750 kV 格构式变电构架结构选型及优化研究

商文念 刘建秋 魏珍中

(山东电力工程咨询院有限公司，山东济南 250013)

0 引言

随着电力建设的快速发展，变电站采用格构式梁柱的结构形式越来越多［1］，采用这种形式是非常必要的，一是满足国外工程要求，二是超高电压等级的构架高度较高、跨度大、荷载大，变电构架可以采用普通钢管结构、钢管格构结构和角钢格构结构，三种结构形式的经济性并没有学者进行相关的研究。

传统的平面计算分析方法，不能直观反映构件的真实的受力状态，造成大量构件的强度未能充分发挥，而局部一些构件处于满应力工作状态，不仅结构用钢量不低，而且结构的整体安全度不高。

本文构架计算采用空间分析方法，构件的计算内力更接近于其实际受力状态，可以对所有的构件依照设定的控制指标进行满应力设计，既保证了构架的整体安全度水平一致，又有效地节省钢材，降低工程造价。

1 设计条件

以某变电站中的750 kV连续四跨构架为例，柱距为48 m，高度为38 m，钢材的弹性模量取E=2.06×1011N/m2，密度取ρ=7 800 kg/m3，泊松比取μ=0.3。本文构架柱采用梁单元模型来模拟，单线透视图如图1所示。

图1 格构梁柱三维透视单线图

基本风压:0.50 kN/m2(考虑到结构的重要性，按100年一遇查表)，地面粗糙度:B类。

作用在构架上的荷载主要有:结构自重、风荷载、冰荷载、上人、安装检修、短路冲击、导线张力、温度作用、地震作用。所有构架按照最终规模所产生的荷载进行分析计算，线路荷载系数如表1所示，风荷载系数如表2所示，计算过程根据实际情况只考虑单侧挂线情况。

由于本工程属于极端最低气温达到-27.7℃，设计时，不但要考虑导线覆冰，还要考虑结构覆冰荷载。

根据文献［3］第3.3.4条规定:连续构架长度总长度超过100 m时，应考虑温度作用效应的影响。本工程构架布置时，为减少温度作用效应的影响，虽然中间设伸缩缝，但每侧4跨构架(43.00×4=172.00)已超出规范要求，需要考虑温度作用。

表1 线路专业提供的导线荷载 kg

表2 风荷载系数取值［2］

2 构架动力特性分析

通过STAAD动力分析，利用分块的Lanczos算法，分析得到构架前6阶频率如表3所示，振型模态如图2所示。

表3 构架前6阶频率 Hz

图2 构架前3阶模态

3 结构类型比较

3.1 等截面普通钢管结构

750 kV构架A型构架柱根开设置为7 m，端撑根开设为7 m，中间设置2道横撑。三角形钢梁宽3 m。构架梁采用三角形格构梁形式，如图3所示。这样可以便于加工、安装，也可以减轻梁自重，节省钢材。750 kV配电装置构架挂线点高度38 m，等截面普通钢管结构在每组连续构架一端设置端撑。基础采用杯口基础，柱脚按刚接设计。

图3 梁的计算单线图

3.2 钢管、角钢格构柱结构

格构柱底部断面取5.5 m×2.5 m，顶部地线柱断面取1 m×1 m，在设计中格构柱每隔2个～3个节间设置一道横隔，在柱变截面处及有较大荷载处也设置横隔。

构架横梁采用矩形格构式钢梁，型钢梁宽2.5 m，高2.5 m，如图4所示。荷载较大时，多跨连续矩形断面格构式钢梁用钢少，构造简单。

图4 格构梁计算单线图

钢管格构结构，采用杯口基础，插入式刚接柱脚，构造简单，施工容易，设计按刚接柱脚考虑。

3.3 计算结果比较

通过对上述的三种结构类型进行统计可以得出三种结构类型的用钢量，如表4所示。

表4 格构式柱、梁主材及用钢量

从表4可以看出，钢管格构构架较普通钢管构架节约钢材17%，钢管格构构架较角钢格构构架节省钢材27%，综上所述，采用钢管格构式构架从经济上最省。

4 节点设计

750 kV构架节点设计原则应考虑，在满足承载力的前提下，施工安装方便，并参考国内其他变电工程和线路塔架成熟的节点形式。

腹杆与主材的连接节点。

梁、柱主材(圆钢管)通过节点板，用普通螺栓与腹杆角钢或钢管铰接连接，螺栓分并列布置和错列布置。节点形式可参考线路钢管塔之K形节点连接形式，该形式节点经过试验的多次验证，比较成功［4，5］。

根据国内部分试验结论［6］，插接板厚为8 mm的试件承载力并不比板厚为6 mm的试件的承载力要高，这说明插接板只需保证不先于管件破坏即可，盲目加大板厚不仅不会增加构件的承载力，反而会因为增加了节点的构造偏心，导致构件承载力有所下降。

对于750 kV构架在受力较大部位采用环形补强板，其适用于大承载力、钢管变形要求严格的场合。并且要控制节点板宽度，节点板宽度加大，其承载力不仅不增加，反而有所下降，这是由于钢管的扁平变形随两端环形补强板距离的增大而变大造成的，节点板变形随着节点板宽度的增大而明显变大，节点部位的总变形δ也随之增大。

5 主要结论

本文研究分析了750 kV连续格构式构架的受力，主要做了以下研究工作:

1)利用空间计算分析的手段，研究了其动力特性和结构形式的选择，对三种750 kV常用的构架形式(钢管格构构架、普通钢管构架、角钢格构构架)进行了分析，得出采用钢管格构式构架从经济上最省。

2)优化750 kV格构式构架的结构形式及节点设计，提出对于750 kV构架受力较大部位可采用环形补强板加强，提出设计此类变电构架结构时所需注意的事项，为类似工程设计提供参考与借鉴，达到经济、合理、降低工程造价的目的。

［1］魏志强，陈寿标.格构式配电装置钢构架分析与选型［J］.能源与环境，2011(5):40-41，43.

［2］中南电力设计院.变电构架设计手册［M］.武汉:湖北科学技术出版社，2006.

［3］DL/T 5457—2012，变电站建筑结构设计技术规程［S］.

［4］毛军朋.特高压输电塔半刚性K型节点受力性能分析［D］.重庆:重庆大学，2012.

［5］李卫青.大跨越输电塔钢管节点承载力的试验研究与理论分析［D］.杭州:浙江大学，2011.

［6］袁 俊.特高压钢管塔插板连接K型节点承载力研究［D］.重庆:重庆大学，2012.