于 瑩，張 航

(1.吉林建筑科技學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130114; 2.中國(guó)石油撫順石化公司熱電廠，遼寧 撫順 113004)

我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)中，大量的能源消耗對(duì)基礎(chǔ)建設(shè)提出了更高要求，而電能的大量輸送顯得更為迫切。變電站構(gòu)架作為電力能源傳輸?shù)幕就ǖ溃请娏Ξa(chǎn)業(yè)傳輸?shù)闹匾е?。作為既要承受自重、風(fēng)荷載、地震作用等基本荷載，又要承受裹冰荷載以及導(dǎo)(地)線荷載等特殊荷載的高聳結(jié)構(gòu)，安全可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、合理的傳力途徑、反復(fù)調(diào)整出最優(yōu)方案成為變電站構(gòu)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

1 變電站構(gòu)架的結(jié)構(gòu)選型

1.1 材料及截面的選取

為實(shí)現(xiàn)國(guó)家電力工程所倡導(dǎo)的“兩型三新一化”理念，變電架構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)積極考慮在通用設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上采用“新材料、新技術(shù)、新工藝”，在確保結(jié)構(gòu)安全前提下，減少占地面積，降低建造成本。變電站構(gòu)架結(jié)構(gòu)按材料分主要有混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)2類，混凝土變電站構(gòu)架主要應(yīng)用在220 kV以下等級(jí)的變電站中；220 kV及以上等級(jí)的變電站構(gòu)架多采用鋼結(jié)構(gòu)；而500 kV及以上的交直流工程中則均采用鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)架[1]。由于鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、自重輕、抗震性能好、加工方便、速度快，比起混凝土結(jié)構(gòu)更加節(jié)能環(huán)保，故得到了廣泛應(yīng)用[2]。

1.2 空間結(jié)構(gòu)形式的選取

a.焊接鋼管人字柱結(jié)構(gòu)：此構(gòu)架結(jié)構(gòu)為由鋼管焊接成人字形柱，橫梁多采用格構(gòu)式三角桁架與梁鉸接相連。

b.高強(qiáng)度鋼管梁柱結(jié)構(gòu)：此構(gòu)架結(jié)構(gòu)梁、柱均采用強(qiáng)度等級(jí)為Q460的多邊形高強(qiáng)度鋼管，梁柱連接方式主要以剛接為主[4]。

c.鋼筋混凝土環(huán)形桿結(jié)構(gòu)：此構(gòu)架結(jié)構(gòu)形式主要由鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土建造，施工受氣候天氣等影響較大，需根據(jù)不同自然條件和需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，可靠性相對(duì)于其他構(gòu)架較低，現(xiàn)已應(yīng)用不多。

d.格構(gòu)式桿塔結(jié)構(gòu)：此構(gòu)架結(jié)構(gòu)多采用鋼管進(jìn)行主體焊接，高強(qiáng)度角鋼作為肋條加強(qiáng)，使結(jié)構(gòu)成為承載力及可靠度均較高的不變體系，由于其能夠承載較大負(fù)荷的優(yōu)勢(shì)明顯，近年在我國(guó)運(yùn)用較多。

本文選取了一個(gè)220 kV開(kāi)關(guān)站出線構(gòu)架模型對(duì)變電構(gòu)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行討論，模型(見(jiàn)圖1)及條件(見(jiàn)表1—表3)如下。

圖1 變電構(gòu)架模型示意圖

表2 變電構(gòu)架導(dǎo)線和地線工藝荷載 kN

表3 場(chǎng)地條件

2 各種荷載對(duì)變電站構(gòu)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響

作用在變電構(gòu)架上的荷載主要由以下3類組成：

a.永久荷載：構(gòu)架自重、導(dǎo)線及絕緣子自重、固定設(shè)備等產(chǎn)生的荷載。

b.可變荷載：作用在構(gòu)架和導(dǎo)線上的風(fēng)荷載、裹冰荷載、地震作用、檢修荷載以及溫度變化所產(chǎn)生的熱脹冷縮。

矩陣?yán)碚撛诰€性代數(shù)中的應(yīng)用，遠(yuǎn)不止于此。但是，矩陣，線性方程組和向量組之間的轉(zhuǎn)化是同濟(jì)大學(xué)第六版教材的精華之處，另辟蹊徑。尤其在后面章節(jié)，向量組的線性相關(guān)性一節(jié)，更是把三者之間的互助轉(zhuǎn)化用到極致。如，向量組線性相關(guān)，等價(jià)于齊次線性方程組有非零解，等價(jià)于向量組的秩小于向量組中向量的個(gè)數(shù)。因此，教師和學(xué)生在學(xué)習(xí)中，充分體會(huì)這一聯(lián)系，達(dá)到理想的教學(xué)和學(xué)習(xí)效果。

c.偶然荷載：短路產(chǎn)生的電動(dòng)力及其他在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)不一定出現(xiàn)，一旦出現(xiàn)會(huì)產(chǎn)生巨大破壞力的荷載。

下面選取3項(xiàng)對(duì)變電構(gòu)架影響較大的荷載類別進(jìn)行模擬，以分析其對(duì)變電構(gòu)架帶來(lái)的影響。

2.1 風(fēng)荷載對(duì)變電構(gòu)架的影響

此處所提及的風(fēng)荷載為作用在構(gòu)架上的風(fēng)荷載，作用在導(dǎo)線上的風(fēng)荷載在導(dǎo)線荷載中體現(xiàn)。其計(jì)算方法及參數(shù)取值與GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》相同。圖2為構(gòu)架風(fēng)荷載布置圖。

圖2 構(gòu)架風(fēng)荷載布置

由圖3可以看出，構(gòu)架的變形主要來(lái)自相對(duì)透風(fēng)率較小的橫梁以及橫梁對(duì)其支座——鋼結(jié)構(gòu)人字柱的拉扯。梁、柱節(jié)點(diǎn)可靠及橫梁足夠的剛度是抵抗風(fēng)荷載的重點(diǎn)。

圖3 風(fēng)荷載在最不利工況下構(gòu)架變形

2.2 地震作用對(duì)變電構(gòu)架的影響

地震導(dǎo)致塔架破壞的情況時(shí)有發(fā)生，在塔架設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)地震進(jìn)行驗(yàn)算及分析十分必要。在塔架計(jì)算中需要特殊注意的是地震驗(yàn)算時(shí)2個(gè)主軸方向均應(yīng)考慮。構(gòu)架與導(dǎo)線相連接，其組成體系具有空間耦合的動(dòng)力響應(yīng)并表現(xiàn)出明顯的幾何非線性特性[5]，地震計(jì)算較為復(fù)雜，尤其在考慮基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)把重點(diǎn)放在水平荷載，在考慮能量輸入的同時(shí)也應(yīng)考慮基礎(chǔ)與土的共同作用。圖4為地震作用下最不利工況的構(gòu)架變形圖。

圖4 地震作用下最不利工況的構(gòu)架變形

2.3 導(dǎo)(地)線荷載對(duì)變電構(gòu)架的影響

導(dǎo)(地)線荷載是指在掛點(diǎn)產(chǎn)生的垂直荷載、側(cè)向風(fēng)壓和水平張力。其荷載來(lái)源主要是導(dǎo)線上的風(fēng)荷載、溫度變化、裹冰荷載和檢修荷載。此荷載是變電構(gòu)架特有的荷載，也是構(gòu)架的主要荷載。圖5為導(dǎo)(地)線荷載加載點(diǎn)位圖，圖6為導(dǎo)(地)線荷載在最不利工況下構(gòu)架變形圖。通過(guò)圖形資料可以看出，導(dǎo)(地)線荷載對(duì)構(gòu)架結(jié)構(gòu)的影響是不可忽視的，也是構(gòu)架結(jié)構(gòu)破壞的一個(gè)主要原因，是決定節(jié)點(diǎn)、構(gòu)架剛度的重要因素。

(a)導(dǎo)線荷載加載點(diǎn)

(b)地線荷載加載點(diǎn)圖5 導(dǎo)(地)線荷載加載點(diǎn)位

圖6 導(dǎo)(地)線荷載在最不利工況下構(gòu)架變形

2.4 荷載組合

在單項(xiàng)荷載計(jì)算時(shí)，對(duì)變電構(gòu)架的各項(xiàng)荷載取值均為相應(yīng)規(guī)范規(guī)定年限的重現(xiàn)期統(tǒng)計(jì)計(jì)算數(shù)值，這些荷載可以出現(xiàn)在任何時(shí)刻，但是，這么多的荷載同時(shí)以最大值出現(xiàn)的可能性很小，故在設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)荷載進(jìn)行組合。圖7及圖8為不同荷載組合下構(gòu)架變形圖。

圖7 荷載組合1構(gòu)架變形

圖8 荷載組合2構(gòu)架變形

3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

變電構(gòu)架的基礎(chǔ)主要采用獨(dú)立基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)通過(guò)法蘭盤(pán)與上部結(jié)構(gòu)相連接。通過(guò)某節(jié)點(diǎn)支座反力分析可以發(fā)現(xiàn)：其豎向負(fù)荷較小，水平荷載較大，故在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)截面及配筋時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注風(fēng)荷載、地震作用、導(dǎo)(地)線荷載所產(chǎn)生的剪力及彎矩帶來(lái)的基礎(chǔ)傾覆問(wèn)題。

4 優(yōu)化過(guò)程

變電構(gòu)架的設(shè)計(jì)是多元化的，需要根據(jù)不同的地理環(huán)境、使用要求、電壓等級(jí)、節(jié)約土地資源等限定條件反復(fù)設(shè)計(jì)、優(yōu)化，最終調(diào)試出安全可靠、功能齊全、方便使用、占地面積相對(duì)較小、最為合理的結(jié)構(gòu)選型。本文案例中通過(guò)反復(fù)計(jì)算及優(yōu)化得出最終桿件應(yīng)力比分布見(jiàn)圖9，主要桿件的應(yīng)力比集中在0.7～0.8，可以認(rèn)為此設(shè)計(jì)較為合理。

圖9 桿件應(yīng)力比分布

5 結(jié)論

a.經(jīng)過(guò)有限元軟件進(jìn)行的整體分析可以得出該結(jié)構(gòu)案例受力較好，內(nèi)力、應(yīng)力比、變形均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范及規(guī)程的要求。

b.根據(jù)限定條件選擇合理的變電構(gòu)架形式，能夠使工藝要求的滿足度、結(jié)構(gòu)的安全可靠度、建造經(jīng)濟(jì)性均得到較好的收益。

c.變電構(gòu)架獨(dú)有的受力特性和荷載種類直接影響著變電構(gòu)架的選型、截面、基礎(chǔ)等設(shè)計(jì)，這就要求在變電構(gòu)架設(shè)計(jì)中應(yīng)力求荷載取值及荷載組合的準(zhǔn)確性，保證無(wú)錯(cuò)項(xiàng)、無(wú)漏項(xiàng)。

d.設(shè)計(jì)時(shí)帶入優(yōu)化理念，往往可以得到傳力路徑更為明確、受力更為合理、成本更為節(jié)約的變電構(gòu)架。

e.變電構(gòu)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確優(yōu)質(zhì)對(duì)輸發(fā)電乃至整個(gè)變電站系統(tǒng)建設(shè)有著不可忽視的影響，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案可以獲得經(jīng)濟(jì)、安全、使用便利等多方面的效益，運(yùn)用優(yōu)化思維使變電構(gòu)架設(shè)計(jì)更加完善是電力建設(shè)不可忽視的方向。