胡　晨，崔　宏

(國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，安徽合肥 230022)

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變電站三角形格構(gòu)式構(gòu)架橫梁截面經(jīng)濟(jì)性分析

胡晨，崔宏

(國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，安徽合肥 230022)

摘要：本文重點(diǎn)對(duì)省內(nèi)變電站220kV構(gòu)架橫梁的截面尺寸的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。針對(duì)在不同的導(dǎo)線荷載作用下，研究分析不同橫梁截面尺寸對(duì)橫梁鋼材量的影響，并通過驗(yàn)證截面尺寸與鋼材量的相對(duì)平衡點(diǎn)，提出了對(duì)應(yīng)不同荷載條件的相對(duì)經(jīng)濟(jì)的橫梁截面尺寸。

關(guān)鍵詞：構(gòu)架 ；格構(gòu)式梁變電站；截面尺寸；不同荷載

0引言

作為變電站中最重要的構(gòu)筑物之一，構(gòu)架承擔(dān)著變電站架空出線的重要任務(wù)。目前220kV及以下電壓等級(jí)變電站中，考慮到環(huán)保及全壽命周期等因素，構(gòu)架已普遍采用全鋼結(jié)構(gòu)，即鋼管人字柱+角鋼格構(gòu)式橫梁[1]。構(gòu)架的鋼材用量主要由其所受導(dǎo)線拉力及橫梁跨度所決定，其鋼材費(fèi)用對(duì)變電站建設(shè)的建筑工程費(fèi)用有著直接的影響[2]。

由于橫梁為格構(gòu)式，因此在受到導(dǎo)線荷載作用時(shí)，橫梁的截面尺寸對(duì)鋼材用量的影響較大。當(dāng)截面尺寸較大時(shí)，由于構(gòu)件的力矩作用加大，可使主材的內(nèi)力相應(yīng)減小，從而減小構(gòu)件的截面并降低主材鋼材用量，但由于空間尺寸的增加而使橫梁的輔材(包括水平斜材及側(cè)面斜材)的計(jì)算長(zhǎng)度增加，從而導(dǎo)致輔材為了滿足穩(wěn)定性的計(jì)算要求而增大截面。相應(yīng)的，若截面尺寸減小，盡管會(huì)降低輔材的計(jì)算長(zhǎng)度而減小輔材截面，但也會(huì)由于構(gòu)件的力矩作用減小而導(dǎo)致的主材截面的增加[3]。

因此對(duì)于變電站的構(gòu)架橫梁存在對(duì)應(yīng)各級(jí)荷載大小的合理截面尺寸，可使橫梁的鋼材用量達(dá)到相對(duì)最經(jīng)濟(jì)[4]。下面本文將以安徽省內(nèi)220kV變電站構(gòu)架為例進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證。

本文所采用的計(jì)算方法是已在電網(wǎng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用多年的手算法，采用手算法也是方便讀者進(jìn)行論證，該手算法早已被相關(guān)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件(如STAAD CHINA)驗(yàn)證過，精度滿足工程要求，相關(guān)計(jì)算方法可參見本文的參考書目，此處不再贅述。且由于篇幅所限，本文計(jì)算過程進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化[5]。

1常規(guī)構(gòu)架梁計(jì)算

1.1出線橫梁的計(jì)算條件

現(xiàn)有安徽省內(nèi)220kV變電站中220kV構(gòu)架高度為14.5m，跨度為13m，220kV出線構(gòu)架橫梁所受拉力見表1[6]。

表1　220kV出線構(gòu)架橫梁?jiǎn)蜗嗬Ρ怼　挝唬簁N

注：1.出線橫梁不考慮三相上人檢修的情況。

2.220kV出線橫梁的自重按照0.77kN/m，110kV出線橫梁的自重按照0.6kN/m進(jìn)行計(jì)算。

結(jié)合安徽省大部分地區(qū)的水文氣象條件，本文中的覆冰工況是基于導(dǎo)線覆冰10mm來進(jìn)行計(jì)算，而大風(fēng)工況是基于風(fēng)速V=27m/s的情況[7]。

1.2出線橫梁的截面驗(yàn)算

安徽省內(nèi)220kV變電站中的220kV構(gòu)架出線橫梁常用的尺寸見圖1，目前根據(jù)安徽省內(nèi)的大部分的線路導(dǎo)線拉力情況，橫梁縱向上主材常用L75×8，縱向下主材常用L80×8，側(cè)面斜材常用Φ22的圓鋼，底面水平斜材常用L50×5及L40×4。

圖1橫梁截面

構(gòu)架橫梁常用截面尺寸為b=750mm，h=706mm，a=800mm。

橫梁的結(jié)構(gòu)透視圖見下圖2：

圖2橫梁結(jié)構(gòu)透視圖

構(gòu)架結(jié)構(gòu)透視圖如下圖3。

圖3構(gòu)架結(jié)構(gòu)透視圖(4跨連續(xù))

橫梁受力簡(jiǎn)圖見圖4。

圖4橫梁受力簡(jiǎn)圖

1.2.1上部主材

上部主材計(jì)算由安裝工況荷載控制，橫梁中部作用垂直向?qū)Ь€安裝荷載8.85kN，結(jié)合安裝檢修工況荷載，橫梁縱向跨中截面最大設(shè)計(jì)彎矩為78.68kN.m。(安裝工況拉力分項(xiàng)系數(shù)取1.2)

由跨中最大設(shè)計(jì)彎矩可得出跨中截面上主材等效設(shè)計(jì)軸力為111.44kN。

1.2.2下部主材

安徽省內(nèi)220kV變電站220kV配電裝置多為8回雙列布置，出線構(gòu)架均為4跨連續(xù)，可不計(jì)算橫梁縱向側(cè)風(fēng)力，一般覆冰工況為最不利，可選取其進(jìn)行計(jì)算比較。

覆冰工況單相導(dǎo)線荷載為15kN，可知橫梁跨中截面最大水平設(shè)計(jì)彎矩為86.3kN.m，最大豎直設(shè)計(jì)彎矩為45.6kN.m(覆冰工況拉力分項(xiàng)系數(shù)為1.3)。

下部?jī)蓚?cè)主材在單方向側(cè)向力作用下，分別受拉或受壓，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)方法，可知受拉桿件拉力：

受壓桿件壓力：

(壓力計(jì)算式中，豎直向彎矩為有利荷載，因此分項(xiàng)系數(shù)取1.0。)

下主材選用L80×8，型鋼截面面積為1230mm2，γy0=15.7mm。

1.2.3底面水平斜材

1.2.3.1邊段計(jì)算

η—折減系數(shù)，η=0.6+0.0015λ=0.76。

1.2.3.2中段計(jì)算

η—折減系數(shù)，η=0.6+0.0015λ=0.81。

1.2.4側(cè)面斜材

1.2.4.1邊段斜材

由于覆冰工況荷載最大，因此取覆冰工況進(jìn)行計(jì)算。

邊段側(cè)面斜材所受豎直向剪力為Vk=12.7kN，因此等效設(shè)計(jì)軸力為

1.2.4.2中段斜材

中段側(cè)面斜材所受豎直向剪力為Vk=5.6kN，因此等效設(shè)計(jì)軸力為

1.3出線橫梁鋼材量估算

為了總結(jié)橫梁尺寸與鋼材量的關(guān)系的便利，本文采用鋼材量的簡(jiǎn)易估算方法，見表2。

表2　出線橫梁鋼材量估算表

考慮連接件及構(gòu)造桿件的重量20%，常用單根出線橫梁重量約為820kg。

1.4不同橫梁尺寸比較

為了同常用尺寸進(jìn)行比較優(yōu)化，筆者選取另外兩種截面進(jìn)行比較(為了便于比較，構(gòu)件分段不隨截面尺寸變化)。

1.4.1截面一：b=1000mm，h=980mm，a=1100mm

通過計(jì)算，上主材選用L75×6，下主材選用L75×8即可；底面水平斜材邊段選用L50×6，中段選用L45×5；側(cè)面斜材邊段及中段均選用Φ22。鋼材用量見表3：

表3　截面一橫梁鋼材量估算表

考慮連接件及構(gòu)造桿件的重量20%，常用單根出線橫梁重量約為930kg，在同等荷載條件下所耗鋼材量大于常規(guī)尺寸截面用量。

1.4.2截面二：b=600mm，h=575mm，a=650mm

通過計(jì)算，上主材選用L80×8，下主材選用L90×8；底面水平斜材邊段選用L50×5，中段選用L40×4；側(cè)面斜材邊段及中段均選用Φ22。鋼材用量見表4：

表4　截面二橫梁鋼材量估算表

考慮連接件及構(gòu)造桿件的重量20%，常用單根出線橫梁重量約為875kg，在同等荷載條件下所耗鋼材量大于常規(guī)尺寸截面用量。

由三種截面的計(jì)算結(jié)果比較，可見對(duì)于給定的荷載條件，過大的橫梁截面尺寸雖然可降低縱向主材的重量，但由于幾何尺寸的增加會(huì)帶來斜材重量的增加，而過小的橫梁截面尺寸則相反。因此對(duì)于橫梁的鋼材用量，合理截面尺寸與荷載條件存在一個(gè)相對(duì)關(guān)系，可以使橫梁的鋼材用量達(dá)到相對(duì)最節(jié)省。

2特殊荷載作用下橫梁的計(jì)算

變電站內(nèi)220kV配電裝置若出現(xiàn)取消中間構(gòu)架或選用四分裂導(dǎo)線的情況，導(dǎo)線拉力可能會(huì)出現(xiàn)常規(guī)拉力的2～3倍，對(duì)于特殊荷載的橫梁，下面將對(duì)其通過試算得出合理截面尺寸。(橫梁截面型式僅考慮三角形格構(gòu)式截面)。

覆冰工況單相導(dǎo)線拉力取30kN，豎向?qū)Ь€拉力為10kN，且為方便計(jì)算，假設(shè)上主材同下主材，并按照下主材計(jì)算確定，對(duì)本文最終目的不會(huì)產(chǎn)生影響。

根據(jù)計(jì)算，橫梁跨中截面最大水平設(shè)計(jì)彎矩為172.5kN.m，最大豎直設(shè)計(jì)彎矩為95kN.m。計(jì)算中主材選取按照相同的應(yīng)力比控制。

2.1截面A：b=750mm，a=800mm，h=706mm

根據(jù)計(jì)算上、下主材選用L100×10；底面水平斜材邊段選取L63×6，中段選取L45×5；側(cè)面斜材選用Φ25。

鋼材用量見表5：

表5　 截面A橫梁鋼材量估算表

考慮連接件及構(gòu)造桿件的重量20%，常用單根出線橫梁重量約為1168.7kg

2.2截面B：b=1000mm，a=1100mm，h=980mm

根據(jù)計(jì)算上、下主材選用L90×10；底面水平斜材邊段選取L63×6，中段選取L45×5；側(cè)面斜材選用Φ25。

鋼材用量見表6：

表6　 截面B橫梁鋼材量估算表

考慮連接件及構(gòu)造桿件的重量20%，常用單根出線橫梁重量約為1282.1kg。

注：雖然截面二相比于截面一主材重量有所降低，但由于斜材的荷載所差不多，且截面二的斜材構(gòu)件長(zhǎng)度較長(zhǎng)，導(dǎo)致穩(wěn)定系數(shù)較小，因此兩種截面的斜材截面基本一致，故截面二的斜材重量較大，反而導(dǎo)致截面二總重量較大。

2.3截面C：b=1500m，a=1650m，h=1470m

由上述兩個(gè)截面計(jì)算情況來看，當(dāng)荷載水平較大時(shí)，占橫梁重量較大比重的側(cè)面斜材已不適宜采用截面積較大且回轉(zhuǎn)半徑較小的圓鋼，因此主材選用L90×7；底面水平斜材邊段選取L70×6，中段選取L50×5；側(cè)面邊段斜材選用L45×4，側(cè)面中段斜材采用L36×4。

鋼材用量見表7：

表7　截面C橫梁鋼材量估算表

考慮連接件及構(gòu)造桿件的重量20%，常用單根出線橫梁重量約為1117.3kg。

可見對(duì)于三角形格構(gòu)式橫梁，隨著截面尺寸的加大，主材截面由于力矩的變化而變小，但由于斜材的計(jì)算長(zhǎng)度的變長(zhǎng)，導(dǎo)致斜材截面的增大，使得較大的截面尺寸的橫梁鋼材量可能會(huì)因?yàn)樾辈闹亓康脑黾映^主材重量的減少，從而總重量增加。

3結(jié)論

(1)當(dāng)采用三角形格構(gòu)式橫梁時(shí)，截面寬度與高度合理比值接近水平向荷載與豎直向荷載比值，一般來說，考慮到懸垂串、自重與撓度的因素，建議三角形截面高度與寬度的比值為0.90左右，此時(shí)截面的高寬比相對(duì)較為經(jīng)濟(jì)。

(2)由于變電站橫梁所受水平荷載相比較于豎向荷載要大，因此水平向尺寸的選取更為重要。較大的水平向尺寸可以使同樣水平荷載條件下的橫梁縱向主材截面更小，但主材間距的加大也導(dǎo)致輔材截面的加大，因此同樣的尺寸條件下一般存在一個(gè)最經(jīng)濟(jì)截面。根據(jù)上述計(jì)算的結(jié)果，推薦如果條件允許的情況下，當(dāng)截面水平向尺寸(單位mm)為水平向單相最大荷載(單位N)的0.5倍左右時(shí)，一般情況下是最經(jīng)濟(jì)的截面。

(3)當(dāng)橫梁受力較小時(shí)，截面?zhèn)让嫘辈牟捎脠A鋼不僅施工方便，而且也相對(duì)經(jīng)濟(jì)，但當(dāng)截面尺寸加大時(shí)，圓鋼的回轉(zhuǎn)半徑較小的缺點(diǎn)暴露出來，反而不如采用角鋼經(jīng)濟(jì)。因此建議一般情況下，當(dāng)橫梁水平向單相最大荷載達(dá)到20kN以上時(shí)，并且截面尺寸相應(yīng)增大時(shí)，橫梁的側(cè)面斜材改為角鋼是更為經(jīng)濟(jì)的。

參考文獻(xiàn)

1高贊，張銀華，張廣平，等.某750kV變電站鋼構(gòu)架基于經(jīng)濟(jì)性能的優(yōu)化分析[J].江西科學(xué).2015(03)：411-414.

2朱朝陽(yáng)，靳振宇.變電構(gòu)架的空間分析[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版).2010,43:110-112.

3曾程. 500kV桂山變電站格構(gòu)式全聯(lián)合構(gòu)架設(shè)計(jì)[J].廣東電力.2012,25(2):96-98.

4黃淑貞.變電站500kV構(gòu)架型式選擇分析[J]. 工程建設(shè)與設(shè)計(jì).2012(12):80-82.

5中南電力設(shè)計(jì)院.變電構(gòu)架設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].武漢.湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

6DL/T 5218-2012，220kV～750kV變電站設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[S].

7DL/T 5457-2012，變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[S].

8GB50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

The Economic Analysis for Section of Triangle Lattice Beam
on Frames in Substation

HU Chen, CUI Hong

(Anhui JIANZHU University ,College of Civil Engineering, Anhui Hefei, 230601)

Abstract:In this paper, the analysis and evaluation of the economic performance of the cross section dimensions of the 220KV frame beams in the Anhui province. In view of the different wire load, the influence of different cross section size on the steel quantity is studied, and by verifying the relative balance between the section size and the steel, the cross section size of the beam is put forward.

Key words:frame structure; lattice beam; substation; sectional dimension; different loads

收稿日期：2015-07-01 2015-06-09

作者簡(jiǎn)介：：胡晨(1983-)，男，碩士研究生，主要從事變電站土建設(shè)計(jì)。

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150606

中圖分類號(hào)：TU391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8382(2015)06-025-06

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11272111)