摘 要：筆者以山東地區(qū)變電構(gòu)架設(shè)計的模型分析、概念分析以及工程經(jīng)驗、運行反饋意見為依托，經(jīng)過對比論述常用的幾種結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)缺點，以及適用的范圍，總結(jié)出220kV變電站構(gòu)架的結(jié)構(gòu)形式、選材優(yōu)化設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：構(gòu)架；結(jié)構(gòu)；節(jié)點；鋼管

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.141

1 構(gòu)架柱選型

1.1 等截面普通鋼管結(jié)構(gòu)

構(gòu)架柱采用普通鋼管，柱桿段之間連接采用焊接連接。圓形鋼管截面特性好，受力合理，局部受壓及抗扭特性較好，特別適合人字柱這種剛性受力模型。對于直徑較大的鋼管，一般采用螺旋焊縫圓形鋼管或直縫焊接圓形鋼管。直縫焊接圓形鋼管由于可以任意取材，斷面也不受規(guī)格限制，故較螺旋焊縫圓形鋼管節(jié)省鋼材，且焊接工作量小，外形較螺旋焊縫圓形鋼管美觀，所以直縫焊接圓形鋼管較螺旋焊縫圓形鋼管的應用更為廣泛，此種結(jié)構(gòu)為排架式結(jié)構(gòu)，需設(shè)斜撐，受力明確，是目前220kV 構(gòu)架應用最為廣泛也是最成熟的一種結(jié)構(gòu)型式。

1.2 薄壁離心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)

薄壁離心鋼管混凝土構(gòu)架柱，通常情況下鋼管內(nèi)襯3.5cm厚的離心混凝土，混凝土處于三向應力狀態(tài)，較大地提高了柱壓彎受力的承載能力，并提高了人字柱的整體剛度。但柱拼接接頭采用內(nèi)插法焊接連接，加工制作及現(xiàn)場安裝較普通鋼管結(jié)構(gòu)困難，且結(jié)構(gòu)自重大（比鋼管結(jié)構(gòu)增加重量20%～40%），增加了運輸和安裝的難度。工程經(jīng)驗表明，其在運輸和吊裝過程中易發(fā)生管內(nèi)混凝土脫落的現(xiàn)象，現(xiàn)場吊裝焊接時，易發(fā)生上下兩段柱不同軸，存在初始偏心。其整體用鋼量較普通鋼管結(jié)構(gòu)節(jié)省，但綜合造價二者持平甚至高出普通鋼管結(jié)構(gòu)。

1.3 等截面或變截面高強度多邊形鋼管結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)由高強度多邊形鋼管構(gòu)架柱和單桿式高強度多邊形鋼管鋼梁組成，梁柱采用剛接，縱向可不設(shè)置端撐。該結(jié)構(gòu)的特點是：鋼材屈服強度高，達到450MPa，桿件重量輕，由于微量元素控制嚴格，熱浸鍍鋅質(zhì)量將得到永久保證，外觀好，免維護。該結(jié)構(gòu)雖然用鋼量少，但生產(chǎn)廠家很少，運輸成本高，單價也高，總體造價仍高于普通鋼管結(jié)構(gòu)。尤其是在220kV變電工程中，高強鋼難以發(fā)揮其強度優(yōu)勢，反而由于截面小，會使構(gòu)件的穩(wěn)定性更為突出，因此進一步制約了其強度的充分利用，從這一方面來說也不夠經(jīng)濟。經(jīng)過比較，等截面普通焊接鋼管結(jié)構(gòu)由于設(shè)計、施工技術(shù)成熟，綜合造價較優(yōu)，適合在常規(guī)工程中廣泛采用。

2 構(gòu)架梁選型

2.1 單鋼管梁

受力模型上看：單鋼管梁適合與柱剛接形成門型鋼架，為了控制截面和穩(wěn)定，一般梁柱皆采用高強鋼管，其優(yōu)點是整體效果清晰美觀，減小構(gòu)件和組裝工作量，縱向可不設(shè)置端撐，從而可以在某些情況下節(jié)省占地。但該結(jié)構(gòu)對節(jié)點安裝要求較高，由于材料單價高，經(jīng)過我們在變電站工程中實際應用和對比分析，其綜合造價也高出普通桁架鋼梁30%以上，尤其是跨度和荷載較大時，用鋼量和結(jié)構(gòu)自重成倍增加，更加不經(jīng)濟。

2.2 桁架式梁

格構(gòu)式鋼梁適合與柱鉸接組成排架結(jié)構(gòu)，材料則選用普通鋼管、角鋼，縱向需設(shè)置端撐。較單鋼管梁而言，其質(zhì)量分布在構(gòu)件截面的周圍，桿件受力更合理，尤其是對于構(gòu)架梁，其承受的掛線荷載和懸吊荷載均為典型的集中力點式分布，能充分利用桁架力學性能優(yōu)勢，利用STAAD/CHINA空間桿系分析計算，更能節(jié)省鋼材量。而跨度和荷載較大時，桁架梁可以設(shè)計成變截面，以節(jié)省鋼材，這種靈活性也是高強鋼管無法比擬的。從變電構(gòu)架的電氣掛線、安裝、檢修的荷載隨機性考慮，工程經(jīng)驗表明，常用的單跨梁簡支構(gòu)造安裝形式，節(jié)省鋼材，節(jié)點構(gòu)造簡單，施工安裝方便，因此得到廣泛使用。而格構(gòu)式鋼梁又分為矩形截面和三角形截面，矩形斷面更適合于角鋼構(gòu)架柱的固結(jié)，而普遍采用的A字形鋼管柱則適合采用三角形斷面格構(gòu)式鋼梁。并且荷載相對較小時，采用三角形斷面受力分工明確，更節(jié)省鋼材。

三角形斷面有正三角形和倒三角形兩種型式，考慮到安裝使用和梁上行人的方便，跨度大、斷面尺寸較大的梁按正三角形布置。

3 節(jié)點選型

3.1 主材拼接節(jié)點

柱節(jié)點的連接方式有焊接連接、剛性法蘭連接、柔性法蘭連接等方式。焊接連接外形美觀，且工廠加工方便。而法蘭連接可以避免現(xiàn)場焊接質(zhì)量不易保證的情況，但多個變電站實際投運數(shù)年后，均發(fā)現(xiàn)構(gòu)架法蘭連接會導致鋼管內(nèi)滲入雨水，導致內(nèi)部腐蝕和凍脹，對柱形成破壞，較難處理。而從造價上看，焊接由于取消了法蘭，節(jié)省了鋼材量，一般焊接較法蘭連接節(jié)省鋼材5%。針對桁架式鋼梁而言，由于其構(gòu)件截面小，且為整體拼裝后吊裝，其節(jié)點可用螺栓連接，主材多采用鋼管，故其連接宜采用剛性法蘭連接，斜材多為角鋼，宜采用螺栓連接。

3.2 梁柱節(jié)點

梁柱節(jié)點主要有剛接和鉸接兩種。從受力模型分析，前者用于門型鋼架，而后者適用于排架結(jié)構(gòu)。高強鋼管結(jié)構(gòu)采用的剛性法蘭用鋼量高，加工安裝要求精度高，且常產(chǎn)生初始應力；而桁架式鋼梁與柱通過螺栓連接，螺栓孔可采用長孔，在受力時允許一定形變，減小節(jié)點應力，可充分模擬鉸接，受力明確，提高了結(jié)構(gòu)安全性能，因此而廣泛采用，也是目前最為成熟的節(jié)點連接方式。

3.3 柱腳節(jié)點

針對構(gòu)架基礎(chǔ)的受力形式，剛性連接除了可以傳遞豎向和水平荷載外，還需傳遞彎矩，因此，其柱腳適宜采用剛性固定柱腳。常采用的有杯口基礎(chǔ)插入式柱腳和露出式柱腳。插入式柱腳由于基礎(chǔ)施工簡便，安裝精度易于控制，受力合理，應用最為廣泛，也最為成熟。

露出式柱腳采用地腳螺栓連接，這種連接方式特點是能夠加快施工周期，但施工加工精度要求較高，后期維護工作量大。

從設(shè)計角度進一步分析，采用杯口插入式基礎(chǔ)能使基礎(chǔ)和柱腳深埋地下，這樣既有利于避免與電纜溝、構(gòu)支架基礎(chǔ)等鄰近構(gòu)筑物相碰，又可節(jié)約基礎(chǔ)鋼筋混凝土量，最為經(jīng)濟合理。

4 結(jié)論

經(jīng)過分析比較，常規(guī)220kV變電站構(gòu)架設(shè)計宜優(yōu)先采用以下方案：人字柱采用等截面普通焊接鋼管結(jié)構(gòu)，正三角形斷面格構(gòu)式鋼梁，梁主材節(jié)點宜采用剛性法蘭連接，斜材宜采用螺栓連接，梁柱節(jié)點宜采用螺栓連接，柱腳宜采用杯口基礎(chǔ)插入式。

作者簡介 ：高文超（1984-），男，山東濟寧人，本科，研究方向：建筑結(jié)構(gòu)。