基于三維技術的500 kV風帆式出線聯合構架研究

周鵬

（中國電建集團江西省電力設計院有限公司，江西 南昌 330096）

0 引言

利用GIS電氣設備導管可以隨意引接、靈活布置的特點，通過將門型出線構架設置成二層出線梁，出線A、B、C三相垂直布置，二層梁的高度設置為24 m、37 m高度；二層梁水平間距離按11.5 m控制。這樣，由GIS出線套管引出的A、B、C三相滿足電氣距離要求。該結構以外形似風帆而命名為“風帆聯合式”出線構架。針對現有構架形式并結合風帆式聯合出線構架的自身特點，分別從桿件受力的合理性、工程可靠性、廠家加工便利性、現場施工的可實現及經濟性方面進行比較，結果表明等截面鋼管結構構架及格構式構架滿足風帆式聯合出線構架要求。由于GIS長度尺寸遠大于寬度尺寸，格構式構架需要采用增大自立柱主材規格手段提高整體構架在弱軸方向的側移剛度。導致須采用全鋼管格構式體系來作為構架的承載構件，在用鋼量方面全鋼管格構式較等截面鋼管結構構架并無特別明顯的優勢，而且須增加500 kV配電裝置場區面積，造成總平面布置不協調。因此，推薦風帆式出線構架采用等截面鋼管結構。同時采用三維技術建立了構架的信息化模型，同時將三維設計技術用于鋼結構詳圖設計和制造環節，實現了全數字的設計、加工一體化流程[1-2]。提高了工作效率，改進了制造質量。實現構架施工過程的虛擬化模擬。

1 500 kV配電裝置場地布置

某南昌地區工程500 kV采用GIS布置，通過將門型出線構架設置成二層出線梁，出線A、B、C三相垂直布置，二層梁的高度設置為24 m、37 m高度，二層梁水平間距離按11.5 m控制。如圖1所示。

圖1 變電站設計工序圖

2 配電裝置構架結構的設計依據及設計原則

2.1 構架設計荷載資料

1）導線荷載

導線荷載設計詳見表1。

表1 500 kV出線側導、地線控制張力

2）風荷載

文獻[3]規定，垂直于風向的結構風壓應參與組合，取其對結構的最不利者進行設計。這時的結構風壓應該是對應工況的風速產生的。根據當地氣象條件，本工程設計基本風壓確定為0.45 kN/m2。

3）溫度荷載

文獻[3]規定，兩端設有剛性支撐、總長度超過150 m的連續排架，或總長超過100 m的連續鋼架，應計算溫度作用效應的影響，可按在夏季或冬季允許露天作業的氣溫條件下安裝，在最大風溫度環境條件下運行，此時計算溫度差可取：Δt=±35℃。本工程的500 kV構架連續長度為112 m＜150 m，且構架與構架之間為鉸接，因此不需考慮溫度荷載的影響。

4）地震作用（新地震規范南昌的加速度）

據《中國地震動峰值加速度區劃圖》（1∶400萬）及《江西省地震動參數區劃工作用圖》（1∶75萬）站址所處區域一般場地條件下50年超越概率10%的設計地震動峰值加速度小于0.05 g，對應地震基本烈度小于6度，設計地震分組為第一組。根據新頒的《中國地震動參數區劃圖》（GB18306—2015）從2016.06.01一般場地條件下50年超越概率10%的地震動峰值加速度為0.05 g，地震基本烈度為6度。采用振型反應譜分解法計算。

5）荷載效應組合

變電構架設計應根據使用過程中在結構上可能同時出線的荷載，按承載能力極限狀態和正常使用極限狀態分別進行荷載組合，并應根據各自的最不利的荷載效應組合進行設計。承載能力極限狀態組合用于導致結構破壞的構件和連接強度、穩定的計算，正常使用極限狀態組合用于影響結構正常使用好耐久性的如構件的變形、裂縫等計算。變電構架應根據電氣布置、不同的工作情況下可能產生的最不利受力情況，并考慮到遠期發展可能產生的變化，分別按終端構架和中間構架進行設計，一般不考慮斷線的條件。

構架的設計應考慮下列兩種極限狀態：

（1）承載能力極限狀態采用荷載效應的基本組合（即只考慮永久荷載和可變荷載的組合，不考慮偶然荷載參與組合）時，其設計表達式取下列各式的最不利者[4]：

a.由可變荷載效應控制的組合：

b.由永久荷載效應控制的組合：

（2）正常使用極限狀態，應根據不同的設計要求，采用荷載的標準組合、頻遇組合或準永久組合。并應按下列設計表達式進行設計：

a.荷載標準組合的效應設計值：

b.荷載頻遇組合的效應設計值：

c.荷載準永久組合的效應設計值：

文獻[3]規定：構架應按不同的工況分別進行組合，并取其對構件的最不利者進行設計。各種工況下荷載的分項系數見表2。

表2 導線荷載的分項系數表

承載能力極限狀態荷載效應的基本組合如下，其中（Gk：恒載；D11k：導線荷載；Wk：風荷載；）：

1）1.2Gk+1.3D11k+1.4Wk

2）1.2Gk+1.2D21k+1.2D22k+1.4Wk

3）1.2Gk+1.2D32k+1.2D22k+1.4Wk

正常使用極限狀態荷載效應的基本組合如下：

1）Gk+D22k+Wk

2）Gk+D11k+0.5Wk

2.2 構架選型及材料選用對比分析

1）構架選型分析[5]

分別對等截面普通鋼管構架、格構式構架及變截面高強度鋼管構架進行了優缺點對比。由于500 kV出線間隔總寬度范圍內只能放置2基終端塔，因此須采用同塔四回的模式出線，為滿足每個四回路中間2回導線上終端塔偏角及對構架的安全距離在合理值范圍內，當構架柱采用?500 mm的等截面鋼管時GIS出線點與構架的距離定為6.0 m。因此采用等截面鋼管結構構架時，2回出線共用一個出線間隔，寬度為28 m，總間隔長度為112 m。如圖2所示。

圖2 等截面鋼管構架間隔尺寸圖

根據以往工程經驗，若采用全鋼管格構式構架，其格構式構架柱的寬度尺寸最少需要2.0 m×2.0 m，為滿足每個四回路中間2回導線上終端塔偏角及對構架的安全距離在合理值范圍內，中間2回GIS出線點與構架的距離須調整為7.0 m，即間隔寬度尺寸調整為29 m，即500 kV總間隔長度為116 m。且由于GIS長度尺寸遠大于寬度尺寸，這就需要采用增大自立柱主材規格手段提高整體構架在弱軸方向的側移剛度。這就需要采用全鋼管格構式體系來作為構架的承載構件，因此，在用鋼量方面全鋼管格構式較等截面鋼管結構構架并無特別明顯的優勢，而且須增加500 kV配電裝置場區面積，造成總平面不協調。如圖3所示。

圖3 全鋼管格構式構架間隔尺寸圖

綜上所示，本工程構架方案采用等截面普通鋼管結構構架。

2）構架模型

構架為空間聯合形式，間隔寬度為28 m，總長112 m，總高渡37 m[6]。采取雙層梁布置形式，第一層梁高24 m，第二層梁高37 m。構架柱由兩高度不同的鋼管柱支撐，中間聯合布置橫撐和斜撐，兩端設置端撐。利用A型柱受力特點，將短柱與斜撐布置成一定斜率的A型柱，在以主要承受平面內導線拉力的構架設計中，增加了平面內剛度和穩定，受力合理。風帆式聯合構架的基本結構單元為鋼管柱和鋼管格構式三角梁，兩豎向主柱為等截面鋼管柱，如圖4所示。

圖4 風帆式構架模型

3 基于三維結構信息化模型的鋼結構設計加工一體化

分析計算模型的桿系結構可直接導入到生成繪圖模型，節點采用參數化輸入，自動生成，十分簡單方便。可以快速的建立完整的三維構架模型，并生成精確的加工圖模型（如圖5、圖6）。

圖5 構架柱及節點模型

圖6 構架梁及節點模型

將結構信息模型用于鋼結構詳圖設計和制造環節，這樣便實現了全數字的設計、加工一體化流程。重復利用設計模型不但提高了工作效率（省去了用于創建制造模型的時間），而且改進了制造質量（消除了設計模型與制造模型相互矛盾的現象）。此外，鋼結構詳圖設計和制造軟件中使用的信息是基于高度精確、協調、一致的結構信息模型的數字設計數據，這些數據完全值得在相關的類似活動中共享。

將設計模型直接用于制造環節還可以在制造與設計之間形成一種自然的反饋循環，即在建筑設計流程中提前考慮制造方面的問題。制造共享設計模型有助于縮短加工周期，便于制造根據設計要求的鋼材用量進行加工并供貨。鋼結構與其它建筑構件之間的協調也有助于減少現場發生的問題，降低不斷上升的鋼結構安裝成本。

4 結語

針對現有構架形式并結合風帆式聯合出線構架的自身特點，分別從桿件受力的合理性、工程可靠性、廠家加工便利性、現場施工的可實現及經濟性方面進行比較，結果表明等截面鋼管結構構架及格構式構架滿足風帆式聯合出線構架要求。由于GIS長度尺寸遠大于寬度尺寸，格構式構架需要采用增大自立柱主材規格手段提高整體構架在弱軸方向的側移剛度。導致須采用全鋼管格構式體系來作為構架的承載構件，在用鋼量方面全鋼管格構式較等截面鋼管結構構架并無特別明顯的優勢，而且須增加500 kV配電裝置場區面積，造成總平面布置不協調。因此，推薦風帆式出線構架采用等截面鋼管結構。

采用三維技術建立了構架的信息化模型[7]，同時將三維設計技術用于鋼結構詳圖設計和制造環節，實現了全數字的設計、加工一體化流程。提高了工作效率（省去了用于創建制造模型的時間），而且改進了制造質量（消除了設計模型與制造模型相互矛盾的現象）。

采用三維技術實現結構設計全過程的模擬仿真和管理，借助于相關技術實現構架施工過程的虛擬化（Virtual Construction，虛擬建設），對構架的“可施工性”進行度量與評估，實現模擬拼裝與施工流程模擬，從而有效的指導現實的施工過程，有效的指導機械化施工。