雙層雙排8連跨聯合750 kV構架的設計研究

雷曉標，張 咪，張玉明

(1.中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071；2.西北電力設計院有限公司，陜西 西安 710075)

隨著特高壓換流站的大規模建設，±800 kV靈州換流站首次接入750 kV系統，交流濾波器母線構架采用750 kV構架。母線構架是參考以往常規500 kV構架采用鋼管A型柱三角形梁結構還是參考750 kV變電站采用矩形鋼管格構式梁柱結構； 對于聯合母線構架連續8跨共328 m，是按照常規中間設置溫度伸縮縫斷開成4跨+ 4跨布置還是8連跨布置，都需進行計算比較綜合分析，為本站的設計以及后期類似受端換流站的建設提供指導和參考。

1 輸入條件

根據電氣的布置方式，濾波器場750 kV構架采用聯合布置形式，縱向(長向)有8跨連續布置，每跨跨度為41 m，縱向總長為328 m，梁底掛線點高度為32.5 m，地線柱頂標高為48.0 m；橫向(短向)梁與縱向梁垂直布置，跨度為42.0 m，其掛線點高度為44.0 m，地線柱頂標高為60.5 m，縱向梁和橫向梁空間上雙層布置，其高差為11.5 m，柱頂端最長的懸臂長度為16.5 m，詳見圖1。

圖1 透視圖

站址所在地50年一遇10 m高10 min平均最大風速采用26.8 m/s，相應風壓為0.45 kN/m2。每根梁上單側或雙側掛三根導線，導線采用四分裂導線，每根導線在覆冰有風工況下最大拉力為85 kN，在梁上的掛線點有“V”串掛線和單串掛線兩種方式，構架上的導線布置見圖2。

圖2 導線布置圖

2 母線構架結構選型

750 kV母線構架可參考以往工程采用鋼管A型柱三角形梁結構和矩形鋼管格構式梁柱結構。鋼管A型柱三角形梁結構(方案1)：構架柱采用A型普通直縫焊接圓形鋼管；構架梁采用三角形變斷面、鋼管弦桿和角鋼腹桿。矩形鋼管格構式梁柱結構(方案2)：構架柱采用矩形從底向上變斷面的鋼管自立柱，構架梁采用矩形等斷面、鋼管弦桿和鋼管腹桿。兩種結構的桿件端頭和梁柱接頭均采用螺栓連接，柱主材和梁弦桿拼接接頭均采用法蘭連接。兩種結構的計算模型分別見圖3、圖4。

圖3 鋼管A型柱三角形梁結構模型

圖4 矩形鋼管格構式梁柱結構模型

2.1 根開和截面比較

通過空間桿系分析軟件STAAD ProV8i對鋼管A型柱三角形梁結構和矩形鋼管格構式梁柱結構分別建模計算，計算的柱底部根開尺寸、梁截面尺寸和梁柱主材的主要截面大小見表1。

矩形鋼管格構式柱窄面的根開為2.5 m，整個結構縱向長度為330.5 m。采用A型柱三角形梁結構時，由于A型柱平面外的剛度很小，只能靠鋼管自身的慣性矩來抵抗平面外受力，一般采用在端頭A型柱加設端撐(方案1(a))或在縱向中間斷開加設剪刀撐(方案1(b))兩種方案來滿足構架平面外的剛度和位移要求。

表1 柱根開尺寸和梁柱主材截面

(1)A型柱加端撐(方案1(a))

A型柱端撐根開按照《變電站建筑結構設計技術規定》DL/T5457－2012第6.1.7條，一般按柱高的1/5選用，梁掛線點高度為44.0 m，根開即為8.8 m。根據計算，由于風荷載和導線荷載很大，在8跨連續時結構縱向尺寸過長，只在一側加設端撐很難滿足構架高度1/200的位移要求，必須兩個端頭同時加設兩個端撐，見圖3。根據工藝布置梁的跨度可因此由41 m減小2.1 m，考慮到兩側端撐及端撐鋼管外邊緣，則整個結構縱向長度330.3 m，比矩形鋼管格構式梁柱結構共減少了0.55 m。針對此種掛線點較高的結構，由于端撐根開太大，其占地較省的優勢不太明顯。

掛線點在44.0 m和32.5 m的兩榀A型柱根開分別為8.8 m和6.8 m，截面分別為Φ750×14和Φ500×10，同一排柱子根開和截面不太一致影響美觀。

(2) A型柱中間加剪刀撐(方案1(b))

采用在縱向中部加設剪刀撐，見圖5，在縱向中間第四跨邊上增加5 m的距離，將相鄰兩A型柱通過單斜圓鋼管連接起來形成格構式截面，橫膈采用交叉角鋼，同時取消兩端頭的端撐設置。這種形式在一般A型柱結構中比較常用，此種布置也很好的解決了端撐占地大的問題，整個結構縱向長度為317.15 m，減少13.7 m。

因剪刀撐剛度相比A型柱剛度較大，吸收更多的能量，剪刀撐柱截面需Φ950×14才能滿足要求。端部A型柱單側受力，對縱向梁和橫向梁高差11.5 m的懸臂部分極其不利，若在柱頂與下部縱向橫梁之間設置支撐桿，則梁上弦桿需增大至Φ299×10。

圖5 剪刀撐設置

2.2 用鋼量比較

通過采用模型計算用鋼量，并參考以往工程統計的節點板、螺栓和法蘭等附件的占比，矩形鋼管格構式梁柱結構和考慮加端撐、剪刀撐的A型柱三角形梁結構的總用鋼量見表2。

表2 兩種結構形式總用鋼量

表2的結果中，矩形鋼管格構式梁柱結構的總用鋼量要比加端撐A型柱三角形梁結構的多，主要原因就是格構式梁、柱結構的節點板占比較大；加剪刀撐A型柱三角形梁結構的用鋼量比矩形鋼管格構式梁柱結構多，主要是由于端部A型柱受力不利，需加大柱截面或設置支撐桿在梁上加大梁上弦截面。

2.3 其余比較

掛線點在44.0 m和32.5 m的兩榀構架柱，采用矩形格構式柱時，根開可以保持2.5 m不變，通過調整主材和輔材的截面，可以使一排柱子的截面保持一致，比Φ950×14的圓鋼管外觀輕巧美觀。

特高壓換流站內構架受力較大，A型柱構架單根鋼管受力很大，安全富裕度相比格構式構架要小，單鋼管更多受制于工廠加工質量和現場施工質量，其初始缺陷在設計中未必能充分考慮，一旦某根柱鋼管出現問題，極可能出現連續倒塌。

從而，本工程推薦采用矩形鋼管格構式構架結構形式。

3 溫度作用

根據現行行業標準《變電站建筑結構設計技術規定》DL/T5457－2012第4.4.3條，兩端設有剛性支撐、總長超過150 m的連續排架，或總長超過100 m連續剛架，應計算溫度作用效應的影響。

3.1 構架用鋼量比較

整個結構縱向長度為330.85 m，遠超過行業標準設置伸縮縫的長度限制。根據常規布置一般在結構中間斷開，將8連跨改為4跨+4跨的布置形式。根據插入式基礎杯口大小和柱根開尺寸，一般在中間設置5 m的距離。通過對兩種布置形式和兩種結構形式分別建模計算分析，其結構總用鋼量見下表3。

表3 8連跨和4跨+4跨布置用鋼量比較

通過上表看出，采用4跨+4跨的布置形式確實能節省3%的用鋼量，但是節省的用鋼量相比其縱向長度加大5 m來說，其占地和工藝指標不具備優勢。

3.2 溫度作用對構架內力影響

將4跨+4跨和8連跨布置的結構分別按照純溫度作用、溫度作用+風荷載和溫度作用+風荷載+導線拉力三種荷載工況進行計算，對A型柱加端撐三角形梁結構(方案1(a))、A型柱中間加剪刀撐三角形梁結構(方案1(b))和矩形鋼管格構式梁柱結構(方案2)三種結構型式分別比較分析如下。

(1)溫度作用對方案1(a)和方案1(b)的影響

三種工況下兩種布置形式的A型柱和三角形梁桿端最大內力的變化情況詳見表4、表5。

表4 溫度作用對三角形梁的影響

表5 溫度作用對A型柱的影響

從表格及相應模型得知，當只有溫度作用時，因三角形梁與柱僅下弦鉸接連接，構架長度增大1倍，構架梁端最大內力變化幅度不大，柱端最大內力增大數倍。但當同時承受溫度作用+大風荷載或同時承受溫度作用+大風荷載+導線荷載時，構架長度增大1倍，構架梁端最大內力變化幅度仍然不大，柱端最大內力增大倍數反而減小，說明構架受較大風荷載和導線荷載后溫度作用不起絕對控制作用。

采用剪刀撐方案1(b)后柱端最大內力顯著加大，且中間剪刀撐部位柱桿件受力最大，其余柱承擔的內力相反減小，主要原因是雙A型柱組成的剪刀撐剛度相比太大，不如端撐方案1(a)整個結構受力均勻。

(2)溫度作用對矩形鋼管格構式梁柱結構(方案2)的影響。

三種工況下兩種布置形式的格構式構架梁柱桿端最大內力的變化情況詳見表6、表7。

表6 溫度作用對格構式梁的影響

表7 溫度作用對格構式柱的影響

從上述表來看，當格構式構架只有溫度作用時，構架長度增大1倍，構架梁柱的端部最大內力基本增大1倍。溫度作用的內力跟構架長度基本呈線性增大的關系，且比A型柱三角形梁結構的柱子受力更為均勻，不是集中在某個端撐或剪刀撐部位。

當格構式構架同時承受溫度作用+大風荷載時，構架長度增大1倍，梁柱的端部最大內力呈現了與A型柱三角形梁結構相同的規律，且同時承受溫度作用+大風荷載+導線荷載時，構架長度增大1倍，構架梁、柱的端部最大內力增幅更小。

從以上看來，當溫度作用、大風荷載和導線荷載三者同時存在時，溫度作用并不再隨縱向長度加長而線性增長。在4跨+4跨中的構件截面在8連跨中大部分仍然可以應用。構架計算中所有起控制因素的大部分是承受溫度作用+大風荷載+導線荷載工況，在導線荷載和大風荷載足夠大時，4連跨縱向長度為164 m超過限制64 m和8連跨縱向長度超過限制224 m的結果差別不是特別明顯。

同時，相比A型柱端撐方案和剪刀撐方案，格構式構架剛度分布更均勻、受力更合理，采用8連跨不用在中間加設伸縮縫，可以節省一列柱子，節省5 m寬度范圍占地。所以，最終推薦采用8連跨布置的格構式構架結構形式。

4 構架腹桿布置優化

換流站交流濾波器場母線構架最終首次采用空間雙排雙層8連跨聯合的布置形式，構架梁柱均采用矩形斷面鋼管格構式結構。常規矩形格構式梁柱兩個對立平行面的斜腹桿交叉布置，空間上使兩根斜腹桿一根受拉一根受壓。考慮母線構架雙側對稱受導線水平拉力能自平衡、門型構架受扭轉影響較小的特點，將矩形格構式梁柱兩個對立平行面的斜腹桿平行布置，同時將矩形格構式梁柱單個面的斜腹桿由“之”字形布置改為平行布置，使750 kV構架的節點種類減少一半，透視感更強，外面立面更美觀簡潔，見圖6。

圖6 構架柱斜腹桿布置

5 結論

換流站內交流濾波器母線構架縱向總長328 m、橫向總長41.5 m，采用空間雙排雙層8連跨的矩形鋼管格構式聯合構架，其結構形式安全合理。優化后的構架外面立面美觀簡潔。對提高變電構架的設計水平有重要的促進作用。