750 kV聯合構架結構型式的比較與選擇

王寧璧，王甲麟

(1.中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，陜西 西安 710075；2.中國電力工程顧問集團新能源有限公司西安分公司，陜西 西安 710032)

0 引言

為了進一步縮減變電站占地規模，節省土地資源，戶外敞開式布置的構架采用聯合構架結構，由進出線梁柱、母線梁柱組成，母線梁與出線梁垂直布置。目前國內500 kV及以下電壓等級的聯合構架一般采用全鋼管人字柱結構；750 kV及以上電壓等級的聯合構架一般采用全鋼管格構柱結構，而在風壓較小的地區，也有少數導線拉力較小、掛點較低的聯合構架采用全鋼管人字柱結構。對于750 kV聯合構架中導線拉力較大、掛點很高的出線構架采用鋼管格構式梁柱比較合理；而導線拉力較小、掛點較低的母線構架如果仍采用鋼管格構式結構，就會暴露出其材料利用率低、占地面積大的缺點。全鋼管人字柱結構在受力特性方面較之全鋼管格構柱結構略差，但前者平面外尺寸更小，因此可壓縮結構間隔寬度。本文提出一種新的聯合構架結構型式，即鋼管格構進出線柱加母線人字柱結構，該結構能將鋼管格構式結構和鋼管人字柱結構的優點充分利用，同時滿足結構受力和變形的要求。文章通過對三種結構型式的受力特性、鋼材量及占地面積分別進行論述和比較，提出優化后的聯合構架結構型式。

1 750 kV聯合構架結構型式的受力特性

目前在750 kV聯合構架中應用的兩種結構型式，即全鋼管人字柱結構和全鋼管格構柱結構，實景照片如圖1、圖2所示。本文提出的鋼管格構進出線柱加母線人字柱結構型式目前還沒有完整應用到具體工程中。下面對三種結構型式的受力特性進行分析。

圖1 全鋼管人字柱結構

圖2 全鋼管格構柱結構

1.1 全鋼管人字柱結構

構架柱采用人字柱，鋼管采用直縫焊接圓形或多邊形鋼管；構架梁采用變截面的鋼管三角形格構梁，鋼管弦桿、角鋼腹桿，節點板螺栓連接。梁柱整體鉸接，構架柱、梁弦桿拼接采用法蘭連接。

由于人字柱結構平面外的剛度很小，僅靠鋼管自身的慣性矩和模量無法抵抗平面外的受力，因此在建設時一般采用在構架縱向端部加設端撐或在中部加設剪刀撐的方式來滿足平面外的剛度和位移要求。此外，由于鋼管人字柱與三角形格構梁之間整體為鉸接，兩者無法協同受力，導致三角形格構梁的跨中彎矩和撓度很大，人字柱截面和所受拉壓內力相應較大，容易出現管壁內凹的局部屈曲。

三角形格構梁在梁跨度較大時，為了減小跨中撓度，需要較大的梁截面尺寸，在柱頭連接處又要考慮預留格構式地線柱的位置，因此柱頂板懸臂較長，頂板下需要增加較多的加勁板，造成柱頭處結構受力復雜，計算假定與實際差別較大的情況，進而導致鋼管人字柱柱頭處工廠焊接工作量大，柱頭與頂板的相貫焊、與加勁板的角焊縫交錯且集中，焊縫應力集中明顯，焊接及鍍鋅變形都很大，也給運輸增加了難度。

敞開式布置的人字柱聯合構架柱頭處、母線梁與進出線人字柱連接處等節點受力復雜，節點的極限承載能力目前還沒有詳細的計算規定，需要通過試驗和有限元計算等方法確定。

1.2 全鋼管格構柱結構

構架柱采用變截面鋼管格構矩形柱，鋼管主材、鋼管腹桿，節點板螺栓連接；構架梁采用等截面鋼管格構矩形梁，鋼管弦桿、鋼管腹桿，節點板螺栓連接。梁柱整體剛接，構架柱、梁弦桿拼接采用法蘭連接。

鋼管格構式梁柱為整體剛接，格構柱承擔格構梁傳來的梁端彎矩，從而減小格構梁跨中彎矩。多跨連續布置時格構梁為連續梁，結構受力均勻，格構梁跨中撓度小，材料利用率高，整個結構剛度很大。鋼管格構式梁柱的協同受力在大跨度、作用荷載很大的結構中優勢尤為突出。

鋼管格構式構架為超靜定結構，一旦某個桿件出現問題，可以通過內力重分布進行調整，確保構架的安全儲備。桿件受力明確，節點構造簡單，大部分構件屬于拉壓桿，符合計算假定。鋼管構件受荷性能好，相對于角鋼構件具有明顯的優勢：一是可以減小構架的風壓；二是在截面面積相等的情況下，圓管的回轉半徑比角鋼大20%左右。

1.3 鋼管格構進出線柱加母線人字柱結構

聯合構架的進出線柱采用變截面鋼管格構矩形柱，鋼管主材、鋼管腹桿，節點板螺栓連接；構架梁采用等截面鋼管格構矩形梁，鋼管弦桿、鋼管腹桿，節點板螺栓連接。梁柱整體剛接。母線構架柱采用人字柱，鋼管采用直縫焊接圓形或多邊形鋼管；母線梁采用變截面鋼管格構矩形梁，鋼管弦桿、鋼管腹桿，節點板螺栓連接。母線梁一端與進出線構架柱整體剛接，另一端與母線構架柱整體鉸接。構架柱、梁弦桿拼接采用法蘭連接。

此種結構是一種新型的750 kV聯合構架結構型式。根據進出線梁和母線梁上所受導線拉力差異較大的特點，在聯合構架中對進出線柱和母線柱進行區別設計，選用不同的結構型式。將鋼管格構矩形柱與鋼管人字柱這兩種不同的結構型式在聯合構架中有機地結合，進出線柱采用鋼管格構式矩形柱充分利用其受力性能好、剛度大的優點，不僅滿足進出線梁上導線拉力大、掛線點高的要求，同時可為母線人字柱提供側向剛度，從而省去母線人字柱的側向端撐；母線柱采用鋼管人字柱結構，適用于母線梁上導線拉力小、掛線點低的特點，避免采用全鋼管格構柱造成用鋼量及占地面積的浪費。

2 750 kV聯合構架結構型式的設計比較

結合750 kV變電站中構架電氣總平面布置及各個荷載工況下的導線拉力，利用空間桿系分析軟件STAAD Pro(V8i)對敞開式布置的750 kV構架建立整體模型進行空間計算。在相同的邊界輸入條件和導線拉力等作用下，對全鋼管人字柱結構、全鋼管格構柱結構、鋼管格構進出線柱+母線人字柱結構三種結構型式分別建模，根據計算結果進行綜合比較，提出最優結構型式。

2.1 輸入條件

三種結構模型中輸入相同的邊界條件：①基本風壓；②站區的地震動峰值加速度值、相應的地震基本烈度、地震動反應譜特征周期；③站址所在區域的氣象條件。

2.2 計算荷載

作用于構架的荷載主要有：導(地)線拉力、結構自重、風荷載、冰荷載及安裝檢修所產生的臨時荷載、溫度作用及地震作用，按最終規模所產生的荷載進行分析計算。導線拉力值見表1和表2所列。

表1 出線構架導線拉力kg

表2 母線構架導線拉力kg

風荷載對變電構架的影響很大，根據現行國家標準GB 50135—2006《高聳結構設計規范》[1]的要求，考慮0°和90°風(即順導線和垂直導線風)對構架的作用效應。一般結構的基本自振周期T≥0.25 s，由風引起的結構振動比較明顯，而且隨著結構自振周期的增長，風振也隨著增強，因此設計時均應考慮風振的影響[2]。對于自立式鐵搭，DL/T 5154—2012《架空輸電線路桿塔結構設計技術規定》[3]規定：塔桿全高在60 m以下時風振系數βz按照規范中表格選用；當塔桿全高超過60 m時，應按GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》[2]采用由下到上逐段增大的數值。

對于整體較高而剛度弱的構架結構，風振的影響一般要大于地震的影響，但是如果結構的重量較大，又處在地震高烈度區，則地震的影響會更強烈些。因此建造在地震高烈度區的結構，要充分考慮地震作用的影響，以保證結構的安全。GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》[4]及《高聳結構設計規范》規定，對烈度為8°和9°的高聳結構，應同時考慮豎向地震作用和水平地震作用的不利組合。水平及豎向地震作用均采用反應譜法計算。

對于暴露在室外的構架結構，受溫度作用影響較直接，同時結構縱向尺寸較大，溫度效應的累計作用明顯。DL/T 5457—2012《變電站建筑結構設計技術規程》[5]規定，兩端設剛性支撐總長超過150 m的連續排架，或總長超過100 m的連續剛架，應計算溫度作用效應的影響。在計算溫度作用效應時，應根據工程具體條件合理選擇計算溫差。在聯合構架中應滿足處理溫度應力的要求。

2.3 結構設計的控制條件

750 kV聯合構架采用極限狀態設計法設計，即承載能力極限狀態和正常使用極限狀態。承載能力極限狀態對應于結構或結構構件達到最大承載力或不適于繼續承載的變形；正常使用極限狀態對應于結構或結構構件達到正常使用或耐久性能的某項規定限值。

根據《變電站建筑結構設計技術規程》規定，運行工況、安裝工況、檢修工況宜作為承載能力極限狀態的三種基本組合。安裝工況宜作為正常使用極限狀態下對變形及裂縫進行校驗的荷載條件。

鋼管格構式結構正常使用極限狀態的控制條件：柱頂的允許撓度值為3h/1000(h為柱計算點高度)，橫梁跨中為L/400(L為梁跨度)；人字柱平面內、外(帶端撐)允許撓度值為h/200(h為柱計算點高度)。

2.4 計算模型簡圖

某工程750 kV配電裝置采用戶外敞開式布置方案，750 kV構架出線梁跨度39.0 m，掛線點高度37.5 m，母線梁跨度38.5 m，掛線點高度27.0 m。基于電氣專業布置要求，750 kV構架采用分片聯合構架，選取其中具有代表性的一組出線和母線聯合構架，分別采用全鋼管人字柱結構、全鋼管格構柱結構、鋼管格構出線柱加母線人字柱結構，三種結構型式的計算模型簡圖如圖3～圖5所示。

圖3 全鋼管人字柱計算模型簡圖

圖5 鋼管格構出線柱加母線人字柱計算模型簡圖

圖4 全鋼管格構柱計算模型簡圖

2.5 計算結果分析

經計算，三種不同結構型式的模型中各構件的控制應力比見表3所列。

表3 三種不同結構型式的模型中各構件的控制應力比

從表3可以看出，全鋼管格構柱結構模型中母線柱平均應力比為0.568，受力較小，其腹桿、弦桿基本由長細比控制，材料利用率低。因此將母線柱改為受力較大、構造桿件較少的鋼管人字柱，進出線柱仍采用鋼管格構矩形柱，為母線人字柱提供側向剛度，從而省去母線人字柱的側向端撐，在滿足聯合構架受力、變形要求的同時提高了材料利用率。

2.6 不同結構型式的鋼材量統計

通過對三種不同結構型式的計算，構件斷面尺寸及主材截面見表4所列。

表4 三種結構型式的構件斷面尺寸及主材截面

根據以往工程統計，當鋼管格構柱在等寬度的窄面節點采用相貫焊、變寬度的寬面節點采用節點板螺栓連接，鋼管格構矩形梁上下面節點采用相貫焊、正背面節點采用節點板螺栓連接，鋼管格構三角形梁三面均采用節點板螺栓連接時，進出線柱與母線柱節點板、法蘭和螺栓等輔材占整根柱總重的比例約為20%；鋼管格構矩形梁與鋼管格構三角形梁節點板、法蘭和螺栓等輔材占整根進出線梁總重的比例約為30%，占整根母線梁總重的比例約為25%；節點板、法蘭和螺栓、柱頂板等輔材占整根進出線人字柱(無論是否帶端撐)總重的比例約為25%，占整根母線人字柱總重的比例約為20%，節點板、法蘭和螺栓等輔材占整根鋼管格構矩形地線柱總重的比例約為30%。

根據上述比例，考慮節點板、法蘭和螺栓、柱頂板等輔材后結構總用鋼量的比較結果見表5所列。

2.7 750 kV聯合構架的占地面積

聯合構架占地面積的計算，縱橫向尺寸均算至構架柱最邊緣柱肢中心線處，三種不同結構型式的占地面積比較見表6所列。

表6 三種不同結構型式的占地面積比較

從表6可知，同一組聯合構架采用三種不同的結構型式，鋼管格構出線柱加母線人字柱結構占地面積最小，全鋼管人字柱結構占地面積最大，全鋼管格構柱結構占地面積介于其中，與鋼管格構出線柱加母線人字柱結構占地面積基本相當。鋼管格構出線柱加母線人字柱結構相比全鋼管人字柱結構節約占地面積7.2%。

3 結論

本文針對戶外敞開式布置的750 kV聯合構架結構設計，對三種型式的受力特性進行了論述，并利用空間桿系分析軟件STAAD Pro進行了結構計算，得出結論如下：

1)戶外敞開式布置的750 kV聯合構架由于進出線梁上導線拉力大，掛線點高，進出線柱上還需設地線柱或避雷針，構架柱若采用鋼管人字柱時兩端需設置端撐，增加占地面積。如采用鋼管格構式結構，不僅占地面積小，而且由于梁柱整體剛接、協同受力，多跨連續梁受力均勻，跨中撓度小，材料利用率相應提高。

2)母線梁上導線拉力小，掛線點低，對于受力較小的結構采用鋼管格構式結構時，大部分桿件限于長細比等構造要求，材料利用率低。因此母線柱宜采用鋼管人字柱，而母線梁采用變截面的鋼管格構矩形梁，其一端與進出線構架柱整體剛接，另一端與母線人字柱整體鉸接。母線人字柱平面外的剛度由與母線梁連接的鋼管格構進出線柱提供，并充分利用母線人字柱平面外尺寸小進而壓縮母線間隔寬度，使得電氣設備布置更為緊湊。同時母線人字柱柱頭上僅需考慮母線梁的連接，柱頭設計更加簡潔，節省用鋼量。

3)針對軟件計算結果比較三種型式的總用鋼量，同時結合結構占地面積的比較，可知鋼管格構進出線柱+母線人字柱結構相比全鋼管格構柱結構節約鋼材量11%；相比全鋼管人字柱結構節約占地面積7.2%。鋼管格構柱和人字柱這兩種不同結構型式在聯合構架中的結合使用不僅滿足受力、變形的要求，達到了“按需設計、物盡其用”的目的，取得了良好的綜合經濟效益。