謝忠強

（福建永福工程顧問有限公司）

淺談變電站構(gòu)架結(jié)構(gòu)選型與優(yōu)化

謝忠強

（福建永福工程顧問有限公司）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中的作用日益突出。變電站是電網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分，其建設(shè)水平也在不斷提高。作為變電站主要的構(gòu)筑物，屋外配電裝置構(gòu)架發(fā)展也取得長足的進(jìn)步，形成多種多樣的結(jié)構(gòu)形式。本文試對應(yīng)用較為成熟的鋼管結(jié)構(gòu)和格構(gòu)式結(jié)構(gòu)兩種形式進(jìn)行比較分析，探討構(gòu)架結(jié)構(gòu)形式的選擇與優(yōu)化。

鋼管式構(gòu)架；格構(gòu)式構(gòu)架

1　工程概況

某220kV變電站位于江西省景德鎮(zhèn)市，站址自然條件：

（1）極端氣溫-13.4～40.8℃。

（2）離地10m高統(tǒng)計所得的30年一遇10min平均最大風(fēng)速20m/s。

（3）歷年最大積雪深度20cm。

（4）地震烈度Ⅵ度，動峰值加速度0.05g，特征周期0.35s。

2　構(gòu)架結(jié)構(gòu)形式

構(gòu)架是變電站最主要的構(gòu)筑物之一。國內(nèi)各地區(qū)的自然條件和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的多樣性，造就了多種多樣的構(gòu)架結(jié)構(gòu)形式。目前常見的結(jié)構(gòu)形式有：

（1）鋼管人字柱結(jié)構(gòu)。柱采用直縫焊接鋼管人字形結(jié)構(gòu)，梁采用格構(gòu)結(jié)構(gòu)（斷面為三角形），梁柱連接為鉸接。

圖1　鋼管人字柱結(jié)構(gòu)

（2）高強鋼管梁柱結(jié)構(gòu)。梁柱均采用多邊形高強鋼管，鋼材強度等級為Q460。梁柱連接為剛接（如圖2）。

（3）格構(gòu)式梁柱結(jié)構(gòu)。柱和梁全部采用截面較小的角鋼或鋼管組裝而成。柱為自立式等截面或變截面的四邊形格構(gòu)式結(jié)構(gòu)，梁采用四邊形斷面的格構(gòu)式結(jié)構(gòu)，梁柱連接為剛接（如圖3）。

圖2　高強鋼管梁柱結(jié)構(gòu)

圖3　格構(gòu)式梁柱結(jié)構(gòu)

此外，早期尚有預(yù)制混凝土環(huán)形桿結(jié)構(gòu)、現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和打拉線結(jié)構(gòu)等。由于工藝落后，可靠性低，已逐步淘汰，故不做更多介紹。

國內(nèi)500kV及以下電壓等級的變電站中，應(yīng)用最多的是鋼管人字柱結(jié)構(gòu)和格構(gòu)式梁柱結(jié)構(gòu)。具備采購加工方便、價格低廉、生產(chǎn)及安裝工藝成熟的特點。高強鋼管梁柱結(jié)構(gòu)為上海維蒙特公司開發(fā)推廣（其母公司為美國維蒙特工業(yè)公司），由于采用的Q460高強鋼為美國ASTMA572gr65標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)只有寶鋼一家生產(chǎn)，同時也只有上海維蒙特一家加工，造成鋼材單價較高，上海以外的地區(qū)還需考慮較高的運輸成本，所以采用這種該結(jié)構(gòu)的變電站目前還十分有限。

下文就鋼管人字柱結(jié)構(gòu)和格構(gòu)式梁柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間整體建模計算及比較。在全壽命周期成本管理理念下，選擇較優(yōu)的結(jié)構(gòu)方案。

3　設(shè)計使用條件

3.1工藝布置

本工程電氣采用管母方案，構(gòu)架工藝布置透視圖如圖4。

3.2荷載效應(yīng)及組合

3.2.1導(dǎo)線在各工況下的荷載（如表1）

3.2.2結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載

站址離地10m高統(tǒng)計所得的30年一遇10min平均最大風(fēng)速20m/s，地面粗糙度B類。換算風(fēng)壓值為0.25kPa，考慮到220kV變電站的設(shè)計使用年限為50年，應(yīng)按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》附錄E中提供的50年一遇的風(fēng)壓采用，且不得小于0.3kPa。所以本工程設(shè)計基本風(fēng)壓取0.30kPa。

3.2.3溫度作用

圖4　220kV配電裝置及避雷針

表1　

按照《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》（DL/T5457-2012）規(guī)定，當(dāng)兩端設(shè)有剛性支撐的連續(xù)排架總長超過150m、或連續(xù)剛架總長度超過100m時，應(yīng)考慮溫度效應(yīng)的影響。本工程構(gòu)架總長不超過75m，站址所在地極端氣溫-13.4～40.8℃，ΔT=54.2℃，不屬于溫差特別大的地區(qū)，故可不考慮溫度作用的影響。

3.2.4地震作用

本工程為Ⅵ度抗震設(shè)防，動峰值加速度0.05g。構(gòu)架屬于大柔度的細(xì)長結(jié)構(gòu)，自重輕，抗震性能好。大量工程實踐分析表明，Ⅶ度區(qū)500kV及以下等級的構(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)自身的覆冰按10mm考慮。

3.2.6荷載效應(yīng)組合

《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》規(guī)定220kV構(gòu)架結(jié)構(gòu)安全等級應(yīng)取二級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.0。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)景可能存在的變化，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。

（1）承載力極限狀態(tài)荷載效應(yīng)組合

該組合用于校驗結(jié)構(gòu)構(gòu)件和連接節(jié)點的強度、穩(wěn)定性。按承載力極限狀態(tài)進(jìn)行組合時，應(yīng)考慮基本組合和偶然組合兩種情況。本工程管母單獨設(shè)置支架，因短路引起的偶然電動力不會對構(gòu)架產(chǎn)生影響，所以只需考慮荷載效應(yīng)基本組合。主要包括：

①運行工況a.大風(fēng)工況：

b.覆冰工況：

②安裝工況：

③檢修工況

式中：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)線的側(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)線的側(cè)向風(fēng)偏荷載及結(jié)構(gòu)自身風(fēng)荷載標(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——單相上人檢修時導(dǎo)線荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值。

（2）正常使用極限狀態(tài)荷載效應(yīng)組合

該組合用于校驗結(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)進(jìn)行組合時，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　空間模型計算分析

變電站構(gòu)架的受力特點是以承受水平荷載為主，來自于導(dǎo)線及地線的張力，其次是風(fēng)力。隨著空間有限元分析計算軟件的普及，設(shè)計單位可以對構(gòu)架進(jìn)行整體建模，準(zhǔn)確計算構(gòu)架不同部位桿件的內(nèi)力，細(xì)化構(gòu)件材料，理論上可以做到每根構(gòu)件的應(yīng)力都充分使用，為經(jīng)濟(jì)可靠的構(gòu)架結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了有力支持。

本工程采用STAADPro空間有限元計算分析軟件，對兩種結(jié)構(gòu)形式分別建模計算。

4.1焊接鋼管結(jié)構(gòu)

4.1.1模型及荷載輸入（如圖5）

鋼管人字柱結(jié)構(gòu)的梁與柱為鉸接，梁不參與柱段間的彎矩分配。為簡化模型輸入，減少桿件數(shù)量并加快計算速度，鋼梁按照等重等剛度原則簡化為單根桿件輸入。模型用于分析柱的內(nèi)力和支座反力，鋼梁則單獨計算。每排人字柱其中一根邊柱設(shè)置端撐桿。

圖5　鋼管人字柱結(jié)構(gòu)空間模型

鋼梁的兩端設(shè)為鉸接；端撐桿頂部通過銷釘與鋼柱柱頭連接，可自由轉(zhuǎn)動，設(shè)為鉸接；此外帶端撐的構(gòu)架柱上設(shè)置2道橫向支撐，旨在減小端撐桿的計算長度，通常選取截面較小的角鋼作為橫撐，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)架的受力不同于一般的工業(yè)及民用建筑。作為通用的有限元分析計算軟件，STAADPro無法自動生成構(gòu)架荷載，也無法自動進(jìn)行正確的荷載組合。所有的導(dǎo)線荷載、結(jié)構(gòu)自身風(fēng)荷載及覆冰荷載、對應(yīng)各工況下的荷載組合均采用手工輸入的方式。

4.1.2內(nèi)力計算及后處理

通過結(jié)構(gòu)荷載及組合的計算分析，得出各桿件在不同工況及組合下的內(nèi)力值，各節(jié)點的位移值，各支座的反力。對內(nèi)力分析結(jié)果進(jìn)行整理統(tǒng)計，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2。

表2　承載力極限狀態(tài)效應(yīng)組合下控制桿件內(nèi)力統(tǒng)計

正常使用極限狀態(tài)荷載效應(yīng)組合下各柱頂點位移統(tǒng)計如表3。

表3　正常使用極限狀態(tài)效應(yīng)組合下節(jié)點位移統(tǒng)計

分析結(jié)果各主要控制節(jié)點的位移均滿足規(guī)范要求。

4.1.3規(guī)范檢驗及選材優(yōu)化

規(guī)范檢驗采用SSDD鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與繪圖軟件進(jìn)行。該軟件可按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》檢驗桿件在各種受力狀態(tài)下的強度、穩(wěn)定性、變形等。由于構(gòu)架不同于一般的工業(yè)及民用建筑，所以在桿件的某些設(shè)計參數(shù)，特別是計算長度、截面塑性發(fā)展系數(shù)等關(guān)鍵的參數(shù)取值必須人工干預(yù)，要對桿件進(jìn)行歸類，按照《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》第6章的相關(guān)規(guī)定，手動設(shè)置相應(yīng)的檢驗參數(shù)，并指定到各自類別的桿件中，再由軟件進(jìn)行驗算。

經(jīng)檢驗及優(yōu)化，焊接鋼管結(jié)構(gòu)方案最終選材及耗鋼量統(tǒng)計見表4。

表4　焊接鋼管結(jié)構(gòu)方案主要構(gòu)件用鋼量統(tǒng)計表

以上重量已考慮了節(jié)點板、螺栓等附件的重量。

4.2格構(gòu)式梁柱結(jié)構(gòu)

4.2.1模型及荷載輸入

圖6　格構(gòu)式梁柱結(jié)構(gòu)空間模型

該結(jié)構(gòu)中梁柱為剛接連接，鋼梁采用四邊形斷面，跨度為25m，根據(jù)工程經(jīng)驗，其高跨比按1/25左右取值是較為經(jīng)濟(jì)的，本工程鋼梁截面高度取1.0m，寬度同為1.0m。

鋼柱采用變截面的結(jié)構(gòu)可以有效降低用鋼量，提高經(jīng)濟(jì)性。柱頂與鋼梁連接處截面尺寸1.0m×1.0m，寬度同鋼梁寬度，便于梁柱連接。柱腳尺寸以出線構(gòu)架為代表，比較了2.0m×1.0m，2.5m×1.5m，1.6m×1.0m三種柱腳根開尺寸后，2.0m×1.0m根開尺寸較為經(jīng)濟(jì)，見表5。

表5　根開尺寸及對應(yīng)的材料規(guī)格表

由于格構(gòu)式梁柱結(jié)構(gòu)的梁柱為剛接。如將鋼梁模擬為單桿簡化輸入，除考慮重量外，還要確保剛度與格構(gòu)式鋼梁相同，且連接節(jié)點在模型上模擬比較困難。如按實際桿件輸入，桿件數(shù)量及數(shù)據(jù)輸入工作量將成倍增加。為使力學(xué)分析結(jié)果盡可能真實準(zhǔn)確，梁柱所有主材、輔材均按實建模，不采用簡化輸入。

在約束條件設(shè)置上，柱腳處支座設(shè)為鉸接，因為角鋼抗彎性能差，設(shè)置為剛接會使主材增加額外的彎矩，不利于角鋼性能的發(fā)揮。

4.2.2內(nèi)力計算及后處理

采用STAADPro進(jìn)行內(nèi)力分析，整理統(tǒng)計后，承載力極限狀態(tài)荷載效應(yīng)組合下各類桿件內(nèi)力控制值如表6。

表6　承載力極限狀態(tài)效應(yīng)組合下桿件內(nèi)力統(tǒng)計

正常使用極限狀態(tài)荷載效應(yīng)組合下各柱頂點位移統(tǒng)計如表7。

表7　正常使用極限狀態(tài)效應(yīng)組合下節(jié)點位移統(tǒng)計

表7中鋼梁平面內(nèi)及平面外分別指鋼梁豎向和水平方向的撓度。

4.2.3規(guī)范檢驗及選材優(yōu)化

由于格構(gòu)式梁柱結(jié)構(gòu)構(gòu)件數(shù)量大，連接比較復(fù)雜，SSDD鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范檢驗軟件無法對每根桿件的支撐條件、計算長度等關(guān)鍵參數(shù)做出正確的判斷，如果手工定義各桿件的規(guī)范檢驗參數(shù)，再逐根指定到相應(yīng)的桿件上，數(shù)據(jù)輸入工作無疑十分巨大，是不太現(xiàn)實的。因此格構(gòu)式桿塔結(jié)構(gòu)在利用STAAD軟件進(jìn)行內(nèi)力計算的基礎(chǔ)上，對相似構(gòu)件進(jìn)行統(tǒng)計歸并，并采取手工校核的方式進(jìn)行檢驗。

經(jīng)過檢驗分析，對主要由材料強度控制的梁柱主桿，采用強度較高的Q345鋼可降低20％左右的鋼材；而主要受長細(xì)比控制的斜桿，采用強度較高的Q345鋼并不能明顯降低用鋼量，所以斜桿采用Q235鋼。

表8　格構(gòu)式桿塔結(jié)構(gòu)方案主要構(gòu)件用鋼量統(tǒng)計表

以上統(tǒng)計中，已考慮了節(jié)點板、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)計對比

從表9統(tǒng)計中可以看出，使用格構(gòu)式梁柱結(jié)構(gòu)后，通過進(jìn)一步采用變截面的構(gòu)架柱、鋼柱主材采用Q345鋼等降低用鋼量的措施，用鋼量可比采用焊接鋼管結(jié)構(gòu)降低了4.85t，約降低8.7％。從當(dāng)前市場價比較，鋼構(gòu)件生產(chǎn)加工費用差額約為6.9萬元。

表9　焊接鋼管方案和格構(gòu)式桿塔方案用鋼量對比

5.2兩方案全壽命周期成本分析

目前變電站建設(shè)已經(jīng)引入全壽命周期成本管理理念。變電站建設(shè)投資中不僅要考慮初期的建設(shè)投入，還要考慮在整個壽命周期內(nèi)的支持成本，包括安裝、運行、維修、改造、更新直至報廢的全過程。綜合考慮結(jié)構(gòu)使用年限范圍內(nèi)的各項成本，從而進(jìn)行決策。主要計算模型是：

式中：LCC——全壽命周期成本（Life Cycle Cost）；

CI——投入成本，包括采購成本及建設(shè)成本（Investment Costs）；

CO——運行成本（Operation Costs）；

CM——維護(hù)成本（Maintenance Costs）；

CF——故障成本，亦稱懲罰成本（OutageorFailure Costs）；

CD——廢棄成本（Disposal Costs）。

作為土建設(shè)計人員，除了確保結(jié)構(gòu)安全可靠，造價經(jīng)濟(jì)合理外，還必須充分考慮工程的可操作性。設(shè)計上通常對尺寸一致且荷載工況比較接近的梁柱作適當(dāng)歸并，目的就是為了減少梁柱的種類和數(shù)量，加快生產(chǎn)施工進(jìn)度。對單個構(gòu)件體積較大的結(jié)構(gòu)形式，還應(yīng)從加工、鍍鋅、運輸及市場采購難易方面考慮，要限制材料最大尺寸，盡量減少材料種類，便于備料、加工、安裝。

經(jīng)過兩種結(jié)構(gòu)方案的分析對比，除了6.9萬元的制造成本差異外，還應(yīng)從生產(chǎn)、施工、維護(hù)等方面綜合考慮。

筆者統(tǒng)計了兩種結(jié)構(gòu)方案在模型中節(jié)點與構(gòu)件的數(shù)量：焊接鋼管結(jié)構(gòu)模型：節(jié)點數(shù)210；桿件數(shù)280。

格構(gòu)式桿塔結(jié)構(gòu)模型：節(jié)點數(shù)2660，桿件數(shù)7400。

可見兩者的結(jié)構(gòu)構(gòu)件數(shù)量的差異是巨大的。當(dāng)然，鋼管人字柱結(jié)構(gòu)模型中鋼梁為簡化輸入，一定程度上減少了桿件及節(jié)點的數(shù)量，但總體仍然比格構(gòu)式梁柱結(jié)構(gòu)要精簡許多。更多的桿件數(shù)量意味著更長的制作加工周期，更長的工地組裝周期。

鋼構(gòu)架的運行維護(hù)成本主要是防腐。經(jīng)過熱鍍鋅處理后的鋼構(gòu)件防腐能力大大增強，但在使用年限內(nèi)仍要定期進(jìn)行補鋅維護(hù)。鋼管人字柱結(jié)構(gòu)比較簡潔，構(gòu)件少，意味著維護(hù)方面成本更低。

相比電氣設(shè)備，構(gòu)架結(jié)構(gòu)在故障成本及廢棄成本占全壽命周期成本的比重相對要少很多。在滿足結(jié)構(gòu)可靠度要求前提下，兩者故障成本可謂相當(dāng)。在結(jié)構(gòu)的報廢成本上，鋼管人字柱結(jié)構(gòu)較格構(gòu)式桿塔結(jié)構(gòu)略具優(yōu)勢。

通常220kV變電站的建設(shè)總投資在7000～9000萬元之間，主要是電氣設(shè)備的購置、安裝和調(diào)試費用。相對于變電站建設(shè)的總投資，鋼管人字柱結(jié)構(gòu)雖然物料價格略高于格構(gòu)式梁柱結(jié)構(gòu)，但在施工工期、運行維護(hù)等成本要優(yōu)于格構(gòu)式梁柱結(jié)構(gòu)，另外其結(jié)構(gòu)簡潔明快，觀感更好，在本工程中總體更具優(yōu)勢。

6　結(jié)論與建議

經(jīng)過以上分析比較，筆者認(rèn)為對常規(guī)的220kV變電站構(gòu)架，在非極端自然條件的地區(qū)，從工藝布置、生產(chǎn)加工、安裝條件、日常維護(hù)及材料報廢等因素綜合考慮，鋼管人字柱結(jié)構(gòu)方案更為適宜和理性，并作為本工程構(gòu)架推薦的結(jié)構(gòu)方案。

變電站構(gòu)架在設(shè)計、施工、安裝上還可考慮進(jìn)一步優(yōu)化：

（1）對工藝布置、功能、使用工況做分析和類比，結(jié)構(gòu)布局應(yīng)整齊簡潔。經(jīng)過細(xì)致計算，在降低用鋼量的同時對構(gòu)件做合理歸并，有效減少構(gòu)件種類及數(shù)量，縮短生產(chǎn)加工周期。

（2）構(gòu)件宜工廠分段加工，熱鍍鋅防腐，現(xiàn)場螺栓連接。減少或免除現(xiàn)場焊接工作，加快施工進(jìn)度的同時構(gòu)件連接的可靠性更有保證。

（3）柱腳可采用螺栓連接。工廠鋼構(gòu)件生產(chǎn)加工與現(xiàn)場基礎(chǔ)施工養(yǎng)護(hù)同步進(jìn)行，有效縮短建設(shè)周期。相比杯口灌漿連接方式，螺栓連接一次性完成構(gòu)架就位安裝，免去了二次灌漿濕作業(yè)及灌漿凝結(jié)養(yǎng)護(hù)時間，縮短建設(shè)工期的同時也符合環(huán)保理念。

TM63

A

1673-0038（2015）22-0203-05

2015-5-18

謝忠強（1982-），男，工程師。