 薄壁離心鋼管混凝土結構

薄壁離心鋼管混凝土構架柱，通常情況下鋼管內襯3.5cm厚的離心混凝土，混凝土處于三向應力狀態(tài)，較大地提高了柱壓彎受力的承載能力，并提高了人字柱的整體剛度。但柱拼接接頭采用內插法焊接連接，加工制作及現(xiàn)場安裝較普通鋼管結構困難，且結構自重大（比鋼管結構增加重量20%～40%），增加了運輸和安裝的難度。工程經(jīng)驗表明，其在運輸和吊裝過程中易發(fā)生管內混凝土脫落的現(xiàn)象，現(xiàn)場吊裝焊接時，易發(fā)生上下兩段柱不同軸，存在初始偏心。其整體用鋼量較普通鋼管結構節(jié)省，但綜合造價二者持平甚至高出普通鋼管結構。

1.3 等截面或變截面高強度多邊形鋼管結構

結構由高強度多邊形鋼管構架柱和單桿式高強度多邊形鋼管鋼梁組成，梁柱采用剛接，縱向可不設置端撐。該結構的特點是：鋼材屈服強度高，達到450MPa，桿件重量輕，由于微量元素控制嚴格，熱浸鍍鋅質量將得到永久保證，外觀好，免維護。該結構雖然用鋼量少，但生產(chǎn)廠家很少，運輸成本高，單價也高，總體造價仍高于普通鋼管結構。尤其是在220kV變電工程中，高強鋼難以發(fā)揮其強度優(yōu)勢，反而由于截面小，會使構件的穩(wěn)定性更為突出，因此進一步制約了其強度的充分利用，從這一方面來說也不夠經(jīng)濟。經(jīng)過比較，等截面普通焊接鋼管結構由于設計、施工技術成熟，綜合造價較優(yōu)，適合在常規(guī)工程中廣泛采用。

2 構架梁選型

2.1 單鋼管梁

受力模型上看：單鋼管梁適合與柱剛接形成門型鋼架，為了控制截面和穩(wěn)定，一般梁柱皆采用高強鋼管，其優(yōu)點是整體效果清晰美觀，減小構件和組裝工作量，縱向可不設置端撐，從而可以在某些情況下節(jié)省占地。但該結構對節(jié)點安裝要求較高，由于材料單價高，經(jīng)過我們在變電站工程中實際應用和對比分析，其綜合造價也高出普通桁架鋼梁30%以上，尤其是跨度和荷載較大時，用鋼量和結構自重成倍增加，更加不經(jīng)濟。

2.2 桁架式梁

格構式鋼梁適合與柱鉸接組成排架結構，材料則選用普通鋼管、角鋼，縱向需設置端撐。較單鋼管梁而言，其質量分布在構件截面的周圍，桿件受力更合理，尤其是對于構架梁，其承受的掛線荷載和懸吊荷載均為典型的集中力點式分布，能充分利用桁架力學性能優(yōu)勢，利用STAAD/CHINA空間桿系分析計算，更能節(jié)省鋼材量。而跨度和荷載較大時，桁架梁可以設計成變截面，以節(jié)省鋼材，這種靈活性也是高強鋼管無法比擬的。從變電構架的電氣掛線、安裝、檢修的荷載隨機性考慮，工程經(jīng)驗表明，常用的單跨梁簡支構造安裝形式，節(jié)省鋼材，節(jié)點構造簡單，施工安裝方便，因此得到廣泛使用。而格構式鋼梁又分為矩形截面和三角形截面，矩形斷面更適合于角鋼構架柱的固結，而普遍采用的A字形鋼管柱則適合采用三角形斷面格構式鋼梁。并且荷載相對較小時，采用三角形斷面受力分工明確，更節(jié)省鋼材。

三角形斷面有正三角形和倒三角形兩種型式，考慮到安裝使用和梁上行人的方便，跨度大、斷面尺寸較大的梁按正三角形布置。

3 節(jié)點選型

3.1 主材拼接節(jié)點

柱節(jié)點的連接方式有焊接連接、剛性法蘭連接、柔性法蘭連接等方式。焊接連接外形美觀，且工廠加工方便。而法蘭連接可以避免現(xiàn)場焊接質量不易保證的情況，但多個變電站實際投運數(shù)年后，均發(fā)現(xiàn)構架法蘭連接會導致鋼管內滲入雨水，導致內部腐蝕和凍脹，對柱形成破壞，較難處理。而從造價上看，焊接由于取消了法蘭，節(jié)省了鋼材量，一般焊接較法蘭連接節(jié)省鋼材5%。針對桁架式鋼梁而言，由于其構件截面小，且為整體拼裝后吊裝，其節(jié)點可用螺栓連接，主材多采用鋼管，故其連接宜采用剛性法蘭連接，斜材多為角鋼，宜采用螺栓連接。

3.2 梁柱節(jié)點

梁柱節(jié)點主要有剛接和鉸接兩種。從受力模型分析，前者用于門型鋼架，而后者適用于排架結構。高強鋼管結構采用的剛性法蘭用鋼量高，加工安裝要求精度高，且常產(chǎn)生初始應力；而桁架式鋼梁與柱通過螺栓連接，螺栓孔可采用長孔，在受力時允許一定形變，減小節(jié)點應力，可充分模擬鉸接，受力明確，提高了結構安全性能，因此而廣泛采用，也是目前最為成熟的節(jié)點連接方式。

3.3 柱腳節(jié)點

針對構架基礎的受力形式，剛性連接除了可以傳遞豎向和水平荷載外，還需傳遞彎矩，因此，其柱腳適宜采用剛性固定柱腳。常采用的有杯口基礎插入式柱腳和露出式柱腳。插入式柱腳由于基礎施工簡便，安裝精度易于控制，受力合理，應用最為廣泛，也最為成熟。

露出式柱腳采用地腳螺栓連接，這種連接方式特點是能夠加快施工周期，但施工加工精度要求較高，后期維護工作量大。

從設計角度進一步分析，采用杯口插入式基礎能使基礎和柱腳深埋地下，這樣既有利于避免與電纜溝、構支架基礎等鄰近構筑物相碰，又可節(jié)約基礎鋼筋混凝土量，最為經(jīng)濟合理。

4 結論

經(jīng)過分析比較，常規(guī)220kV變電站構架設計宜優(yōu)先采用以下方案：人字柱采用等截面普通焊接鋼管結構，正三角形斷面格構式鋼梁，梁主材節(jié)點宜采用剛性法蘭連接，斜材宜采用螺栓連接，梁柱節(jié)點宜采用螺栓連接，柱腳宜采用杯口基礎插入式。

作者簡介 ：高文超（1984-），男，山東濟寧人，本科，研究方向：建筑結構。