德爾西水電站開關站出線架結構設計與分析

黃 佳，尹小剛，許戰軍

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

1 工程概況

德爾西(Delsi)水電站位于厄瓜多爾Zamora Chinchipe省Zamora河上，流域面積1 105 km2，多年平均流量44.5 m3/s。電站為引水式電站，開發任務為發電，庫容42萬m3，可利用庫容27萬m3。電站裝機容量180 MW，多年平均發電量12.18億kWh。安裝3臺沖擊式水輪發電機組，單機容量60 MW，額定水頭495 m[1-2]。

樞紐建筑物主要由首部樞紐、電站進水口、沉沙池、引水隧洞、調壓井、壓力鋼管和地面廠房、開關站組成。德爾西水電站開關站采用戶外布置方式，布置在廠區右側，地面高程965.00 m、面積為37 m×73 m，開關站內布置有138 kV GIS和出線設備[1-2]。

開關站出線架為鋼桁架結構，由4跨組成，跨度為4×12 m、高20 m，其體型布置見圖1、2。

2 結構設計基本參數

根據《水電站壓力鋼管設計規范》[3]及《110 kV～750 kV架空輸電線路設計標準》[4]選用Q345鋼材，鋼材特性見表1。對開關站出線架進行設計，計算工況及荷載組合見表2，出線荷載取值見表3。

表1 鋼材特性表

表2 計算工況與荷載組合表

表3 最大出線荷載表

圖1 開關站出線架平面布置圖 單位：mm

圖2 開關站出線架正視圖 單位：mm

3 結構分析

3.1 結構分析模型

開關站出線架布置見圖1、2，建立開關站出線架三維分析模型，見圖3。

3.2 內力計算結果

德爾西水電站設計采用美國規范AISC-Load And Resistance Factor Design Specification For Structural Steel Buildings[5](以下簡稱“AISC-LRFD”)，經計算，開關站出線架各桿件控制內力見表4。

根據美國規范“AISC-LRFD”穩定計算公式(詳見4.2節)，考慮抗力分項系數后，材料屈服強度取345 N/mm2，分析并選取滿足要求的各桿件截面參數見表5。

表4 出線架各桿件控制內力表

表5 斷面選擇表

圖3 開關站出線架sap2000計算模型圖

4 結構穩定性評價

針對開關站出線架設計，分別采用中國規范、美國規范進行設計，并對中美鋼結構設計規范中強度計算公式進行比較分析[6-7]。

4.1 中國規范

根據中國規范《架空送電線路桿塔結構設計技術規定》[8]及《鋼結構設計規范[9]，計算公式如下。

(1) 軸心受力構件

(1)

式中：σ為正應力，N/m2；N為軸心拉力或軸心壓力設計值，N；An為構件凈截面面積,m2；m為構件強度折減系數，依據規范取值；f為鋼材的強度設計值, N/m2；

(2) 壓彎構件

(2)

式中：M為彎矩設計值,N.m；N為軸心壓力設計值,N；A為構件毛截面面積，m2；W為截面抵抗矩，m3；φ為軸心受壓構件穩定系數，依據規范取值；f為鋼材的強度設計值，N/m2；

采用中國規范進行穩定分析，開關站出線架各桿件的斷面選擇見表6。

4.2 美國規范

根據美國規范“AISC-LRFD”，計算公式如下。

(1) 受拉構件

受拉構件的設計強度φtPn，取毛截面屈服強度和凈截面抗拉強度2種計算結果的較小值。

表6 斷面選擇表

1) 毛截面屈服強度

φt=0.9

Pn=FyAg

2) 凈截面抗拉強度

φt=0.75

Pn=FuAe

式中：Fy為鋼材屈服強度，N/m2；Fu為鋼材抗拉強度，N/m2；Ag為構件毛截面面積，m2；Ae為構件凈截面面積，m2。

(2) 受壓構件

受壓構件的設計強度φcPn，計算式如下：

φc=0.85

Pn=AgFcr

1) 當λc≤1.5時

2) 當λc>1.5時

式中：Fcr為臨界應力，N/m2；Ag為構件毛截面面積，m2；Fy為鋼材屈服強度，N/m2；λc為構件長細比；Pn為標稱軸向強度，N。

構件毛截面面積，m2；Fy為鋼材屈服強度，N/m2；

(3) 受彎構件

對于T形截面和角鋼，抗彎設計強度為φbMn,計算式如下：

φb=0.9

式中：E為鋼材的彈性模量，N/m2；Iy為繞y軸的截面慣性矩，m4；G為鋼材的剪切模量，N/m2；J為截面的極慣性矩，m4；Mn≤1.5My時，為拉桿，B取正值；Mn≤1.0My時，為壓桿，B取負值。

采用美國規范進行穩定分析，開關站出線架各桿件的斷面選擇見表7。

表7 斷面選擇表

4.3 差異性分析

(1) 受拉構件，美國規范“AISC-LRFD”取毛截面屈服強度和凈截面抗拉強度2種計算結果的較小值；而中國規范《架空送電線路桿塔結構設計技術規定》則按凈截面屈服強度進行計算，中國規范計算結果偏于安全[10-16]。

(2) 壓彎構件，中國規范主要是依據邊緣纖維屈服準則并考慮壓彎構件二階效應[10]，即以截面應力最大的邊緣開始屈服的臨界荷載作為壓彎構件的穩定承載力；而美國規范采用含折減系數的實用公式進行驗算。

(3) 受壓構件的穩定計算方面，中國規范對構件的長細比和寬厚比按2個系數分別計算，長細比的大小影響穩定系數，寬厚比的大小影響折減系數；美國規范對計算寬厚比超過限定值的構件要進行強度修正[15]。

(4) 荷載組合系數上，美國規范“AISC-LRFD”通常取恒載1.2、活載1.6；中國規范通常取恒載1.2、活載1.4(可變荷載控制)[13]。

(5) 材料設計強度方面，美國規范“AISC-LRFD”采用材料的名義屈服強度值；中國規范采用材料強度設計值，即材料強度標準值除以分項系數[12]。

5 結 語

本文采用美國鋼結構規范“AISC-LRFD”對德爾西水電站開關站出線架進行了設計，并對中美規范關于鋼結構出線架的計算公式進行了比較與分析。由于中美鋼結構規范都結合了各自的國情與設計習慣，二者在設計理論和計算方法上存在較大差異。

參考文獻:

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