海外工程變電站鋼構架中美標準計算模型分析

摘 要：對于海外項目變電站內鋼構支架結構設計，一般采用的鋼結構設計規范等均為美標。本文按照中美規范的要求，綜合考慮了鋼構架荷載及組合、材料強度、計算長度、規范檢驗等因素，使用國際通用結構分析設計程序STAAD對變電站內400kV鋼構架進行了試算對比分析，對構架梁、柱用鋼量進行了對比和分析。

關鍵詞：中美標準，對比分析，用鋼量，STAAD

0 引 言

隨著“一帶一路”國家倡議的發展和世界能源互聯網的實施，中國電力技術不斷走出國門，輸出到非洲、南美洲、東南亞和中東等地區，由于受西方思想影響較大，這些地區的工程建設標準往往采用美國、歐洲等標準。為實現與國際接軌，順利推進工程建設，中國國際工程總承包公司在項目執行過程中往往傾向于接受合同規定的國際標準，這對習慣于中國標準的總承包公司來說是一項巨大挑戰。

掌握國際標準以及充分了解國內標準與國際標準的差異對國際工程設計具有重大意義，是國際工程總承包公司需要解決的重要問題。當前海外輸變電工程競爭日趨激烈，了解國際主流EPC承包商的技術路線，分析中美技術差異非常必要。

本文結合國際工程實例對中國標準、美國標準進行深入地分析和比較研究，歸納了中美標準模型計算用鋼量指標。

1 設計標準依據

1.1 采用的中國規范、美國規范

變電站鋼構架模型計算輸入參數主要有結構計算、荷載取值以及不同工況下荷載組合等，相應依據標準見表1。

1.2 鋼構架結構型式

構架梁、柱均采用四邊形斷面角鋼格構式結構，且斜腹桿均為交叉腹桿，各構件之間螺栓連接。

1.3 風荷載

中美規范對于基本風速定義時距差別較大，中國規范時距10min，美國規范時距是3s風速。中美規范地面粗糙度類別劃分標準類似，中國A、B、C、D類分別對應美國規范D、C、B、B（美國規范取消了A類）。

構架計算時為了統一輸入條件，國內風荷載按照美國標準《土建工程設計之抗風設計手冊》的計算方法，將假定的3s風速通過陣風因素換算成時距l0min的風速。

2 國內構架計算分析

2.1 構架的荷載及荷載組合

2.1.1 作用于構架的荷載

變電站架構模型中荷載主要分3類（見表2）：（1）永久荷載：如：構架自重、固定的設備重及導線和絕緣層自重產生的垂直荷載和水平張力等（2）可變荷載：如：風荷載（構架風壓、導線側向風壓及其產生的水平張力）、冰荷載；（3）偶然荷載：如：短路電動力、驗算（稀有）風荷載及驗算（稀有）冰荷載。

2.1.2 荷載組合

（1）承載能力極限狀態

1）覆冰有風工況：

1.0×SW + 1.3×D12 + 1.4×W10

1.2×SW + 1.3×D12 + 1.4×W10

2）大風工況：

1.0×SW +1.3×D11 + 1.4×Wmax

1.2×SW + 1.3×D11 + 1.4×Wmax

3）溫度作用工況：

1.0×SW + 1.3×D13 + 1.0×1.0×Δt-40 +1.4×W10

1 . 2 × S W+ 1 . 3 × D 1 3 + 1 . 0 × 1 . 0 × Δ t - 4 0 +1.4×W10

1.0×SW + 1.3×D14 + 1.0×1.0×Δt+50 +1.4×W10

1.2×SW + 1.3×D14 + 1.0×1.0×Δt+50 +1.4×W10

1.0×SW + 1.3×D11 + 0.85×1.0×Δt+35（或Δt-30）+ 1.4×Wmax

1.2×SW + 1.3×D11 + 0.85×1.0×Δt+35（或Δt-30）+ 1.4×Wmax

4）安裝工況（緊線相為任意相，主要驗算構架梁）

1.0×SW + 1.2×D21（可只考慮B相）+ 1.2×D22（A、C相）+ 1.4×W10

1.2×SW + 1.2×D21（可只考慮B相）+ 1.2×D22（A、C相）+ 1.4×W10

5） 檢修工況

1.0×SW + 1.2×D31 + 1.4×W10 （僅母線且只考慮一個檔距）

1.2×SW + 1.2×D31 + 1.4×W10 （僅母線且只考慮一個檔距）

1.0×SW + 1.2×D32（可只考慮B相）+ 1.2×D22（A、C相）+1.4×W10

1.2×SW + 1.2×D32（可只考慮B相）+ 1.2×D22（A、C相）+1.4×W10

6） 地震作用組合

1.0×GE + 1.3×E

1.2×GE + 1.3×E

1.0×GE + 1.3×E +0.2×1.4×Wmax

1.2×GE + 1.3×E +0.2×1.4×Wmax

（2）正常使用極限狀態

1）大風工況：

1.0×SW + 1.0×D11 + 0.5×Wmax

2）覆冰有風工況：

1.0×SW + 1.0×D12

3）溫度作用工況：

1.0×SW + 1.0×D13 + 1.0× 1.0×Δt-40

1.0×SW + 1.0×D14 + 1.0× 1.0×Δt+50

1.0×SW + 1.0×D11 + 0.85×1.0×Δt+35（或Δt-30）+ 0.5×Wmax

2.2 400kV構架計算分析

構架的三維模型（如圖1所示）。

構架所采用的主要構件截面及梁柱用鋼量（見表3）。

以非洲某變電站項目400kV出線構架為例，進行模型計算，國標情況下梁柱主材選擇計用鋼量見表3。

荷載組合控制工況如下。

柱：1.2×SW + 1.3×D11 + 1.4×Wmax（大風工況）

梁：1.2×SW + 1.2×D21（可只考慮B相）+1.2×D22（A、C相）+ 1.4×W10（檢修工況）

3 美標400kV構架計算分析

3.1 CFE標準下構架的荷載及荷載組合

（1）根據CFE JA100-57《變電站使用的大型及小型金屬結構》的要求，對構架進行分析時，所使用的負荷條件如下。

PP = 金屬結構的自重。

PEC = 設備和電纜的自重。

TMCCN = 在常規條件下電纜的最高拉力（在兩個方向產生的最高拉力）。最高拉力是根據在特殊特性章節里列出的弧垂和應力的演算書來計算獲得（雙側最大導線拉力，最大風）。

TTCCN = 在常規條件下電纜的拉力（雙側受力，非緊線）。

TMCCD = 在不平衡條件下產生的最高拉力（在一個方向產生的最高臨界拉力）（單側最大導線拉力，最大風）。

TTCCD = 在不平衡條件下產生的電纜工作拉力（在一個方向產生的工作拉力）（單側受力，非緊線）

PVMNE = 對金屬結構產生的正常最大風壓（在電纜拉力的方向），針對200年重現期的標準。

PVMPE = 對金屬結構產生的平行最大風壓（電纜拉力的正交方向），針對200年重現期的標準。

PvmNE = 對金屬結構產生的正常平均風壓（在電纜拉力的方向），風速的一半值則是針對50年重現期的標準。

PvmPE = 對金屬結構產生的平行平均風壓（電纜拉力的正交方向），風速的一半值則是針對50年重現期的標準。

PVM45 = 45 ℃溫度下的最高風壓（ 要考慮在金屬結構兩個方向中應力組合因素，也就是說，在金屬結構的每一側，根據正弦或余弦三角函數對上述的應力采用的一個數值為0.7071。

CSNE = 對金屬結構產生的正常地震負荷（要考慮在這個方向100%產生的地震負荷，以及在另一個30%產生的地震負荷）。

CSPE = 對金屬結構產生的平行地震負荷（要考慮在這個方向100% 產生的地震負荷，以及在另一個30%產生的地震負荷）。

（2）荷載組合

1） 1，4（PP+PEC+TTCCN）.

2） 1，2 （PP+PEC+TTCCN）+ 1，3 PVMPE.

3） 1，2（PP+PEC + TTCCN）+ 1，3 PVMNE.

4） 1，2（PP+PEC+TTCCD）+ 1，3 PVMPE.

5） 1，2（PP+PEC+TTCCD）+ 1，3 PVMNE.

6） 1，2（PP+PEC+TTCCN）+ 0，919 PVMNE +0，919 PVMPE.

7） 1，2 （PP+PEC+TTCCD） + 0，919 PVMNE +0，919 PVMPE.

8） 1，2（PP+PEC+TMCCN）+ 1，3 PvmPE.

9） 1，2（PP+PEC+TMCCN）+ 1，3 PvmNE.

10） 1，2 （PP+PEC+TMCCD）+ 1，3 PvmPE.

11） 1，2 （PP+PEC+TMCCD）+ 1，3 PvmNE.

12） 1，2 （PP+PEC+TTCCN）+ 1，5 CSNE.

13） 1，2 （PP+PEC+TTCCD）+ 1，5 CSNE.

14） 1，2 （PP+PEC+TTCCN）+ 1，5 CSPE.

15） 1，2 （PP+PEC+TTCCD）+ 1，5 CSPE.

16） 0，9（PP+PEC）+TTCCD+1，3 PVMNE.

17） 0，9（PP+PEC）+TTCCD+1，3 PVMPE.

18） 0，9（PP+PEC）+TTCCD+1，5 CSNE.

19） 0，9（PP+PEC）+TTCCD+1，3 CSNPE.

20） PP+PEC+TTCCN.

3.2 400kV構架計算分析

（1）構架的三維模型

（2）構架設計所采用的主要構件截面

以非洲某變電站項目400kV出線構架為例，進行模型計算，美標情況下梁柱主材選擇計用鋼量見表4。

荷載組合控制工況如下。

柱：1.2 （PP+PEC+TMCCN）+ 1.3 PvmNE（大風工況）；

梁：1.2 （PP+PEC+TMCCD）+ 1.3 PvmNE（大風工況）。

4 中美構架上部結構計算結果的比較分析

4.1 中美建筑結構可靠度設計的主要內容比較

（1）中美的荷載系數和荷載組合均基于概率極限狀態設計方法；參照國內外對規定可靠指標的分級，規定安全等級每相差一級，可靠指標取值宜相差 0.5。

（2）為使結構達到預期的安全水平，采用不同的荷載組合和荷載系數。美國規范中采用抗力系數和荷載系數，中國規范中還將荷載系數分為組合值系數、頻遇值系數及準永久值系數等，其同樣能反映荷載效應和抗力的變異性。

（3）中國規范中指出影響荷載可靠度的不定因素有作用和環境的影響，而美國規范中還考慮了計算假定模式的誤差的影響。

（ 4 ） 中國的目標可靠度值的變化范圍是2.7～4.2。美國的的目標可靠度值的變化范圍是2.5～4.5。

（5）中國變電站的主要建（構）筑物按延性破壞設計，其承載能力極限狀態可靠度指標值分別對應 3.2 和 3.7。美國規范為 OCCUPANCYCATEGORY III，其承載能力極限狀態可靠度指標值對應為 3.25～3.75（依據破壞的范圍）。

以上分析可以得出，中美標準可靠度接近，對模型計算結果沒有影響。

4.2 荷載組合分項系數的差異

變電站構架荷載組合主要考慮運行、安裝、檢修3種工況：（1）運行工況：最大風速、覆冰氣象條件；（2）安裝工況：考慮構架組立、導線緊線及緊線時作用在梁上的人及工具重；（3）檢修工況：考慮單相帶電檢修和三相停電同時檢修時導線上人。各項工況中美標準組合分項系數有差異，見表5。

由以上分析可以得出，風荷載參與的組合工況下，國標的荷載組合導線拉力計風荷載較美標略大。

4.3 中美規范對構件長細比規定的差異

受壓桿的容許長細比，GB 50017《鋼結構設計規范》按不同的構件和不同的受力情況分別取150和200，LRFD不分受力情況，統一取200，可見GB 50017-2003較嚴格；對受拉構件GB 50017《鋼結構設計規范》按不同的構件和不同的受力情況分別取300和350．LRFD不分受力情況，統一取300，較GB 50017-2003嚴格。

從受壓桿件來看，國標控制長細比150較美標長細比200嚴格，受拉構件美標長細比300較國標350嚴格。

4.4 用鋼量的比較

以非洲某變電站項目400kV出線構架為例，分別采用國標、美標所得的用鋼量對比情況見表6。

對比中美標準差異，通過建模對比分析，得出結論如下。

（1）通過荷載系數、荷載組合以及承載能力極限狀態等綜合分析，中美建筑結構可靠度指標接近。

（2）荷載組合分項系數，風荷載參與組合的情況下，國標的荷載組合分項系數比美標準取值略微偏大。

（3）中美規范對構件長細比規定差異：受壓構件國標較嚴格，受拉構件美標相對嚴格。

（4）實際建模采用中國標準計算的用鋼量較美國標準計算的稍微偏大，主要原因見4.1小節、4.2小節、4.3小節，用鋼量增加約6%～8%。

5 結 語

通過實際建模深入分析變電站格構式鋼構架受力模型，以400kV變電站構架為例，分別從可靠度、荷載、荷載組合以及長細比構造等方面進行差異化分析，總結得出中美標準下用鋼量指標，對海外變電站項目建設提供了有效指導。盡管本次模型分析取得了一定結論，但復雜情況下，例如：500kV聯合構架、超大跨度等特殊場景，本結論不一定適用，未來研究可進一步探討復雜聯合構架、超高、超大跨度等變量的影響。

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