特高壓變電構架風荷載設計分析

唐浩 張智博 向本軍 張裕己 王程 張杰

1.黑龍江大學建筑工程學院，中國·黑龍江 哈爾濱 150086

2.黑龍江大學水利電力學院，中國·黑龍江 哈爾濱 150086

1 引言

特高壓變電構架高效、安全運行可促進電力資源有效分配，但此類結構對風荷載十分敏感，強風作用下會導致構件或整體結構破壞，其風荷載動力特性及力學特點的研究具有十分重要的工程實踐意義。

基于此，專家學者對特高壓變電構架結構風荷載進行了一系列研究。在中國，王炎銘、路煥軍和原遷[1-3]采用諧波疊加法獲得風荷載時程，并將其加載到輸電塔有限元模型進行風振響應分析，得到了位移時程曲線。李方慧、王昊陽和趙杰[4-6]通過風洞試驗對1000kV特高壓變電構架氣動力系數、體型系數等風荷載特性進行研究。王振華[7]將中國和其他國家相關規范與風洞試驗結果進行對比，分析體型系數和角度風荷載系數的差異。在國際上，He Bo[8]考慮特高壓塔線耦合體系整體和動態荷載，分析塔線體系穩定性和風致響應。Kouchami-Sardo[9]利用現場性分析和風洞試驗制定輸電塔風蝕的風險順序和漏洞風險評估標準函數。Fengli Yang[10]對500kV鋼管角鋼輸電塔進行風洞試驗，計算結構的阻力系數，橫風向和順風向風振系數，并通過非線性擬合分析確定偏風荷載系數。

上述研究對特高壓變電構架的靜力分析涉及較少，論文為了考察風荷載作用下1000kV特高壓變電構架的自振特性及靜力特性，采用3D3S軟件計算風荷載作用下結構自振頻率、自振周期、最不利桿件內力、最大節點位移及最不利支座反力，并根據相關規范對結構構件的強度、整體穩定性、抗剪性能及長細比進行驗算，以此提高結構安全性。

2 工程概況

論文基于中國濰坊某特高壓變電站項目分析特高壓變電構架結構的風荷載。變電構架為圓鋼管格構式塔，寬49m，高70m，圖1為結構簡圖。結構設計安全等級為一級，設計使用年限為50年，結構重要性系數為1.1，圓鋼管均采用Q345鋼材，彈性模量為2.06×105N/mm2，泊松比為0.30，線膨脹系數為1.20×10-5，質量密度為7850kg/m3。

圖1 特高壓變電構架簡圖

3 動力特性分析

論文采用3D3S軟件分析結構自振特性，分別從自振周期、振型以及各振型質量參與系數等方面展開研究。圖2為結構的前4階振型圖，分析可知，第1階振型為縱向平動，第2階振型為橫向平動，第3階振型為縱向前后擺動，第4階振型為橫向彎曲擺動。

圖2 特高壓變電構架前4階振型

結構的前8階自振特性如表1所示，結構前4階振型自振周期分別為1.03s、0.86s、0.68s和0.35s，前8階振型中，X方向的質量參與系數為84.27%，Y方向為80.46%，Z方向為30.80%，X和Y向質量參與系數分別為Z向的2.71倍和2.61倍，在設計時應注意X和Y方向的振動特性。

表1 特高壓變電構架前8階自振特性

4.靜力分析

4.1 荷載施加

論文對結構僅施加結構自重（恒載）及風荷載，考察結構在風荷載作用下的靜力位移、支反力及內力。結構自重荷載由鋼材密度與結構尺寸獲得，風荷載基于荷載規范體型系數和風振系數施加，其中，基本風壓取0.55N/m2，地貌粗糙度為B類，風壓高度變化修正系數取1.0，計算阻尼比為0.02。荷載組合如表2所示，導荷方式為雙向導荷到節點。

表2 荷載組合

4.2 內力分析

由于構架為格構式塔架結構，本節重點分析軸力最大和最小前5個桿件內力情況。圖3和圖4分別為構架桿件按最大和最小軸力分布，兩類桿件均分布在塔架支座部分和橫梁中間位置，但由于塔架在風荷載作用下一側受拉一側受壓，最大和最小軸力桿件關于Z向對稱，這符合特高壓變電結構的力學特點。

圖3 桿件單元按最大軸力分布(N)

圖4 桿件單元按最小軸力分布(N)

軸力最大（受拉）前5個軸力最大桿件軸力范圍為2713.5～4477.4N，桿件內力跨度較大，變化較快。軸力最?。ㄊ軌海┑那?個單元的內力如表3所示，前5個桿件的軸力范圍為-5880.1～3717.7N，受壓桿件內力較大設計時需增加截面尺寸。最大和最小軸力5個桿件分別在荷載組合3和荷載組合2工況出現。由上述分析可知，對特高壓變電構架結構而言，受壓桿件的安全性相對受拉桿件更重要。

表3 軸力最小的前5個單元的內力[N/(N?m)]

4.3 位移分析

基于構架結構節點位移考察結構在風荷載下的變形情況，圖5為結構最大正位移分布，最大正位移185.5mm在塔頂位置，表4為結構前5個Uxyz最大節點位移表，位移范圍為178.5～185.5mm，最大位移節點均在塔頂部分。結構最大負位移如圖6所示，最大負位移即為節點受壓最大變形，發生在結構橫梁中間部分，分析可知結構最大負位移為-34.6mm。

表4 結構前5個Uxyz最大的節點位移表（mm）

圖5 結構最大正位移Uxyz(mm)

圖6 結構最大負位移Uxyz(mm)

4.4 支座反力分析

風荷載下結構支反力分析為構架結構基礎及節點設計提供依據，支座節點均為剛接節點，支座節點號依次為61、78、94、98、207、224、238和242。表5為各效應組合下最大支座反力設計值，最大支反力為5947.3N，最大彎矩為301.5N?m，分析可知，支反力以軸力為主且Z軸最大，彎矩以Y軸彎矩最大。

表5 各效應組合下最大支座反力設計值[N/(N?m)]

5 結果檢驗

通過計算結構規范驗算判斷構件安全及識別結構危險位置，并能對結構進行優化。本節按照《空間網格結構技術規程》[11]標準對構件強度、穩定性、及長細比等進行驗算。結果表明，結構滿足承載力計算要求，最大應力比為0.79，圖7為結構應力比分布。

圖7 桿件應力比分布圖

圖8為按強度應力比驗算結果，強度應力比前5個最大桿件如表6所示，最大桿件為505號，應力比為0.774，繞3軸整體穩定系數為0.789，繞2軸和3軸長細比均為30。按強度應力比驗算最大的4個桿件應力比分別為0.774、0.600、0.590和0.529，均小于0.8，強度富余較大。圖9為繞3軸整體穩定驗算結果，結構繞3軸整體穩定系數最大的桿件也是505號，說明此桿件為結構最危險桿件，結合所有驗算結果可知，結構危險桿件還有52號、493號、506號。另外需要注意617號桿件長細比達到58。

表6 強度應力比最大的前5個單元的驗算結果

圖8 按強度應力比驗算結果

圖9 按繞3軸應力比驗算結果

6 結論

論文通過3D3S軟件獲得風荷載作用下結構自振頻率、自振周期、最不利桿件內力、最大節點位移及最不利支座反力，并根據規范標準對構件的強度、穩定性及長細比進行驗算，獲得如下結論：

①特高壓變電構架結構前8階振型中，X方向的質量參與系數為84.27%，Y方向為80.46%，Z方向為30.80%，且前2階振型分別為結構縱向平動和橫向平動。

②構架結構最大和最小軸力前5個單元主要分布在塔架支座部分和橫梁中間位置。軸力最大和最小的前5個桿件分別出現在荷載組合3和荷載組合2工況。

③在變電構架塔頂位置出現結構最大正位移185.5mm，橫梁中間部分，結構出現最大負位移-34.6mm。

④構架結構最大支座反力為5947.3N，最大彎矩為301.5N?m，各支座節點反力主要以Z向軸力為主，彎矩主要以Y軸彎矩為主。

⑤結構驗算滿足承載力計算要求，最大應力比為0.79，結構較危險桿件為52號、493號、505號、506號及617號桿件。