变电站三角形格构式构架横梁截面经济性分析

胡　晨，崔　宏

(国网安徽省电力公司经济技术研究院，安徽合肥 230022)



变电站三角形格构式构架横梁截面经济性分析

胡晨，崔宏

(国网安徽省电力公司经济技术研究院，安徽合肥 230022)

摘要：本文重点对省内变电站220kV构架横梁的截面尺寸的经济性进行分析评价。针对在不同的导线荷载作用下，研究分析不同横梁截面尺寸对横梁钢材量的影响，并通过验证截面尺寸与钢材量的相对平衡点，提出了对应不同荷载条件的相对经济的横梁截面尺寸。

关键词：构架 ；格构式梁变电站；截面尺寸；不同荷载

0引言

作为变电站中最重要的构筑物之一，构架承担着变电站架空出线的重要任务。目前220kV及以下电压等级变电站中，考虑到环保及全寿命周期等因素，构架已普遍采用全钢结构，即钢管人字柱+角钢格构式横梁[1]。构架的钢材用量主要由其所受导线拉力及横梁跨度所决定，其钢材费用对变电站建设的建筑工程费用有着直接的影响[2]。

由于横梁为格构式，因此在受到导线荷载作用时，横梁的截面尺寸对钢材用量的影响较大。当截面尺寸较大时，由于构件的力矩作用加大，可使主材的内力相应减小，从而减小构件的截面并降低主材钢材用量，但由于空间尺寸的增加而使横梁的辅材(包括水平斜材及侧面斜材)的计算长度增加，从而导致辅材为了满足稳定性的计算要求而增大截面。相应的，若截面尺寸减小，尽管会降低辅材的计算长度而减小辅材截面，但也会由于构件的力矩作用减小而导致的主材截面的增加[3]。

因此对于变电站的构架横梁存在对应各级荷载大小的合理截面尺寸，可使横梁的钢材用量达到相对最经济[4]。下面本文将以安徽省内220kV变电站构架为例进行计算验证。

本文所采用的计算方法是已在电网设计中应用多年的手算法，采用手算法也是方便读者进行论证，该手算法早已被相关钢结构设计软件(如STAAD CHINA)验证过，精度满足工程要求，相关计算方法可参见本文的参考书目，此处不再赘述。且由于篇幅所限，本文计算过程进行了必要的简化[5]。

1常规构架梁计算

1.1出线横梁的计算条件

现有安徽省内220kV变电站中220kV构架高度为14.5m，跨度为13m，220kV出线构架横梁所受拉力见表1[6]。

表1　220kV出线构架横梁单相拉力表　　单位：kN

注：1.出线横梁不考虑三相上人检修的情况。

2.220kV出线横梁的自重按照0.77kN/m，110kV出线横梁的自重按照0.6kN/m进行计算。

结合安徽省大部分地区的水文气象条件，本文中的覆冰工况是基于导线覆冰10mm来进行计算，而大风工况是基于风速V=27m/s的情况[7]。

1.2出线横梁的截面验算

安徽省内220kV变电站中的220kV构架出线横梁常用的尺寸见图1，目前根据安徽省内的大部分的线路导线拉力情况，横梁纵向上主材常用L75×8，纵向下主材常用L80×8，侧面斜材常用Φ22的圆钢，底面水平斜材常用L50×5及L40×4。

图1横梁截面

构架横梁常用截面尺寸为b=750mm，h=706mm，a=800mm。

横梁的结构透视图见下图2：

图2横梁结构透视图

构架结构透视图如下图3。

图3构架结构透视图(4跨连续)

横梁受力简图见图4。

图4横梁受力简图

1.2.1上部主材

上部主材计算由安装工况荷载控制，横梁中部作用垂直向导线安装荷载8.85kN，结合安装检修工况荷载，横梁纵向跨中截面最大设计弯矩为78.68kN.m。(安装工况拉力分项系数取1.2)

由跨中最大设计弯矩可得出跨中截面上主材等效设计轴力为111.44kN。

1.2.2下部主材

安徽省内220kV变电站220kV配电装置多为8回双列布置，出线构架均为4跨连续，可不计算横梁纵向侧风力，一般覆冰工况为最不利，可选取其进行计算比较。

覆冰工况单相导线荷载为15kN，可知横梁跨中截面最大水平设计弯矩为86.3kN.m，最大竖直设计弯矩为45.6kN.m(覆冰工况拉力分项系数为1.3)。

下部两侧主材在单方向侧向力作用下，分别受拉或受压，根据结构力学方法，可知受拉杆件拉力：

受压杆件压力：

(压力计算式中，竖直向弯矩为有利荷载，因此分项系数取1.0。)

下主材选用L80×8，型钢截面面积为1230mm2，γy0=15.7mm。

1.2.3底面水平斜材

1.2.3.1边段计算

η—折减系数，η=0.6+0.0015λ=0.76。

1.2.3.2中段计算

η—折减系数，η=0.6+0.0015λ=0.81。

1.2.4侧面斜材

1.2.4.1边段斜材

由于覆冰工况荷载最大，因此取覆冰工况进行计算。

边段侧面斜材所受竖直向剪力为Vk=12.7kN，因此等效设计轴力为

1.2.4.2中段斜材

中段侧面斜材所受竖直向剪力为Vk=5.6kN，因此等效设计轴力为

1.3出线横梁钢材量估算

为了总结横梁尺寸与钢材量的关系的便利，本文采用钢材量的简易估算方法，见表2。

表2　出线横梁钢材量估算表

考虑连接件及构造杆件的重量20%，常用单根出线横梁重量约为820kg。

1.4不同横梁尺寸比较

为了同常用尺寸进行比较优化，笔者选取另外两种截面进行比较(为了便于比较，构件分段不随截面尺寸变化)。

1.4.1截面一：b=1000mm，h=980mm，a=1100mm

通过计算，上主材选用L75×6，下主材选用L75×8即可；底面水平斜材边段选用L50×6，中段选用L45×5；侧面斜材边段及中段均选用Φ22。钢材用量见表3：

表3　截面一横梁钢材量估算表

考虑连接件及构造杆件的重量20%，常用单根出线横梁重量约为930kg，在同等荷载条件下所耗钢材量大于常规尺寸截面用量。

1.4.2截面二：b=600mm，h=575mm，a=650mm

通过计算，上主材选用L80×8，下主材选用L90×8；底面水平斜材边段选用L50×5，中段选用L40×4；侧面斜材边段及中段均选用Φ22。钢材用量见表4：

表4　截面二横梁钢材量估算表

考虑连接件及构造杆件的重量20%，常用单根出线横梁重量约为875kg，在同等荷载条件下所耗钢材量大于常规尺寸截面用量。

由三种截面的计算结果比较，可见对于给定的荷载条件，过大的横梁截面尺寸虽然可降低纵向主材的重量，但由于几何尺寸的增加会带来斜材重量的增加，而过小的横梁截面尺寸则相反。因此对于横梁的钢材用量，合理截面尺寸与荷载条件存在一个相对关系，可以使横梁的钢材用量达到相对最节省。

2特殊荷载作用下横梁的计算

变电站内220kV配电装置若出现取消中间构架或选用四分裂导线的情况，导线拉力可能会出现常规拉力的2～3倍，对于特殊荷载的横梁，下面将对其通过试算得出合理截面尺寸。(横梁截面型式仅考虑三角形格构式截面)。

覆冰工况单相导线拉力取30kN，竖向导线拉力为10kN，且为方便计算，假设上主材同下主材，并按照下主材计算确定，对本文最终目的不会产生影响。

根据计算，横梁跨中截面最大水平设计弯矩为172.5kN.m，最大竖直设计弯矩为95kN.m。计算中主材选取按照相同的应力比控制。

2.1截面A：b=750mm，a=800mm，h=706mm

根据计算上、下主材选用L100×10；底面水平斜材边段选取L63×6，中段选取L45×5；侧面斜材选用Φ25。

钢材用量见表5：

表5　 截面A横梁钢材量估算表

考虑连接件及构造杆件的重量20%，常用单根出线横梁重量约为1168.7kg

2.2截面B：b=1000mm，a=1100mm，h=980mm

根据计算上、下主材选用L90×10；底面水平斜材边段选取L63×6，中段选取L45×5；侧面斜材选用Φ25。

钢材用量见表6：

表6　 截面B横梁钢材量估算表

考虑连接件及构造杆件的重量20%，常用单根出线横梁重量约为1282.1kg。

注：虽然截面二相比于截面一主材重量有所降低，但由于斜材的荷载所差不多，且截面二的斜材构件长度较长，导致稳定系数较小，因此两种截面的斜材截面基本一致，故截面二的斜材重量较大，反而导致截面二总重量较大。

2.3截面C：b=1500m，a=1650m，h=1470m

由上述两个截面计算情况来看，当荷载水平较大时，占横梁重量较大比重的侧面斜材已不适宜采用截面积较大且回转半径较小的圆钢，因此主材选用L90×7；底面水平斜材边段选取L70×6，中段选取L50×5；侧面边段斜材选用L45×4，侧面中段斜材采用L36×4。

钢材用量见表7：

表7　截面C横梁钢材量估算表

考虑连接件及构造杆件的重量20%，常用单根出线横梁重量约为1117.3kg。

可见对于三角形格构式横梁，随着截面尺寸的加大，主材截面由于力矩的变化而变小，但由于斜材的计算长度的变长，导致斜材截面的增大，使得较大的截面尺寸的横梁钢材量可能会因为斜材重量的增加超过主材重量的减少，从而总重量增加。

3结论

(1)当采用三角形格构式横梁时，截面宽度与高度合理比值接近水平向荷载与竖直向荷载比值，一般来说，考虑到悬垂串、自重与挠度的因素，建议三角形截面高度与宽度的比值为0.90左右，此时截面的高宽比相对较为经济。

(2)由于变电站横梁所受水平荷载相比较于竖向荷载要大，因此水平向尺寸的选取更为重要。较大的水平向尺寸可以使同样水平荷载条件下的横梁纵向主材截面更小，但主材间距的加大也导致辅材截面的加大，因此同样的尺寸条件下一般存在一个最经济截面。根据上述计算的结果，推荐如果条件允许的情况下，当截面水平向尺寸(单位mm)为水平向单相最大荷载(单位N)的0.5倍左右时，一般情况下是最经济的截面。

(3)当横梁受力较小时，截面侧面斜材采用圆钢不仅施工方便，而且也相对经济，但当截面尺寸加大时，圆钢的回转半径较小的缺点暴露出来，反而不如采用角钢经济。因此建议一般情况下，当横梁水平向单相最大荷载达到20kN以上时，并且截面尺寸相应增大时，横梁的侧面斜材改为角钢是更为经济的。

参考文献

1高赞，张银华，张广平，等.某750kV变电站钢构架基于经济性能的优化分析[J].江西科学.2015(03)：411-414.

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6DL/T 5218-2012，220kV～750kV变电站设计技术规程[S].

7DL/T 5457-2012，变电站建筑结构设计技术规程[S].

8GB50017-2003，钢结构设计规范[S].

The Economic Analysis for Section of Triangle Lattice Beam
on Frames in Substation

HU Chen, CUI Hong

(Anhui JIANZHU University ,College of Civil Engineering, Anhui Hefei, 230601)

Abstract:In this paper, the analysis and evaluation of the economic performance of the cross section dimensions of the 220KV frame beams in the Anhui province. In view of the different wire load, the influence of different cross section size on the steel quantity is studied, and by verifying the relative balance between the section size and the steel, the cross section size of the beam is put forward.

Key words:frame structure; lattice beam; substation; sectional dimension; different loads

收稿日期：2015-07-01 2015-06-09

作者简介：：胡晨(1983-)，男，硕士研究生，主要从事变电站土建设计。

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150606

中图分类号：TU391

文献标识码：A

文章编号：2095-8382(2015)06-025-06

基金项目：国家自然科学基金项目(11272111)