鮑立華 馬福雷

(山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250013)

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格構(gòu)式聯(lián)合構(gòu)架結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

鮑立華 馬福雷

(山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250013)

以某115 kV變電站中的115 kV母線構(gòu)架為例，分析了格構(gòu)式聯(lián)合構(gòu)架結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、荷載及工況組合，并探討了節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法，梳理了格構(gòu)式構(gòu)架的特點(diǎn)，為此類構(gòu)架設(shè)計(jì)提供參考。

聯(lián)合構(gòu)架結(jié)構(gòu)，動(dòng)力特性，荷載，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

0 引言

根據(jù)變電站電氣總平面的布置要求，一些母線構(gòu)架往往采用格構(gòu)式聯(lián)合構(gòu)架，隨著社會(huì)對(duì)電能需求越來越大，母線構(gòu)架縱向長(zhǎng)度亦越來越大(見圖1)，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度超出了規(guī)范中[1,2]150 m的限值，需考慮溫度的影響。

以下從5個(gè)方面對(duì)此類結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析與設(shè)計(jì)。

1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析[3]

文章以某115 kV母線構(gòu)架為研究對(duì)象(見圖1)，結(jié)構(gòu)形式為格構(gòu)式聯(lián)合構(gòu)架，縱向?yàn)?5孔連續(xù)門型構(gòu)架(每孔構(gòu)架跨度×高度=11 m×11 m)，橫向?yàn)?組等間距2孔連續(xù)門型構(gòu)架(每孔構(gòu)架跨度×高度=10.5 m×7.5 m)；構(gòu)架柱采用格構(gòu)式正方形斷面角鋼塔柱，縱向塔柱根開為1.2 m，橫向塔柱根開為0.8 m；構(gòu)架梁為格構(gòu)式矩形斷面桁架梁；塔柱主材采用L125×10和L100×10，構(gòu)架梁主材采用L100×10。

對(duì)此結(jié)構(gòu)分別采用ABAQUS軟件和STAAD軟件進(jìn)行建模，得到構(gòu)架的前6階頻率如表1所示，前6階模態(tài)如圖2所示。由表1可知，兩種有限元軟件選擇兩種不同的計(jì)算模式，得到結(jié)構(gòu)的前6階頻率是相當(dāng)接近的，說明計(jì)算是正確的。

通過對(duì)結(jié)構(gòu)自振頻率以及振型的分析可知，該結(jié)構(gòu)有以下特點(diǎn)：

1)構(gòu)架從結(jié)構(gòu)形式上為空間桁架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)前6階模態(tài)圖中均表現(xiàn)為單跨梁的豎向振動(dòng)，頻率比較密集。

2)構(gòu)架前6階模態(tài)未呈現(xiàn)明顯的橫向變形，說明該結(jié)構(gòu)橫向剛度較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于縱向剛度，這是由于橫向門型架對(duì)結(jié)構(gòu)橫向提供了較強(qiáng)的支撐，增大了結(jié)構(gòu)的橫向剛度。

表1 構(gòu)架前6階頻率 Hz

2 荷載組合

作用于構(gòu)架的力主要有導(dǎo)線荷載，風(fēng)荷載，溫度荷載等。

2.1 導(dǎo)線荷載

導(dǎo)線掛在構(gòu)架梁柱上，產(chǎn)生水平力、豎向力以及側(cè)向力，此類荷載隨著大風(fēng)、覆冰、高溫、低溫等各種工況的不同而不同。

2.2 風(fēng)荷載

構(gòu)架結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算[4]：

wk=βzμsμzw0。

基本風(fēng)壓w0按《水文氣象報(bào)告書》取值。根據(jù)規(guī)范[4]，塔架結(jié)構(gòu)體型系數(shù)μs=2.6，矩形斷面桁架梁體型系數(shù)μs=2.0，風(fēng)壓高度系數(shù)μz亦按照規(guī)范[4]選取。從模態(tài)分析結(jié)果可知，構(gòu)架的基本自振周期T<0.25 s，風(fēng)振系數(shù)取βz=1.0。

2.3 溫度作用

構(gòu)架縱向長(zhǎng)度165 m，超過了規(guī)程[2]規(guī)定的限值，應(yīng)考慮溫度作用效應(yīng)的影響。

本工程構(gòu)架梁柱均采用角鋼格構(gòu)式結(jié)構(gòu)，桿件之間均采用粗制螺栓連接，螺栓與螺栓孔之間的空隙可以釋放掉部分溫度應(yīng)力，設(shè)計(jì)時(shí)可考慮將溫度作用進(jìn)行25%的折減。

2.4 荷載效應(yīng)組合

架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)使用過程中結(jié)構(gòu)上可能同時(shí)出現(xiàn)的荷載，分別進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)組合和正常使用極限狀態(tài)組合。

承載能力極限狀態(tài)組合主要用來計(jì)算構(gòu)件或連接破壞時(shí)的強(qiáng)度和穩(wěn)定。按照規(guī)程[2]要求，通常采用組合工況有“大風(fēng)工況，覆冰工況，溫度工況，安裝工況，檢修工況”。

正常使用極限狀態(tài)組合主要用來計(jì)算桿件的變形。按照規(guī)程[2]規(guī)定，構(gòu)架正常使用極限狀態(tài)可取安裝工況作為變形驗(yàn)算的荷載條件。

3 內(nèi)力分析及構(gòu)件設(shè)計(jì)

3.1 內(nèi)力分析及設(shè)計(jì)

格構(gòu)式聯(lián)合構(gòu)架采用STAAD軟件進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，各主要受力桿件位置如圖3所示,桿件最不利組合下的內(nèi)力結(jié)果見表2(軸力負(fù)值為受拉，正值為受壓)，從表2可以看出，各桿件均受大風(fēng)工況與覆冰工況控制。構(gòu)架塔柱主材和桁架梁的上、下弦桿按照拉(壓)彎構(gòu)件進(jìn)行規(guī)范檢驗(yàn)，塔柱腹材和桁架梁腹材按照軸心受力構(gòu)件進(jìn)行規(guī)范檢驗(yàn)，最終選定塔柱下部主材采用L125×10角鋼，塔柱上部主材采用L100×10角鋼，桁架梁主材采用L100×10角鋼。由于桁架梁腹桿與弦桿采用螺栓單面連接，腹桿截面為單截面等邊角鋼，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按文獻(xiàn)[1]對(duì)腹桿強(qiáng)度設(shè)計(jì)值折減。

表2 主要受力構(gòu)件控制工況組合下的內(nèi)力結(jié)果

桿件工況軸力kN剪力YkN剪力ZkN扭轉(zhuǎn)彎矩YkN·m彎矩ZkN·m①1,2108-0.4-0.30-0.10.2②1,282-0.1-2.100.2-0.1③1,2120-0.5-0.30-0.10.4④1,289-0.3-0.400.1-0.2⑤1,21010.8-0.200.40.2⑥1,290-0.30.50-0.1-0.1⑦1,292-0.40.10-0.10.1⑧1,2720.40.20-0.20.1

3.2 變形驗(yàn)算[2]

構(gòu)架變形驗(yàn)算應(yīng)采用荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合，各主要變形點(diǎn)(避雷針支架頂點(diǎn)、橫梁跨中)位移限值應(yīng)滿足規(guī)程[2]6.5節(jié)的要求。

4 構(gòu)架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)是連接各桿件的中樞，起著傳遞荷載的作用，對(duì)保證結(jié)構(gòu)的整體性和可靠性有著直接的影響。以下對(duì)母線構(gòu)架主要節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

4.1 梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)承受設(shè)計(jì)剪力V=54×2 kN，采用L100×10(Q235B)，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造見圖4。

螺栓驗(yàn)算：

局部承壓：2×10×20×405=162.0kN>54kN。

4.2 法蘭連接設(shè)計(jì)

為方便構(gòu)架結(jié)構(gòu)的加工運(yùn)輸與安裝，避免施工現(xiàn)場(chǎng)焊接作業(yè)，提高結(jié)構(gòu)工廠化水平。本工程避雷針各段之間以及避雷針與塔柱之間均采用剛性法蘭連接。法蘭節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)主要需注意驗(yàn)算以下三方面內(nèi)容：

1)法蘭螺栓受力驗(yàn)算。2)法蘭加勁板及加勁角焊縫的驗(yàn)算。3)法蘭底板的驗(yàn)算。法蘭盤連接詳細(xì)計(jì)算過程可參見文獻(xiàn)[5]。

5 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)之前應(yīng)首先獲取地質(zhì)勘察及水文氣象報(bào)告，并根據(jù)作用在地基上荷載的大小和性質(zhì)，以及當(dāng)?shù)厥┕l件、工程造價(jià)等因素綜合確定。

本工程構(gòu)架基礎(chǔ)采用露出式柱腳，采用預(yù)埋螺栓與上部結(jié)構(gòu)連接，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意驗(yàn)算以下方面：

1)地基承載力驗(yàn)算。此處荷載效應(yīng)取標(biāo)準(zhǔn)組合，地基承載力應(yīng)為修正后的地基承載力特征值。當(dāng)?shù)鼗芰臃秶鷥?nèi)有軟弱下臥層時(shí)，應(yīng)按文獻(xiàn)[5]進(jìn)行軟弱下臥層地基承載力驗(yàn)算及變形驗(yàn)算。

2)基礎(chǔ)抗拔和抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算。構(gòu)架受水平荷載較大，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)大多由基礎(chǔ)抗拔或抗傾覆控制。應(yīng)按文獻(xiàn)[5][6]進(jìn)行基礎(chǔ)抗拔和抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算。

3)預(yù)埋螺栓的驗(yàn)算。預(yù)埋螺栓單彎鉤的錨入長(zhǎng)度應(yīng)滿足構(gòu)造要求，不小于30d；另外需對(duì)預(yù)埋螺栓進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。

4)剛性基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要求?；炷羷傂曰A(chǔ)的臺(tái)階寬高比在基礎(chǔ)底面尺寸滿足地基承載力、變形、穩(wěn)定、基礎(chǔ)抗拔和抗傾覆穩(wěn)定情況下，應(yīng)符合表3要求[6]。

表3 混凝土剛性基礎(chǔ)臺(tái)階寬高比的允許值

6 結(jié)論

文章分別使用ABAQUS和STAAD有限元軟件建立了構(gòu)架結(jié)構(gòu)的模型，并進(jìn)行了詳細(xì)分析設(shè)計(jì)，得到以下結(jié)論：

1)由于該聯(lián)合架構(gòu)橫向每組為等間距2孔連續(xù)門型構(gòu)架，使得橫向剛度明顯大于縱向剛度。

2)構(gòu)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)全面分析各種工況下的承載內(nèi)力。一般來說，聯(lián)合構(gòu)架各主要桿件均受大風(fēng)與覆冰工況的控制。

3)節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)是聯(lián)合構(gòu)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重中之重，應(yīng)選取傳力較為明確的節(jié)點(diǎn)形式，對(duì)其充分驗(yàn)算后方可采用。

4)格構(gòu)式構(gòu)架塔柱基礎(chǔ)多采用露出式柱腳，采用預(yù)埋螺栓與上部結(jié)構(gòu)連接，設(shè)計(jì)時(shí)需注意構(gòu)造要求并對(duì)預(yù)埋螺栓進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，以及對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行抗拔和抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算。

[1] GB 50017—2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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

[3] 吳偉康.應(yīng)用STAAD CHINA設(shè)計(jì)變電構(gòu)架[J].電力建設(shè),2008,29(2):44-45.

[4] GB 50009—2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[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.

[6] GB 50007—2011,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Analysis and design of lattice-style united frame structure

Bao Lihua Ma Fulei

(ShandongPowerEngineeringConsultingInstituteCo.,Ltd,Jinan250013,China)

Taking 115 kV busbar frame of the 115 kV substation as an example, the paper analyzes structural dynamic properties, load and working conditions of lattice-style united frame structure, explores joint design and foundation design methods, and illustrates lattice-style united structure features, which has provided some guidance for similar structure design.

united frame structure, dynamic property, load, joint design, foundation design

1009-6825(2017)10-0063-03

2017-01-22

鮑立華(1977- )，男，工程師； 馬福雷(1981- )，男，工程師

TU318

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