李國(guó)文，竇　杰，張大長(zhǎng)(.江蘇省電力公司，江蘇南京0008；.宿遷供電公司，江蘇宿遷00；.南京工業(yè)大學(xué)，江蘇南京0009)

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220 kV人字柱變電構(gòu)架-格構(gòu)橫梁結(jié)構(gòu)選型分析

李國(guó)文1，竇杰2，張大長(zhǎng)3
(1.江蘇省電力公司，江蘇南京210008；2.宿遷供電公司，江蘇宿遷321300；3.南京工業(yè)大學(xué)，江蘇南京210009)

摘要：以三門和六門220 kV人字柱出線構(gòu)架為例，設(shè)計(jì)4種國(guó)內(nèi)外變電站常用的變電構(gòu)架型式。運(yùn)用有限元分析軟件進(jìn)行變電構(gòu)架空間整體分析,對(duì)比不同構(gòu)架橫梁型式和不同梁、柱節(jié)點(diǎn)連接方式的優(yōu)劣，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較。研究結(jié)果表明，梁、柱節(jié)點(diǎn)剛接時(shí)，變電構(gòu)架橫梁采用格構(gòu)式角鋼梁較單根鋼管梁桿件利用率高；變電構(gòu)架橫梁采用格構(gòu)式鋼管梁時(shí)，梁、柱節(jié)點(diǎn)剛接桿件利用率高于鉸接；梁、柱節(jié)點(diǎn)鉸接時(shí)，構(gòu)架柔度較大，各桿件位移較大；提出較為合理的220 kV人字柱變電構(gòu)架型式：構(gòu)架橫梁采用格構(gòu)式鋼管梁、鋼管弦桿、角鋼腹桿、梁和柱節(jié)點(diǎn)鉸接。

關(guān)鍵詞：220 kV變電站；人字柱變電構(gòu)架；結(jié)構(gòu)型式

隨著電網(wǎng)建設(shè)的高速發(fā)展，用電負(fù)荷需求快速增加，電壓等級(jí)逐漸提高，線路導(dǎo)線截面、導(dǎo)線荷載隨著電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大而增大。變電構(gòu)架作為變電站最主要的構(gòu)筑物，占地面積達(dá)變電站50%以上，支撐電力線進(jìn)、出變電站，其建設(shè)進(jìn)程也在加速發(fā)展。因其重要性高、承受荷載大、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)高、工藝要求復(fù)雜，規(guī)范將220 kV及以上電壓等級(jí)構(gòu)架結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)定為一級(jí)[1，2]。因此變電構(gòu)架的材料選用，在考慮安全性的同時(shí)，還要考慮結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性、加工制造和施工的快捷性、結(jié)構(gòu)外觀的美觀性等。

國(guó)內(nèi)500 kV變電構(gòu)架中，人字柱變電構(gòu)架結(jié)構(gòu)應(yīng)用最廣泛。該結(jié)構(gòu)由人字形普通鋼管構(gòu)架柱和三角形斷面格構(gòu)式鋼梁或單根鋼管梁組成。構(gòu)架柱與構(gòu)架鋼梁采用剛接或鉸接的形式相連，結(jié)構(gòu)超靜定次數(shù)低。人字柱鋼結(jié)構(gòu)變電構(gòu)架具有結(jié)構(gòu)型式明確，構(gòu)件數(shù)量較少，傳力明確且易于安裝，占地面積較小等優(yōu)點(diǎn)，其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益較大。

而國(guó)內(nèi)與變電構(gòu)架有關(guān)的文獻(xiàn)較少。陳傳新，劉素麗[3]以四門出線構(gòu)架為例，采用空間計(jì)算對(duì)750 kV變電構(gòu)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型，提出了一種合理的構(gòu)架型式。文獻(xiàn)[4]通過(guò)一個(gè)實(shí)際工程中所用的變電構(gòu)架柱中高架柱與人字柱連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元計(jì)算，提出了連接節(jié)點(diǎn)處加勁肋布置優(yōu)化方案。朱朝陽(yáng)、靳振宇[5]利用STAADCHINA軟件進(jìn)行了變電構(gòu)架的空間分析，總結(jié)了計(jì)算步驟及計(jì)算結(jié)果。本文主要針對(duì)220 kV人字柱變電構(gòu)架，進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型，以確定較為合理的鋼梁型式，并選擇最優(yōu)的梁、柱節(jié)點(diǎn)連接形式，滿足安全性、經(jīng)濟(jì)性及美觀性等要求，為類似工程提供一個(gè)參考依據(jù)。

1　構(gòu)架型式簡(jiǎn)介

變電構(gòu)架的受力主要以水平載荷為主，承受的主要水平載荷是導(dǎo)線張力、地線的張力以及風(fēng)荷載。目前國(guó)內(nèi)外500 kV及以上電壓等級(jí)大多采用人字柱變電構(gòu)架，其結(jié)構(gòu)形式主要包括等截面普通鋼管結(jié)構(gòu)和格構(gòu)式鋼結(jié)構(gòu)這2種型式。其中格構(gòu)式鋼結(jié)構(gòu)依據(jù)桿件類型不同又可以分為鋼管格構(gòu)式和角鋼格構(gòu)式。格構(gòu)式鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于其整個(gè)結(jié)構(gòu)均由較小角鋼或鋼管組成,節(jié)點(diǎn)采用螺栓連接，構(gòu)件尺寸小、自重輕、制作、運(yùn)輸及防腐處理很方便，缺點(diǎn)是桿件種類和數(shù)量較多，現(xiàn)場(chǎng)拼裝工作量較大。本文分別設(shè)計(jì)了4種類型的220 kV人字柱變電構(gòu)架，進(jìn)行了4種構(gòu)架型式的分析，比較其優(yōu)缺點(diǎn)。

（1）六門普通鋼管構(gòu)架。梁跨度為13 m，構(gòu)架柱采用人字形普通圓鋼管柱，構(gòu)架橫梁采用單根圓鋼管梁，梁、柱節(jié)點(diǎn)剛接，縱向設(shè)置端撐，腹桿剛接，柱腳剛接。

（2）六門格構(gòu)式角鋼構(gòu)架。梁跨度為13 m，構(gòu)架柱采用人字形普通圓鋼管柱,構(gòu)架橫梁采用格構(gòu)式鋼梁，弦桿和腹桿均為角鋼，梁、柱節(jié)點(diǎn)剛接,腹桿剛接,柱腳剛接。

（3）三門格構(gòu)式鋼管構(gòu)架（剛接）。梁跨度為24 m，構(gòu)架柱采用人字形普通圓鋼管柱,構(gòu)架橫梁采用格構(gòu)式鋼管梁，弦桿和腹桿均采用圓鋼管，梁、柱節(jié)點(diǎn)剛接,腹桿鉸接，柱腳剛接。

（4）三門格構(gòu)式鋼管構(gòu)架（鉸接）。梁跨度為24 m，構(gòu)架柱采用人字形普通圓鋼管柱,構(gòu)架橫梁采用格構(gòu)式鋼梁，弦桿和腹桿均采用鋼管，梁、柱節(jié)點(diǎn)鉸接,腹桿鉸接，柱腳剛接。

4種變電構(gòu)架型式如圖1所示。220 kV人字柱變電構(gòu)架主要尺寸如表1所示。

圖1　4種變電構(gòu)架型式

表1　變電構(gòu)架主要尺寸　m

2　門形出線構(gòu)架選型

2.1構(gòu)架結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

目前國(guó)內(nèi)外計(jì)算變電出現(xiàn)構(gòu)架的方法主要有2種：一是平面簡(jiǎn)化計(jì)算法，二是空間計(jì)算法。由于平面簡(jiǎn)化計(jì)算精度不高，手算工作量較大，目前—般較少應(yīng)用。而隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及，變電構(gòu)架靜力分析計(jì)算—般通過(guò)各種平面或空間結(jié)構(gòu)計(jì)算分析程序完成。與平面計(jì)算相比，空間計(jì)算更加符合結(jié)構(gòu)實(shí)際受力性能，計(jì)算結(jié)果更加精確，設(shè)計(jì)可靠度更高。本文以220 kV人字柱門形出線構(gòu)架為對(duì)象，分別采用圖1所示的各種結(jié)構(gòu)型式，考慮多種工況下受力情況，運(yùn)用SAP2000有限元分析程序進(jìn)行整體計(jì)算，進(jìn)行計(jì)算結(jié)果對(duì)比，以確定一種較為合理的結(jié)構(gòu)型式。

2.2荷載參數(shù)

本文分析時(shí)，鋼材材料均為Q235B。共有12個(gè)設(shè)計(jì)工況，分別為大風(fēng)（0°）、大風(fēng)（90°）、覆冰（0°）、安裝（0°）、檢修（0°）、驗(yàn)算（0°）、大風(fēng)（0°）-轉(zhuǎn)角5°、大風(fēng)（90°）-轉(zhuǎn)角5°、覆冰（0°）-轉(zhuǎn)角5°、安裝（0°）-轉(zhuǎn)角5°、檢修（0°）-轉(zhuǎn)角5°、驗(yàn)算（0°）-轉(zhuǎn)角5°。荷載模式只考慮不同工況下的導(dǎo)線荷載、地線荷載以及風(fēng)荷載。

由式（1）求得基本風(fēng)壓，然后參照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[6]中風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算式（2），立柱、地線支架及水平桁架梁等桿件的風(fēng)荷載為各風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以桿件直徑，轉(zhuǎn)化為各桿件上的線荷載；導(dǎo)線荷載及地線荷載按荷載表給出的荷載值，采用節(jié)點(diǎn)力的方式施加在導(dǎo)線掛點(diǎn)處。

考慮最不利荷載組合，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，取1.2×永久荷載+1×活荷載+1.4×風(fēng)荷載，各工況下導(dǎo)線掛點(diǎn)荷載、地線掛點(diǎn)荷載如表2所示。工況1至工況12分別為大風(fēng)（0°）、大風(fēng)（90°）、覆冰（0°）、安裝（0°）、檢修（0°）、驗(yàn)算（0°）、大風(fēng)（0°）-轉(zhuǎn)角5°、大風(fēng)（90°）-轉(zhuǎn)角5°、覆冰（0°）-轉(zhuǎn)角5°、安裝（0°）-轉(zhuǎn)角5°、檢修（0°）-轉(zhuǎn)角5°、驗(yàn)算（0°）-轉(zhuǎn)角5°。X，Y，Z且分別為水平拉力、側(cè)向風(fēng)壓和垂直荷載。

表2　荷載參數(shù)

2.3計(jì)算結(jié)果分析

運(yùn)用SAP2000有限元分析軟件，按照空間桿系結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，建模時(shí)選擇梁?jiǎn)卧蜅U單元。分別對(duì)4種型式模型開(kāi)展受力分析，考慮結(jié)構(gòu)P-Δ效應(yīng)，得到不同工況下相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。提取不同工況對(duì)應(yīng)的主要受力桿件的綜合應(yīng)力比和桿件位移，繪制成表，進(jìn)行對(duì)比分析。13 m三門變電構(gòu)架計(jì)算結(jié)果如表3所示，24 m三門變電構(gòu)架計(jì)算結(jié)果如表4所示。

（1）當(dāng)變電構(gòu)架橫梁采用單根鋼管梁時(shí)，梁跨為13 m六門變電構(gòu)架主要桿件的綜合應(yīng)力比明顯小于采用格構(gòu)式角鋼梁。說(shuō)明采用單根鋼管梁時(shí)，構(gòu)件的利用率較低，安全裕度較大。而采用格構(gòu)式角鋼梁時(shí)，各桿件利用率較高，能充分發(fā)揮構(gòu)件的承載能力，且都在構(gòu)件的安全限值以內(nèi)。

（2）對(duì)于2種構(gòu)架橫梁型式，梁、柱的連接方式均為剛接，各主要桿件的位移變化小于10%，且都沒(méi)超出位移限值。說(shuō)明人字柱變電構(gòu)架，各桿件的位移受構(gòu)架梁型式的影響較小。

（3）當(dāng)變電構(gòu)架橫梁采用格構(gòu)式鋼管梁時(shí)，梁跨為24 m三門變電構(gòu)架梁、柱節(jié)點(diǎn)采用鉸接連接時(shí)各主要桿件的綜合應(yīng)力比明顯小于剛接。說(shuō)明采用鉸接連接時(shí)，各桿件的利用率較低，安全裕度較大。

（4）2種連接方式所對(duì)應(yīng)的各主要桿件的位移，梁、柱鉸接連接時(shí)比剛接大10%以上，但都沒(méi)超出位移限值。說(shuō)明人字柱變電構(gòu)架，各桿件的位移變化主要與梁、柱節(jié)點(diǎn)連接形式有關(guān)。

（5）對(duì)于不同梁跨度和不同橫梁型式的人字柱變電構(gòu)架，最大位移和最大應(yīng)力比的控制工況都是大風(fēng)工況，且構(gòu)架梁兩端人字柱的應(yīng)力比和位移小于中間人字柱。

2.4經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

（1）220 kV人字柱變電構(gòu)架采用單根鋼管梁時(shí)，所用構(gòu)件規(guī)格較大,且用鋼量較多，構(gòu)件重量也大。同時(shí)因構(gòu)架梁跨度較大，其梁斷面尺寸也較大，構(gòu)架梁與人字形柱頭的連接較難處理，接頭復(fù)雜，耗鋼量也多。

（2）使用格構(gòu)式鋼管梁時(shí)，梁、柱鉸接連接與剛接連接用鋼量近似，且構(gòu)件規(guī)格較小，便于安裝和防腐。較剛接連接，鉸接連接時(shí)構(gòu)件安全裕度高。

各變電構(gòu)架的用鋼量如表5所示。

表3　13 m三門變電構(gòu)架計(jì)算結(jié)果表

表4　24 m三門變電構(gòu)架計(jì)算結(jié)果表

綜合上述各個(gè)方面對(duì)比發(fā)現(xiàn)：在相同荷載作用下，220 kV人字柱變電構(gòu)架采用單根鋼管梁時(shí)，桿件的利用率較低，安全裕度高，但采用單根鋼管梁時(shí)，鋼管梁管徑較大，安裝及鍍鋅較為困難。而采用格構(gòu)式角鋼梁時(shí)，桿件的利用率高于單根鋼管梁時(shí)，且沒(méi)有超出構(gòu)件的安全承載力。格構(gòu)式角鋼梁由多根小角鋼相連，節(jié)點(diǎn)采用節(jié)點(diǎn)板螺栓連接，構(gòu)件尺寸小、自重輕，制作、運(yùn)輸及防腐處理很方便，但其桿件種類和數(shù)量較多，現(xiàn)場(chǎng)拼裝工作量將增大，安裝周期較長(zhǎng),而且角鋼結(jié)構(gòu)風(fēng)阻大，外形也不夠美觀。

表5　變電構(gòu)架用鋼量　t

格構(gòu)式鋼管構(gòu)架，其整個(gè)結(jié)構(gòu)均由較小鋼管組成，弦桿節(jié)點(diǎn)采用法蘭盤螺栓連接，腹桿采用節(jié)點(diǎn)板螺栓連接或直接焊接，構(gòu)件尺寸小、自重輕,制作、運(yùn)輸及防腐處理也很方便。桿件種類和數(shù)量較全角鋼構(gòu)架少，桿件剛度好，風(fēng)阻較小，立面簡(jiǎn)潔，外形美觀。對(duì)格構(gòu)式鋼管構(gòu)架而言，腹桿受力較小，利用率較低。而采用角鋼腹桿較采用鋼管腹桿能節(jié)約投資，降低總造價(jià)。而且角鋼腹桿比鋼管腹桿布置靈活,鋼管腹桿僅能布置成單斜桿，局限性很大，安裝及熱鍍鋅較角鋼繁瑣。角鋼腹桿則布置多樣化，適應(yīng)性強(qiáng)，可依據(jù)不同分段采用不同的布置方式，能有效減小弦桿斷面尺寸，使得塔柱更為美觀。因此，對(duì)于220 kV人字柱變電構(gòu)架，采用鋼管弦桿，角鋼腹桿的格構(gòu)式鋼管梁無(wú)論是經(jīng)濟(jì)性，還是建筑外觀都較優(yōu)越。

3　結(jié)束語(yǔ)

（1）梁、柱節(jié)點(diǎn)剛接時(shí)，220 kV人字柱變電構(gòu)架橫梁采用格構(gòu)式角鋼梁較單根鋼管梁桿件利用率高，安全裕度較低。但工程綜合成本較低，安裝、輸送及防腐較為簡(jiǎn)便。

（2）220 kV人字柱變電構(gòu)架梁采用格構(gòu)式鋼管梁時(shí)，梁、柱節(jié)點(diǎn)剛接桿件利用率高于鉸接，安全裕度較低，且用鋼量近似相同。

（3）220 kV人字柱變電構(gòu)架在荷載作用下各桿件的位移主要與梁、柱節(jié)點(diǎn)的連接方式有關(guān)。梁、柱節(jié)點(diǎn)鉸接時(shí)，構(gòu)架柔度較大，各桿件位移較大。

（4）提出一種較為合理的220 kV人字柱變電構(gòu)架型式：構(gòu)架梁采用格構(gòu)式鋼管梁，鋼管弦桿，角鋼腹桿，梁、柱節(jié)點(diǎn)鉸接，構(gòu)架整體安全裕度高，經(jīng)濟(jì)性好，外觀美觀，且運(yùn)輸、安裝方便，可為以后類似工程提供參考。

參考文獻(xiàn)：

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李國(guó)文（1980），男，內(nèi)蒙古赤峰人，高級(jí)工程師，從事輸電線路工程設(shè)計(jì)及評(píng)審等相關(guān)研究工作；

竇杰（1978），男，江蘇宿遷人，高級(jí)工程師，從事輸電線路工程設(shè)計(jì)及運(yùn)行維護(hù)等相關(guān)工作；

張大長(zhǎng)（1971），男，浙江新昌人，教授，從事土木工程相關(guān)教學(xué)及科研工作。

Selection of 220 kV Substation Truss-column Structures-Lattice Beam

LI Guowen1, DOU Jie2, ZHANG Dachang3
(1. Jiangsu Electric Power Company, Nanjing 210008, China; 2. JiangSu Suqian Electric Power Company, Suqian, 321300, China; 3. Nanjing University of Technology, Nanjing 211816, China)

Abstract：Taking 3-span and 6-span 220 kV truss-column frames as example, four types of commonly used substation frames are proposed and designed in this paper, and related finite element analyses are performed to study their force mechanism. The horizontal beam types and beam-to-column connections of different frames are investigated and compared. The research results indicated that, when beam and column is fix-connected, the usage of latticed angled beam is higher than tubular beam; when latticed tubular beam is used, the member usage of fixed frame is higher than pin-ended frame. The frame with pinned beam-to-column joints is flexible. Lastly, the reasonable 220 kV truss-column structure type is recommended, with latticed tubular beam, angle braces, and pin-ended beam-to-column joints.

Key words：220 kV substation; substation truss-column structure; Structure type

作者簡(jiǎn)介：

基金項(xiàng)目：2013年江蘇省“六大人才高峰”項(xiàng)目（JY-005）資助

收稿日期：2015-11-11；修回日期：2015-12-25

中圖分類號(hào)：TU398

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-0665（2016）02-0065-04