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        基于三維技術(shù)的500 kV風帆式出線聯(lián)合構(gòu)架研究

        2021-07-16 10:43:00周鵬
        江西電力 2021年6期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)模型設計

        周鵬

        (中國電建集團江西省電力設計院有限公司,江西 南昌 330096)

        0 引言

        利用GIS電氣設備導管可以隨意引接、靈活布置的特點,通過將門型出線構(gòu)架設置成二層出線梁,出線A、B、C三相垂直布置,二層梁的高度設置為24 m、37 m高度;二層梁水平間距離按11.5 m控制。這樣,由GIS出線套管引出的A、B、C三相滿足電氣距離要求。該結(jié)構(gòu)以外形似風帆而命名為“風帆聯(lián)合式”出線構(gòu)架。針對現(xiàn)有構(gòu)架形式并結(jié)合風帆式聯(lián)合出線構(gòu)架的自身特點,分別從桿件受力的合理性、工程可靠性、廠家加工便利性、現(xiàn)場施工的可實現(xiàn)及經(jīng)濟性方面進行比較,結(jié)果表明等截面鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)架及格構(gòu)式構(gòu)架滿足風帆式聯(lián)合出線構(gòu)架要求。由于GIS長度尺寸遠大于寬度尺寸,格構(gòu)式構(gòu)架需要采用增大自立柱主材規(guī)格手段提高整體構(gòu)架在弱軸方向的側(cè)移剛度。導致須采用全鋼管格構(gòu)式體系來作為構(gòu)架的承載構(gòu)件,在用鋼量方面全鋼管格構(gòu)式較等截面鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)架并無特別明顯的優(yōu)勢,而且須增加500 kV配電裝置場區(qū)面積,造成總平面布置不協(xié)調(diào)。因此,推薦風帆式出線構(gòu)架采用等截面鋼管結(jié)構(gòu)。同時采用三維技術(shù)建立了構(gòu)架的信息化模型,同時將三維設計技術(shù)用于鋼結(jié)構(gòu)詳圖設計和制造環(huán)節(jié),實現(xiàn)了全數(shù)字的設計、加工一體化流程[1-2]。提高了工作效率,改進了制造質(zhì)量。實現(xiàn)構(gòu)架施工過程的虛擬化模擬。

        1 500 kV配電裝置場地布置

        某南昌地區(qū)工程500 kV采用GIS布置,通過將門型出線構(gòu)架設置成二層出線梁,出線A、B、C三相垂直布置,二層梁的高度設置為24 m、37 m高度,二層梁水平間距離按11.5 m控制。如圖1所示。

        圖1 變電站設計工序圖

        2 配電裝置構(gòu)架結(jié)構(gòu)的設計依據(jù)及設計原則

        2.1 構(gòu)架設計荷載資料

        1)導線荷載

        導線荷載設計詳見表1。

        表1 500 kV出線側(cè)導、地線控制張力

        2)風荷載

        文獻[3]規(guī)定,垂直于風向的結(jié)構(gòu)風壓應參與組合,取其對結(jié)構(gòu)的最不利者進行設計。這時的結(jié)構(gòu)風壓應該是對應工況的風速產(chǎn)生的。根據(jù)當?shù)貧庀髼l件,本工程設計基本風壓確定為0.45 kN/m2。

        3)溫度荷載

        文獻[3]規(guī)定,兩端設有剛性支撐、總長度超過150 m的連續(xù)排架,或總長超過100 m的連續(xù)鋼架,應計算溫度作用效應的影響,可按在夏季或冬季允許露天作業(yè)的氣溫條件下安裝,在最大風溫度環(huán)境條件下運行,此時計算溫度差可?。害=±35℃。本工程的500 kV構(gòu)架連續(xù)長度為112 m<150 m,且構(gòu)架與構(gòu)架之間為鉸接,因此不需考慮溫度荷載的影響。

        4)地震作用(新地震規(guī)范南昌的加速度)

        據(jù)《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》(1∶400萬)及《江西省地震動參數(shù)區(qū)劃工作用圖》(1∶75萬)站址所處區(qū)域一般場地條件下50年超越概率10%的設計地震動峰值加速度小于0.05 g,對應地震基本烈度小于6度,設計地震分組為第一組。根據(jù)新頒的《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2015)從2016.06.01一般場地條件下50年超越概率10%的地震動峰值加速度為0.05 g,地震基本烈度為6度。采用振型反應譜分解法計算。

        5)荷載效應組合

        變電構(gòu)架設計應根據(jù)使用過程中在結(jié)構(gòu)上可能同時出線的荷載,按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進行荷載組合,并應根據(jù)各自的最不利的荷載效應組合進行設計。承載能力極限狀態(tài)組合用于導致結(jié)構(gòu)破壞的構(gòu)件和連接強度、穩(wěn)定的計算,正常使用極限狀態(tài)組合用于影響結(jié)構(gòu)正常使用好耐久性的如構(gòu)件的變形、裂縫等計算。變電構(gòu)架應根據(jù)電氣布置、不同的工作情況下可能產(chǎn)生的最不利受力情況,并考慮到遠期發(fā)展可能產(chǎn)生的變化,分別按終端構(gòu)架和中間構(gòu)架進行設計,一般不考慮斷線的條件。

        構(gòu)架的設計應考慮下列兩種極限狀態(tài):

        (1)承載能力極限狀態(tài)采用荷載效應的基本組合(即只考慮永久荷載和可變荷載的組合,不考慮偶然荷載參與組合)時,其設計表達式取下列各式的最不利者[4]:

        a.由可變荷載效應控制的組合:

        b.由永久荷載效應控制的組合:

        (2)正常使用極限狀態(tài),應根據(jù)不同的設計要求,采用荷載的標準組合、頻遇組合或準永久組合。并應按下列設計表達式進行設計:

        a.荷載標準組合的效應設計值:

        b.荷載頻遇組合的效應設計值:

        c.荷載準永久組合的效應設計值:

        文獻[3]規(guī)定:構(gòu)架應按不同的工況分別進行組合,并取其對構(gòu)件的最不利者進行設計。各種工況下荷載的分項系數(shù)見表2。

        表2 導線荷載的分項系數(shù)表

        承載能力極限狀態(tài)荷載效應的基本組合如下,其中(Gk:恒載;D11k:導線荷載;Wk:風荷載;):

        1)1.2Gk+1.3D11k+1.4Wk

        2)1.2Gk+1.2D21k+1.2D22k+1.4Wk

        3)1.2Gk+1.2D32k+1.2D22k+1.4Wk

        正常使用極限狀態(tài)荷載效應的基本組合如下:

        1)Gk+D22k+Wk

        2)Gk+D11k+0.5Wk

        2.2 構(gòu)架選型及材料選用對比分析

        1)構(gòu)架選型分析[5]

        分別對等截面普通鋼管構(gòu)架、格構(gòu)式構(gòu)架及變截面高強度鋼管構(gòu)架進行了優(yōu)缺點對比。由于500 kV出線間隔總寬度范圍內(nèi)只能放置2基終端塔,因此須采用同塔四回的模式出線,為滿足每個四回路中間2回導線上終端塔偏角及對構(gòu)架的安全距離在合理值范圍內(nèi),當構(gòu)架柱采用?500 mm的等截面鋼管時GIS出線點與構(gòu)架的距離定為6.0 m。因此采用等截面鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)架時,2回出線共用一個出線間隔,寬度為28 m,總間隔長度為112 m。如圖2所示。

        圖2 等截面鋼管構(gòu)架間隔尺寸圖

        根據(jù)以往工程經(jīng)驗,若采用全鋼管格構(gòu)式構(gòu)架,其格構(gòu)式構(gòu)架柱的寬度尺寸最少需要2.0 m×2.0 m,為滿足每個四回路中間2回導線上終端塔偏角及對構(gòu)架的安全距離在合理值范圍內(nèi),中間2回GIS出線點與構(gòu)架的距離須調(diào)整為7.0 m,即間隔寬度尺寸調(diào)整為29 m,即500 kV總間隔長度為116 m。且由于GIS長度尺寸遠大于寬度尺寸,這就需要采用增大自立柱主材規(guī)格手段提高整體構(gòu)架在弱軸方向的側(cè)移剛度。這就需要采用全鋼管格構(gòu)式體系來作為構(gòu)架的承載構(gòu)件,因此,在用鋼量方面全鋼管格構(gòu)式較等截面鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)架并無特別明顯的優(yōu)勢,而且須增加500 kV配電裝置場區(qū)面積,造成總平面不協(xié)調(diào)。如圖3所示。

        圖3 全鋼管格構(gòu)式構(gòu)架間隔尺寸圖

        綜上所示,本工程構(gòu)架方案采用等截面普通鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)架。

        2)構(gòu)架模型

        構(gòu)架為空間聯(lián)合形式,間隔寬度為28 m,總長112 m,總高渡37 m[6]。采取雙層梁布置形式,第一層梁高24 m,第二層梁高37 m。構(gòu)架柱由兩高度不同的鋼管柱支撐,中間聯(lián)合布置橫撐和斜撐,兩端設置端撐。利用A型柱受力特點,將短柱與斜撐布置成一定斜率的A型柱,在以主要承受平面內(nèi)導線拉力的構(gòu)架設計中,增加了平面內(nèi)剛度和穩(wěn)定,受力合理。風帆式聯(lián)合構(gòu)架的基本結(jié)構(gòu)單元為鋼管柱和鋼管格構(gòu)式三角梁,兩豎向主柱為等截面鋼管柱,如圖4所示。

        圖4 風帆式構(gòu)架模型

        3 基于三維結(jié)構(gòu)信息化模型的鋼結(jié)構(gòu)設計加工一體化

        分析計算模型的桿系結(jié)構(gòu)可直接導入到生成繪圖模型,節(jié)點采用參數(shù)化輸入,自動生成,十分簡單方便。可以快速的建立完整的三維構(gòu)架模型,并生成精確的加工圖模型(如圖5、圖6)。

        圖5 構(gòu)架柱及節(jié)點模型

        圖6 構(gòu)架梁及節(jié)點模型

        將結(jié)構(gòu)信息模型用于鋼結(jié)構(gòu)詳圖設計和制造環(huán)節(jié),這樣便實現(xiàn)了全數(shù)字的設計、加工一體化流程。重復利用設計模型不但提高了工作效率(省去了用于創(chuàng)建制造模型的時間),而且改進了制造質(zhì)量(消除了設計模型與制造模型相互矛盾的現(xiàn)象)。此外,鋼結(jié)構(gòu)詳圖設計和制造軟件中使用的信息是基于高度精確、協(xié)調(diào)、一致的結(jié)構(gòu)信息模型的數(shù)字設計數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)完全值得在相關(guān)的類似活動中共享。

        將設計模型直接用于制造環(huán)節(jié)還可以在制造與設計之間形成一種自然的反饋循環(huán),即在建筑設計流程中提前考慮制造方面的問題。制造共享設計模型有助于縮短加工周期,便于制造根據(jù)設計要求的鋼材用量進行加工并供貨。鋼結(jié)構(gòu)與其它建筑構(gòu)件之間的協(xié)調(diào)也有助于減少現(xiàn)場發(fā)生的問題,降低不斷上升的鋼結(jié)構(gòu)安裝成本。

        4 結(jié)語

        針對現(xiàn)有構(gòu)架形式并結(jié)合風帆式聯(lián)合出線構(gòu)架的自身特點,分別從桿件受力的合理性、工程可靠性、廠家加工便利性、現(xiàn)場施工的可實現(xiàn)及經(jīng)濟性方面進行比較,結(jié)果表明等截面鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)架及格構(gòu)式構(gòu)架滿足風帆式聯(lián)合出線構(gòu)架要求。由于GIS長度尺寸遠大于寬度尺寸,格構(gòu)式構(gòu)架需要采用增大自立柱主材規(guī)格手段提高整體構(gòu)架在弱軸方向的側(cè)移剛度。導致須采用全鋼管格構(gòu)式體系來作為構(gòu)架的承載構(gòu)件,在用鋼量方面全鋼管格構(gòu)式較等截面鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)架并無特別明顯的優(yōu)勢,而且須增加500 kV配電裝置場區(qū)面積,造成總平面布置不協(xié)調(diào)。因此,推薦風帆式出線構(gòu)架采用等截面鋼管結(jié)構(gòu)。

        采用三維技術(shù)建立了構(gòu)架的信息化模型[7],同時將三維設計技術(shù)用于鋼結(jié)構(gòu)詳圖設計和制造環(huán)節(jié),實現(xiàn)了全數(shù)字的設計、加工一體化流程。提高了工作效率(省去了用于創(chuàng)建制造模型的時間),而且改進了制造質(zhì)量(消除了設計模型與制造模型相互矛盾的現(xiàn)象)。

        采用三維技術(shù)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設計全過程的模擬仿真和管理,借助于相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)構(gòu)架施工過程的虛擬化(Virtual Construction,虛擬建設),對構(gòu)架的“可施工性”進行度量與評估,實現(xiàn)模擬拼裝與施工流程模擬,從而有效的指導現(xiàn)實的施工過程,有效的指導機械化施工。

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