唐斌

【摘要】本文以AIS方案220kV變電站為背景，對(duì)構(gòu)架結(jié)構(gòu)選型及材質(zhì)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較。對(duì)比常用的焊接鋼管結(jié)構(gòu)及水泥桿結(jié)構(gòu)，推薦構(gòu)架采用焊接鋼管結(jié)構(gòu)。構(gòu)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做出以下優(yōu)化：（1）220kV構(gòu)架兩個(gè)間隔共用一榀25m寬構(gòu)架，110kV構(gòu)架兩個(gè)間隔共用一榀16m寬構(gòu)架。節(jié)約用地，降低耗鋼量。（2）采用焊接鋼管人字柱結(jié)構(gòu)，有效降低用鋼量，降低土建造價(jià)。（3）對(duì)構(gòu)件做合理歸并，減少構(gòu)件種類及數(shù)量，縮短加工周期;構(gòu)件加工及鍍鋅均在工廠完成，現(xiàn)場(chǎng)安裝采用螺栓連接，無(wú)現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量;柱腳采用螺栓連接，免去二次灌漿濕作業(yè)及養(yǎng)護(hù)時(shí)間。縮短工期，提高施工質(zhì)量，符合環(huán)保、集約理念。

【關(guān)鍵詞】220kV變電站;構(gòu)架選型;優(yōu)化

1.工程背景

AIS方案220kV變電站，設(shè)計(jì)規(guī)模：主變：4×180MVA;出線：220kV6 回;110kV14回;10kV30回。管母單獨(dú)設(shè)置支架。假定自然條件：（1）氣溫：年平均氣溫20℃;極端最高氣溫45℃;極端最低氣溫-10℃。（2）設(shè)計(jì)風(fēng)速：取30m/s。（3）覆冰厚度：10mm。（4）地震烈度：7度抗震設(shè)防，動(dòng)峰值加速度0.10g，特征周期0.35s。地點(diǎn)：我國(guó)南方。

2.構(gòu)架結(jié)構(gòu)型式選擇

2.1 國(guó)內(nèi)變電站構(gòu)架常用型式

各地區(qū)自然條件和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的多樣性，造就了多種多樣的構(gòu)架型式。目前常見(jiàn)以下4種：

（1）焊接鋼管人字柱結(jié)構(gòu)。500kV及以下變電站廣泛采用。焊接鋼管人字形構(gòu)架柱，三角形斷面格構(gòu)式鋼梁，梁柱螺栓連接，在人字柱排架端部設(shè)端撐。簡(jiǎn)潔美觀，荷載傳遞清晰，多采用普通Q235、Q345鋼，采購(gòu)加工方便。鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)廠家眾多，工藝成熟，價(jià)格低廉。

（2）高強(qiáng)度鋼管梁柱結(jié)構(gòu)。采用高強(qiáng)度鋼材，可降低用鋼量。正多邊形高強(qiáng)鋼管人字型構(gòu)架柱，單桿式正多邊形高強(qiáng)度鋼管梁，梁柱剛接。整潔開放，構(gòu)件數(shù)量少，加工簡(jiǎn)單，便于安裝維護(hù)，但所采用Q460高強(qiáng)鋼是美國(guó)ASTM A572gr65標(biāo)準(zhǔn)，價(jià)格較高，且運(yùn)輸成本較高。采用該型構(gòu)架的變電站數(shù)量有限。

（3）鋼筋砼環(huán)形桿結(jié)構(gòu)。220kV及以下變電站大量使用。以預(yù)制鋼筋砼環(huán)形水泥桿代替直縫焊接鋼管作為人字柱主材，對(duì)電壓等級(jí)較低、導(dǎo)線荷載較小、使用年限要求不長(zhǎng)的構(gòu)架而言，可有效降低一次性投資。缺點(diǎn)是混凝土桿件及鋼節(jié)點(diǎn)需在現(xiàn)場(chǎng)焊接組裝，工期長(zhǎng)，質(zhì)量難保證;混凝土桿件承載力低，易開裂，使用壽命短;防腐保護(hù)周期短，維護(hù)成本較大。

（4）格構(gòu)式桿塔結(jié)構(gòu)。梁柱均由截面較小的角鋼或鋼管組裝而成，具有用鋼量低、受力條件好、加工運(yùn)輸方便等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是連接節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，桿件種類及數(shù)量多，現(xiàn)場(chǎng)組裝工作量大，工期長(zhǎng)，觀感較人字柱結(jié)構(gòu)稍遜。在我國(guó)特高壓項(xiàng)目普遍采用。

表3.1-1 各工況下的導(dǎo)線荷載

2.2 本工程構(gòu)架選型初步設(shè)想

在220kV變電站構(gòu)架常用的集中結(jié)構(gòu)型式中，南方地區(qū)在焊接鋼管人字柱結(jié)構(gòu)和鋼筋砼環(huán)形桿結(jié)構(gòu)上均具有成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，這兩種型式具有就地取材、價(jià)格低廉優(yōu)點(diǎn)。下文以220kV構(gòu)架為代表，對(duì)焊接鋼管人字柱結(jié)構(gòu)和鋼筋砼環(huán)形桿結(jié)構(gòu)兩種方案進(jìn)行分析比較，優(yōu)化選材，綜合考慮生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝、維護(hù)等方面因素，在全壽命周期成本管理理念下，確定最優(yōu)方案。

3.設(shè)計(jì)使用條件

3.1 工藝布置

本工程220kV構(gòu)架軸測(cè)圖如圖3.1-1所示。

構(gòu)架為3排獨(dú)立排架結(jié)構(gòu)，鋼梁導(dǎo)線掛點(diǎn)標(biāo)高均為14.0m。

3.2 荷載效應(yīng)及組合

3.2.1 導(dǎo)線在各工況下的荷載（表3.1-1）

3.2.2 結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載

設(shè)計(jì)風(fēng)速30m/s，換算成結(jié)構(gòu)基本風(fēng)壓為0.56kN/m2。

3.2.3 溫度作用

當(dāng)兩端設(shè)有剛性支撐的連續(xù)排架總長(zhǎng)超過(guò)150m，或連續(xù)鋼架總長(zhǎng)度超過(guò)100m 時(shí)，應(yīng)考慮溫度作用效應(yīng)。本工程構(gòu)架總長(zhǎng)75m，極端最高氣溫45℃，極端最低氣溫-10℃，ΔT=55℃，不屬于溫差特別大的情況，可不考慮溫度作用。

3.2.4 地震作用

本工程為7度抗震設(shè)防，動(dòng)峰值加速度0.10g。構(gòu)架屬于大柔度細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，自重輕，抗震性能好。大量工程實(shí)踐表明，7度區(qū)500kV及以下構(gòu)架不受地震作用控制。

3.2.5 覆冰荷載

電氣專業(yè)導(dǎo)線拉力計(jì)算結(jié)果中已相應(yīng)考慮了導(dǎo)線覆冰的工況，結(jié)構(gòu)自身覆冰按10mm考慮。

3.2.6 荷載效應(yīng)組合

對(duì)于非樞紐變的220kV構(gòu)架，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)應(yīng)取二級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.0。變電站構(gòu)架應(yīng)考慮不同工況下可能產(chǎn)生的最不利受力情況，并考慮遠(yuǎn)景可能發(fā)生的變化，分別按承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行荷載效應(yīng)組合。

3.2.6.1 承載力極限狀態(tài)荷載效應(yīng)組合

用于校驗(yàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件和連接節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性。按承載力極限狀態(tài)進(jìn)行組合時(shí)，通常應(yīng)考慮基本組合和偶然組合兩種情況。本工程管母單獨(dú)設(shè)置支架，因短路引起的偶然電動(dòng)力不會(huì)對(duì)構(gòu)架產(chǎn)生影響，所以只需考慮荷載效應(yīng)基本組合即可。主要包括：

（1）運(yùn)行工況：

1）大風(fēng)工況：1.0Gk+1.3D11k+1.4Wk;1.2Gk+1.3D11k+1.4Wk;

2）覆冰工況：1.0Gk+1.3D12k+1.4W10k;1.2Gk+1.3D12k+1.4W10k

（2）安裝工況：1.0Gk+1.2D21k+1.2D22k+1.4W10k;1.2Gk+1.2D21k+1.2D22k+1.4W10k;

（3）檢修工況：1.0Gk+1.2D31k+1.2D22k+1.4W10k;1.2Gk+1.2D31k+1.2D22k+1.4W10k。

其中：Gk——結(jié)構(gòu)自重及其余荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值;Wk——最大風(fēng)工況下導(dǎo)線側(cè)向風(fēng)偏荷載以及結(jié)構(gòu)自身風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值;W10k——10m/s風(fēng)速下導(dǎo)線側(cè)向風(fēng)偏荷載及結(jié)構(gòu)自身風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值;D11k——最大風(fēng)工況下導(dǎo)線荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值;D12k——覆冰工況下導(dǎo)線荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值;D21k——安裝工況下緊線的導(dǎo)線荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值;D22k——安裝工況下非緊線的導(dǎo)線荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值;D31k——單相上人檢修時(shí)導(dǎo)線荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值。

3.2.6.2 正常使用極限狀態(tài)荷載效應(yīng)組合

校驗(yàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件在日常使用中產(chǎn)生的變形、裂縫等。按正常使用極限狀態(tài)組合時(shí)，采用荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合。安裝或檢修工況：Gk+D22k+W10k;正常使用工況：Gk+D11k+0.5Wk。

4.空間模型計(jì)算分析

變電站構(gòu)架受力特點(diǎn)是以承受水平荷載為主，荷載來(lái)自于導(dǎo)線及地線的張力，其次是風(fēng)力。隨著各種空間有限元分析計(jì)算軟件的推廣，可對(duì)構(gòu)架整體建模，全面分析桿件內(nèi)力并選材，使結(jié)構(gòu)整體可靠度與構(gòu)件可靠度一致，為經(jīng)濟(jì)合理的構(gòu)架設(shè)計(jì)提供有力支持。

本工程采用STAAD CHINA空間有限元計(jì)算分析軟件，按人字柱結(jié)構(gòu)建模計(jì)算。模型中柱材質(zhì)定義為鋼管，因梁柱連接為鉸接，故導(dǎo)線荷載對(duì)鋼梁產(chǎn)生的彎矩不會(huì)傳遞至柱上，本模型對(duì)水泥桿材質(zhì)柱仍具指導(dǎo)意義。單對(duì)水泥桿結(jié)構(gòu)而言，柱間橫檔與主材連接應(yīng)按鉸接考慮，這是與鋼管人字柱的顯著區(qū)別。

4.1 焊接鋼管結(jié)構(gòu)

4.1.1 模型及荷載輸入（表4.1-1）

人字柱柱頂兩桿為剛接，梁與柱為鉸接，梁不參與柱段桿件彎矩分配。為簡(jiǎn)化模型輸入，減少桿件數(shù)量并加快計(jì)算速度，鋼梁按等重的原則簡(jiǎn)化為單根桿件輸入。計(jì)算模型主要分析柱內(nèi)力和支座反力，鋼梁則單獨(dú)計(jì)算。每排人字柱設(shè)置一根端撐桿。

為避免避雷針影響軟件對(duì)柱計(jì)算長(zhǎng)度、支撐條件的判斷，將避雷針作為荷載輸入，不在模型中體現(xiàn)。

構(gòu)架橫梁的兩端設(shè)為鉸接;端撐桿頂部通過(guò)銷釘與鋼柱柱頭連接，可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)為鉸接;端撐柱上設(shè)置2道橫向支撐，旨在減小端撐桿的計(jì)算長(zhǎng)度，設(shè)為鉸接。除以上自定義的約束條件外，所有梁元的連接均默認(rèn)為剛接。

構(gòu)架受力不同于一般工業(yè)及民用建筑。作為通用的有限元分析計(jì)算軟件，STAAD CHINA無(wú)法自動(dòng)生成構(gòu)架荷載，也無(wú)法自動(dòng)進(jìn)行正確的荷載組合。所有荷載值及對(duì)應(yīng)各工況下的組合均手工輸入。

4.1.2 內(nèi)力計(jì)算及后處理

采用STAAD內(nèi)置的線性分析引擎進(jìn)行計(jì)算，對(duì)各支座、節(jié)點(diǎn)、桿件內(nèi)力和位移整理統(tǒng)計(jì)。

承載力極限狀態(tài)荷載效應(yīng)組合下柱段內(nèi)力控制值如表4.1-1。

正常使用極限狀態(tài)荷載效應(yīng)組合下各柱頂點(diǎn)位移統(tǒng)計(jì)如表4.1-2。

分析表明各主要控制節(jié)點(diǎn)位移均滿足規(guī)范。

4.1.3 規(guī)范檢驗(yàn)及選材優(yōu)化

規(guī)范檢驗(yàn)采用SSDD鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與繪圖軟件進(jìn)行，但桿件的某些設(shè)計(jì)參數(shù)，特別是計(jì)算長(zhǎng)度、截面塑性發(fā)展系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)值需手工輸入。按《變電所建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》第5章規(guī)定，設(shè)置檢驗(yàn)參數(shù)，并指定到各類桿件中，再由軟件驗(yàn)算。

表4.1-1 承載力極限狀態(tài)下桿件內(nèi)力

表4.1-2 正常使用極限狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)位移

經(jīng)檢驗(yàn)及優(yōu)化，本結(jié)構(gòu)方案最終選材及耗鋼量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4.1-3。

表4.1-3 焊接鋼管人字柱結(jié)構(gòu)方案耗鋼量

以上重量已考慮節(jié)點(diǎn)板、螺栓等附件。

4.2 鋼筋砼環(huán)形桿結(jié)構(gòu)

水泥桿構(gòu)架計(jì)算模型參照焊接鋼管結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，但柱間橫檔兩端按鉸接考慮。經(jīng)模型計(jì)算分析，結(jié)合對(duì)比以往常規(guī)工程計(jì)算資料，采用兩個(gè)出線間隔合用一根鋼梁的布置型式，人字柱腳內(nèi)力約為常規(guī)每個(gè)間隔設(shè)置一根鋼梁布置型式的2倍。計(jì)算220kV構(gòu)架水泥桿裂縫時(shí)對(duì)應(yīng)正常使用極限狀態(tài)，即Gk+D11k+0.5Wk。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)采用規(guī)格φ400x50，混凝土強(qiáng)度C40，配置主筋18Φ16的普通環(huán)形水泥桿時(shí)，排架兩側(cè)端部均設(shè)置端撐桿情況下，桿身裂縫值仍小于0.2mm，滿足規(guī)范。

鋼梁、地線柱、避雷針等構(gòu)件計(jì)算及選材同焊接鋼管結(jié)構(gòu)，不做進(jìn)一步比較。

表4.2-1統(tǒng)計(jì)中，水泥桿結(jié)構(gòu)未考慮節(jié)點(diǎn)板、連接件等附件重量，其余構(gòu)件已考慮節(jié)點(diǎn)板、連接件等附件重量。

5.兩方案全壽命周期成本分析

5.1 兩方案用鋼量統(tǒng)計(jì)對(duì)比

從表5.1-1可看出，采用環(huán)形水泥桿結(jié)構(gòu)，構(gòu)架柱約需規(guī)格φ400x50的環(huán)形水泥桿480m，水泥桿連接鐵件重量需另外考慮7.2t左右;而采用焊接鋼管結(jié)構(gòu)時(shí)，構(gòu)架柱需38.4t鋼材，已包含連接件的重量。按照目前的市場(chǎng)價(jià)，采用水泥桿結(jié)構(gòu)比采用焊接鋼管結(jié)構(gòu)約節(jié)省15萬(wàn)元。

表4.2-1 環(huán)形水泥桿結(jié)構(gòu)方案主要工程量

表5.1-1 兩方案耗鋼量統(tǒng)計(jì)對(duì)比表

5.2 兩方案全壽命周期成本分析

根據(jù)全壽命周期成本管理理念，構(gòu)架設(shè)計(jì)除考慮材料市場(chǎng)價(jià)格外，還應(yīng)考慮全壽命周期內(nèi)支持成本，包括安裝、運(yùn)行、維修、改造、更新直至報(bào)廢的全過(guò)程。全壽命周期成本=投入成本+運(yùn)行成本+維護(hù)成本+故障成本+廢棄成本。

構(gòu)架設(shè)計(jì)除考慮結(jié)構(gòu)安全，造價(jià)合理外，還應(yīng)充分考慮操作性。對(duì)功能及荷載相似的梁柱作合理歸并，從加工、鍍鋅、運(yùn)輸及市場(chǎng)采購(gòu)難易方面考慮，限制材料規(guī)格尺寸，減少構(gòu)件種類數(shù)量，加快生產(chǎn)及施工進(jìn)度。

生產(chǎn)加工方面，南方地區(qū)500kV及以下構(gòu)架，在水泥桿和焊接鋼管結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用方面均有成熟經(jīng)驗(yàn)。水泥桿結(jié)構(gòu)構(gòu)架需分別進(jìn)行水泥桿和鋼構(gòu)件的訂貨加工。在工程現(xiàn)場(chǎng)，水泥桿桿段一般通過(guò)焊接連接，鋼管構(gòu)件一般通過(guò)法蘭螺栓連接，在安裝進(jìn)度上，鋼管結(jié)構(gòu)較水泥桿有明顯優(yōu)勢(shì)。

運(yùn)行維護(hù)成本方面，構(gòu)架主要在于防腐。經(jīng)鍍鋅處理后鋼構(gòu)件防腐能力大大增強(qiáng)，水泥桿結(jié)構(gòu)因存在焊接接頭，需對(duì)接頭進(jìn)行專門防腐處理，一方面延長(zhǎng)了構(gòu)架施工工期，另一方面增加了額外費(fèi)用，使水泥桿結(jié)構(gòu)較焊接鋼管結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步削弱。在運(yùn)行維護(hù)方面，熱鍍鋅鋼結(jié)構(gòu)免維護(hù)期可達(dá)10年，較水泥桿有明顯優(yōu)勢(shì)，有利于降低運(yùn)行維護(hù)的成本。

構(gòu)架結(jié)構(gòu)在故障成本及廢棄成本方面占全壽命周期成本的比重相對(duì)較小，在滿足結(jié)構(gòu)可靠要求的前提下，兩者故障成本可謂相當(dāng)。在結(jié)構(gòu)報(bào)廢成本方面，鋼管結(jié)構(gòu)單價(jià)較高，可作為初始建設(shè)投資的一個(gè)有益回收。

結(jié)構(gòu)觀感方面，鍍鋅鋼管結(jié)構(gòu)整體簡(jiǎn)潔明快，色澤均勻，視覺(jué)效果更佳，也能從另一個(gè)側(cè)面持續(xù)提高電力企業(yè)的公眾形象。

6.結(jié)論與建議

經(jīng)過(guò)以上分析比較，我們認(rèn)為本設(shè)計(jì)方案的構(gòu)架從區(qū)域自然環(huán)境、工藝布置、制作加工、現(xiàn)場(chǎng)安裝、日常維護(hù)及材料報(bào)廢等方面綜合考慮，使用焊接鋼管人字柱結(jié)構(gòu)更為合理。

本設(shè)計(jì)方案在構(gòu)架設(shè)計(jì)、加工、安裝各方面進(jìn)行論證及優(yōu)化：（1）對(duì)構(gòu)件的位置、功能、使用工況做分析和類比，做到結(jié)構(gòu)布局整齊劃一，簡(jiǎn)潔美觀。經(jīng)過(guò)細(xì)致計(jì)算，在降低用鋼量的同時(shí)對(duì)構(gòu)件做合理歸并，減少構(gòu)件種類及數(shù)量，縮短訂貨加工周期。（2）構(gòu)件均工廠加工，熱鍍鋅防腐，現(xiàn)場(chǎng)螺栓連接。無(wú)現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量，加快施工進(jìn)度，提高施工質(zhì)量。（3）柱腳采用地腳螺栓連接。相比傳統(tǒng)二次灌漿連接，螺栓連接方便快捷，一次完成構(gòu)架就位安裝。免去二次灌漿濕作業(yè)，免去灌漿養(yǎng)護(hù)時(shí)間，縮短工期的同時(shí)也符合環(huán)保理念。