某水电站出线门形架结构设计

杨建东

（中国水电顾问集团 西北勘测设计研究院，陕西西安 710065）

1 工程概况

该水电站位于青海省尖扎县与化隆县交界的黄河干流上，上距李家峡水电站约17 km，下距公伯峡水电站约53 km。枢纽建筑物由左岸及河床土石坝，右岸滩地泄洪闸、混凝土重力坝、电站厂房坝段、右岸副坝等建筑物组成。正常蓄水位2 033.0m，总库容2 880万m3，总装机容量283.5 MW，多年平均发电量9.92亿kW·h，年利用小时数3 500 h。工程的主要任务是发电[1]。

电站厂房安装7台贯流式机组，单机容量为40.5 MW，电站设计水头18.7 m。厂房坝段总长127.50m，安装间坝段长42m，最大挡水坝高46.50m。根据《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》规定，工程属Ⅲ等中型工程，电站厂房为3级建筑物，厂房结构安全级别为Ⅱ级。地震基本烈度为7度，设防烈度为7度[2]。

GIS开关站布置在2 023.30m高程尾水平台上，内设10 t桥机，出线门形架布置在与GIS开关站位置相应的厂房排架柱的顶部。GIS开关站进线四回，出线两回，出线经GIS室出线平台挑至出线门形架送出，接入输电系统。

2 出线门形架结构设计

2.1 结构布置及设计原则

出线门形架布置在与开关站位置相应的厂房排架柱顶部，为4跨门式钢架结构，门形架最大高度17.5m，单跨最大跨度8.15m，总长度29.4m。钢柱为格构柱，布置在厂房排架柱上，断面尺寸为780mm×780mm，主材由4根等肢角钢构成，主材之间由缀条连接。钢梁断面尺寸为b×h=823 mm×800 mm，断面形式与钢柱相同。

排架简化为纵、横2个方向进行计算，结合出线角度，将导线及避雷线张力分解至纵、横方向。纵向为门式钢排架结构，见图1。横向计算时，每根钢柱简化为一独立悬臂柱结构。

主要设计原则如下：

1）结合工程所在地情况，按照《建筑结构荷载规范》考虑风荷载、雪荷载[3]。

2）根据《110～500 kV架空送电线路设计技术规程》，可不进行抗震验算[4]。

3）水工钢结构按照容许应力法计算：

式中，Ni为根据标准荷载求得的内力；S为构件的几何特性；[σ]为钢材的容许应力。

4）根据《钢结构设计规范》，验算构件的整体稳定和局部稳定性。

5）容许位移值。根据《35～110 kV变电所设计规范》，[△]＝L/200，L为柱高[5]。

图1 门形架纵向立面简图

2.2 荷载计算

出线门形架主要承受的荷载包括：自重、导线及避雷线张力、风荷载、雪荷载、操作人员及工具荷载。

1）自重。包括所有构件的自重荷载。

2）导线及避雷线张力。根据电气一次专业提供的技术接口资料确定。接口资料应包括门形架布置位置，导线及避雷线布置方式、出线角度、挂点位置、最大张力，以及所选择的挂线金具的规格型号等资料。导线布置在横梁上，避雷线布置在柱顶。最大张力相应地按照出线角度分解到纵、横2个方向，分别施加到纵向排架和横向悬臂柱上。本计算中，导线及避雷线张力是在考虑覆冰、最大风速等情况下可能出现的最大张力。

3）风荷载。结构纵向及横向都承受风荷载，荷载值根据《建筑结构荷载规范》确定。其中基本风压根据《建筑结构荷载规范》附录D附表D.4规定的50年一遇风压确定。

4）雪荷载。根据《建筑结构荷载规范》规定计算，其中，框架按积雪全跨均匀分布考虑，基本雪压根据《建筑结构荷载规范》附录D附表D.4规定的50年一遇雪压确定。

5）施工期或检修期操作人员及工具荷载。按4 kN/m均布荷载考虑。

2.3 内力、构件设计及连接的计算

1）结构纵向简化为钢排架结构，采用PKPM程序进行计算。限于篇幅关系，仅列出弯矩包络图和位移图分别见图2，图3。

图2 弯矩包络图

图3 节点位移图

2）横向为独立悬臂柱结构，采用结构力学方法进行计算。

3）钢架横梁简化为单榀桁架，采用理正软件进行计算。

结合相关资料或工程经验，先初步选定构件主材型号，然后建立模型并计算内力，验算排架的位移，根据《钢结构设计规范》的规定验算构件的强度和稳定性。最终确定各构件的钢材型号。其中，在计算钢柱时，纵、横两个方向的计算内力值应叠加，按叠加后的内力值计算主材[6]。

梁和柱的连接、柱与基础的连接均采用螺栓连接，按照规范要求对螺栓连接进行计算，选取合适型号的螺栓，计算结果均满足规范要求。

作为安全储备措施，在门形架上游侧设置打拉线，打拉线为钢绞线，一端挂在钢柱上，一端挂在厂房另一侧排架柱顶部预埋的挂环上，并且在安装时控制一定的预张拉力。

3 结语

出线门形架一般采用门式钢架结构，构件截面通常采用格构式。计算中应该注意几点问题：

1）出线架通常布置在排架柱顶部，由于排架柱尺寸有限，所以限制了门形e架的构件尺寸，计算时应注意钢柱基础与排架柱的连接的计算和构造要求，同时应复核厂房排架柱是否安全。

2）布置需要结合电气专业的出线形式等综合考虑，做好专业间的配合工作，才能做到结构布置安全合理。尽量减小钢架的高度和跨度，可以降低设计难度。

计算表明该结构设计是安全合理的。随着该水电站的建成发电，该门形架已经投入正常使用。

[1]中国水电顾问集团西北勘测设计研究院.黄河康扬水电站工程厂房、安装间、右副坝单位工程验收报告[R].2006.

[2]DL5077-1997水工建筑物荷载设计规范[S].

[3]GB50009-2001建筑结构荷载规范[S].

[4]DL/T5092-1999 110～500 kV架空送电线路设计技术规程[S].

[5]GB50059-92 35～110 kV变电所设计规范[S].

[6]GB50017-2003钢结构设计规范[S].