角钢格构式门型变电构架柱根开的数值模拟及应用研究

徐皇冈，崔洪波，陈志林

（1.武汉联动电力设计股份有限公司，湖北武汉　430070；2.国核电力规划设计研究院，北京　100095）

角钢格构式门型变电构架柱根开的数值模拟及应用研究

徐皇冈1，崔洪波2，陈志林1

（1.武汉联动电力设计股份有限公司，湖北武汉430070；2.国核电力规划设计研究院，北京100095）

为了研究角钢格构式门型变电构架根开的合理取值，利用SAP2000进行大量的数值模拟计算，并对计算结果进行技术经济分析对比，提出了基于电气工艺要求的纵向根开拟合计算公式，并将研究成果在国际工程中进行应用检验。根开拟合计算公式极大提高了设计效率，结果表明，具有很好的经济和社会效益。

根开；柱高；腹杆布置方式；导线张力；数值拟合

在格构式结构选型设计中，根开的设计和优化是首要的工作。合理的根开能有效利用和充分发挥主材和腹杆的材料性能，减少结构的用钢量，减小占地面积。因此，格构式变电构架柱的根开研究具有很好的经济和社会效益。

我国的电力行业标准《变电站建筑结构设计技术规程》对人字柱结构的根开有明确规定：人字柱的根开与柱高之比，不宜小于1/7；打拉线构架平面内柱脚根开与柱高之比，不宜小于1/5［1］；而对格构式构架柱的根开却没有明确规定。

角钢格构式变电构架具有构件尺寸小、自重轻、制作、运输及防腐处理方便、承载力大、经济性良好等优点，在国外变电工程中应用广泛［2-4］。

目前，关于角钢格构式构架柱根开取值的理论和应用研究尚为空白，近年来我国格构式门型变电构架的设计应用极少［5-8］。因此，工程设计中根开取值需要不断试算进行调整优化，极大影响了设计效率。

针对这一现状，本文利用大型结构分析计算软件SAP2000，对角钢格构式构架柱根开及其影响因素进行了大量的建模计算，并对计算结果进行经济技术对比分析，提出了基于电气专业工艺要求的纵向根开拟合计算公式，并利用国外工程项目进行应用检验。结果表明，该计算公式极大地提高了设计效率，具有很好的经济和社会效益。

1　根开的数值模拟

角钢格构式门型变电构架的SAP2000结构计算模型如图1所示，基本条件如下。

基本风压：0.45 kN/m2

角钢梁跨度：15 m；三相挂线相间距：3.5 m

角钢梁截面：1.5 m×1.5 m

主材：Q345；腹杆：Q235

图1　角钢格构式门型变电构架的SAP2000结构计算模型Fig.1　Calculation model of SAP2000 Structure steel lattice door type substation structures

图1中：X为横向根开；Y为纵向根开；Ro为垂直荷重；Ho为水平张力；Fo为侧向风压。

1.1横向根开

1.1.1横向根开与柱高的关系

为研究格构式柱横向根开与柱高的关系，导线荷载采用：导线张力Ho=20 kN，垂直荷载Ro=8 kN。侧向风压Fo=2.5 kN。纵向根开（Y）设为1.5 m，在张力相同的情况下，针对3种不同的柱高12.0 m、15.0 m、18.0 m，构架柱的应力比随横向根开（X）的变化趋势，如图2所示。

图2　不同柱高（H）情况下横向根开（X）对柱肢的影响Fig.2　Influence of lateral root in column pier under the different height of column

图2中：强度应力比指结构构件的计算强度值与构件所用钢材的强度设计值之比；稳定应力比指结构构件的平面内和平面外计算稳定值与构件所用钢材的强度设计值之比；应力比直接反映结构构件的强度利用效率。

由图2可知，在柱高一定的情况下，当横向根开增大到一定程度后，柱肢的内力变化趋于平缓。图3为转换后的柱高与根开比值（H/X）的变化曲线。

图3　柱高与横向根开比值（H/X）对柱肢的影响Fig.3　Ratio influence of column height and lateral root in column pier

由图3可知，当柱高H＞12.0 m时，柱高与横向根开的比值H/X减少到一定数值以后，柱肢的应力比变化区域平缓，此时柱高与横向根开关系满足：

即格构式柱的横向根开不宜超过柱高的1/8，超过1/8以后，继续增加横向根开对减小柱肢内力的贡献基本趋于平缓。

1.1.2横向根开与纵向根开的关系

为研究格构式柱纵向根开（Y）对横向根开（X）的影响，利用SAP2000在同张力同柱高的情况下，采用不同的柱纵向根开进行建模分析，相应的构架柱肢应力比变化如图4所示。

图4　不同纵向根开（Y）情况下横向根开（X）对柱肢的影响Fig.4　Influence of lateral root in column pier under the different longitudinal root

由图4可知，在纵向根开一定的情况下，柱肢的应力比随着横向根开的增加而减小，且当横向根开增加到一定大小后，柱肢的应力比变化趋于平缓。图5为转换后的纵、横向根开比值（X/Y）的变化曲线。由图5可知，当柱肢的应力比变化趋于平缓时，横向根开与纵向根开近似满足如下比例关系：

图5　不同横、纵向根开比值（X/Y）对柱肢的影响Fig.5　Ratio influence of lateral root and longitudinal root in column pier

即格构式柱的横向根开与纵向根开的最大有效比例约为1.2倍，超过1.2倍以后，继续增加横向根开对减小柱肢内力的贡献趋于平缓。

1.1.3横向根开的经济性研究

在相同柱高、相同导线张力的情况下，不同横向根开对应的格构式柱的每米用钢量变化趋势如图6所示。

图6　不同横向根开情况下每米用钢量变化图Fig.6　Per meter steel quantity change chart of column under different lateral root

由图6可知，格构式柱的每米用钢量与柱横向根开成曲线变化关系，横向根开越大，柱每米用钢量越大，当横向根开达到1.8 m以上时，每米用钢量曲线的斜率陡然较大，曲线上升较快。

因此，在格构式柱的选型设计中，为充分提高材料性能的利用率，降低用钢量，提高结构经济性，横向根开不宜过大。

1.2纵、横向根开对柱肢的影响大小对比

为了对比分析格构式柱纵向根开和横向根开对柱肢的应力比影响，在柱高相同、导线荷载相同的情况下，设定一侧根开不变，以相同的比例增加另一侧根开，柱肢应力比变化趋势如图7所示。

图7　纵、横向根开变化对柱肢的影响对比Fig.7　Influence of different lateral root and longitudinal root in column pier

由图7可知，相比于纵向根开对柱肢的应力比影响，横向根开的影响较为平缓，且当增大比例达到1.2倍以后，纵向根开对柱肢内力的影响相对较大。

因此，在角钢格构式构架柱的选型设计中，考虑到横向根开对柱肢的影响相对较小，横向根开不宜过大，应重点考虑纵向根开的优化设计。

1.3纵向根开

1.3.1腹杆布置方式

格构式构架柱腹杆体系一般采用以下几种型式：单斜杆式、交叉式、K式，腹杆用钢量一般占到结构总用钢量的50%以上。腹杆布置合理与否，不仅关系到整个结构的受力性能，还影响其经济性和外观造型［3］。

K型腹杆体系能有效减少腹杆和主杆的计算长度，能增加刚度。但K型腹杆带来节点增加，风阻力增大，在一定程度也会增加用钢量。所以，K式腹杆体系一般用于结构尺寸较大的塔架或一般塔架的下部和腿部。

考虑到目前国外变电工程中电压等级不高，变电构架高度不大，因此，格构式构架柱的腹杆布置多采用单斜杆式和交叉式。为研究2种腹杆布置方式对构架柱的影响，利用SAP2000结构分析计算软件进行了数值模拟。如图8所示为不同腹杆节间距情况下腹杆布置方式对柱肢应力的变化趋势。由图8可知，在节点间距相同的情况下，交叉式腹杆布置方式柱肢（主材截面相同）的应力比相对较低，即交叉腹杆布置方式下构架柱的整体刚度相对较大，抗侧力更好，相同柱肢（主材）截面情况下构架柱能抵抗的水平力更大［8］。

图8　不同腹杆布置方式对柱肢（主材）应力比的影响Fig.8　Influence of stress ratio in column pier（main member）under different brace layout

由图9可知，交叉式比单斜杆腹杆布置方式构架柱每米用钢量更省，经济性更好。同时，从图9还可以看出，当节间距不大于1.5 m时，构架柱的单位用钢量变化不大；当节间距大于1.5 m以后，用单位用钢量节省增加明显。

图9　不同腹杆布置方式柱每米用钢量变化图Fig.9　Per meter steel quantity change chart of column under different brace layout

为考察节点距对构架柱的单位用钢量的影响，图10为在3种不同纵向根开的情况下不同节间距对应的构架柱单位用钢量（交叉腹杆布置方式下）的变化趋势。由图10可知，当节间距采用与根开同宽，即节间距与根开的比值约1∶1、腹杆布置角度约45°时，构架柱的单位用钢量相对较少。因此，主材节间距宜根据根开确定，即节间距和根开的比值按1∶1布置时，经济性较优。

在实际工程中，单斜杆式腹杆布置方式常用在荷载小、结构尺寸小的结构中，当结构的尺寸较大时，由于受长细比限制，腹杆材料强度没有充分发挥，而且单斜杆式腹杆分隔节段大，使构架主材计算长度过大，整体较费钢材。交叉式腹杆体系能有效地减少腹杆计算长度，使腹杆强度得以充分发挥，节省腹杆钢材用量，但同样分隔节段大，主材计算长度较大。所以，交叉式腹杆体系一般用于结构尺寸不是很大的构架或大型构架的中上段［3-4］。

图10　不同节间距对柱每米用钢量影响Fig.10　Per meter steel quantity change chart of column under different spacing

因此，在格构式构架柱的设计中，确定腹杆体系往往是依据构造（刚度）要求而定的，构件长细比成为设计中的主要控制因素。应合理设置主材节间距，综合采用不同的腹杆体系，使构架柱各构件强度得到充分发挥，节省用钢量。

1.3.2柱高

为研究柱高与柱纵向根开的关系，利用SAP2000结构分析软件进行了数值模拟，在同张力不同高度的情况下，对3种不同的纵向根开进行了建模分析，计算结果如分析曲线如图11、图12所示。

图11　同张力不同柱高单位钢材用量变化图Fig.11　Per meter steel quantity change chart under the same tension and different height of column

由图11可知，在柱纵向根开一定的情况下，随着柱高的增大，构架柱的单位用钢量也越来越大。当柱高增加到一定程度后，构架柱单位用钢量增加较快，且从图12可以看出，构架柱高（H）与纵向根开（Y）的最大比值为：

图12　不同H/Y比值下单位钢材用量变化图Fig.12　Per meter steel quantity change chart under different ratio of height and longitudinal root of column

即当柱高与纵向根开的比值不大于10.0时，构架柱的经济性较优。

因此，构架柱的纵向根开与柱高的不宜小于1/10。相比于人字柱结构不小于1/7，格构式结构的占地面积更小，经济和社会效益更佳。

1.3.3导线张力

为考察导线张力与构架柱纵向根开的关系，利用SAP2000结构分析软件进行了数值模拟，在同高度不同张力的情况下，对3种不同的纵向根开进行了建模分析，同根开不同张力情况下单位用钢量变化趋势如如13所示。

图13　同根开不同张力单位钢材用量变化图表Fig.13　Per meter steel quantity change chart under the same longitudinal root and different tension of column

由图13可知，构架柱的纵向根开与导线张力的基本呈直线变化关系，导线张力越大，纵向根开要求越大。

1.3.4纵向根开的计算公式拟合

通过对角钢格构式柱纵向根开影响因素的研究表明：

1）柱肢受力由稳定应力比控制。

2）纵向根开尺寸增加，柱肢的应力比相应减少。当纵向根开尺寸较大时，腹杆材料强度不能充分发挥，造成材料浪费，同时占地面积较大；当根开尺寸较小时，弦杆受力大，柱肢的角钢规格较大，结构用钢量增加。

3）横向根开对柱肢的影响相对较小。

4）在横向根开一定的情况下，纵向根开与柱高的比值不宜小于1/10，纵向根开与导线荷载成直线变化关系。

利用对纵向根开影响因素的研究成果进行数值拟合，得到角钢格构式门型变电构架柱纵向根开的计算公式：

式中：Yc为构架柱纵向根开，m；H为构架梁挂点高度，m；Ht为导线水平张力，kN；α为水平张力基准值，取200 kN；β为基于柱高的水平张力调整值，kN。取0.667H角钢格构式门型变电构架柱纵向根开的计算式（4）是在大量的数值模拟情况下，根据经济性最优的原则拟合得出，它很好地解决了角钢格构式构架柱根开取值需要不断试算进行调整优化的问题，提供了一个可根据电气专业工艺要求（高度和导线张力）确定的取值计算公式，可操作性强，有很好的实用意义。

2　工程应用

为了检验角钢格构式门型变电构架根开的研究结果，在国际工程项目赞比亚KASAMA 330 kV变电站新建工程的330 kV变电构架设计中进行了应用。工程情况为：基本风压0.40 kN/m2；梁母线门型构架梁挂点高为15.0 m；导线跨距42.0 m。控制导线荷载为：水平张力Hm=20.34 kN；垂直荷重Rm=9.45 kN；侧向风压Fm=2.26 kN。

出线门型构架梁挂点高21.5 m，跨距76.5 m，控制导线荷载为：水平张力Hc=30.93 kN；垂直荷重Rc= 10.02 kN；侧向风压Fc=2.46 kN。

330 kV构架采用角钢格构式结构，梁跨为21.0 m，梁截面取为1.5 m×1.5 m，三相挂线相间距为5.6 m，柱横向根开同梁宽，取为1.5 m，腹杆节间距1.5 m，纵向根开根据经验公式计算，取值；母线构架柱Yc1= 15×20.34/（200-0.67×15）=1.606，取1.6 m；出线构架柱Yc2=21.5×30.93/（200-0.67×21.5）=3.58，取为3.6 m。

该变电站330 kV构架透视图如图14所示，单跨角钢格构式变电门型构架的SAP200结构计算模型如图15所示。

图14　KASAMA 330 kV变电构架透视图Fig.14　Perspective view of KASAMA 330 kV Substation structures

图15　单跨角钢格构式门型变电构架SAP2000计算模型Fig.15　Calculation model of SAP2000 Structure angle steel lattice door type substation structures

SAP2000结构模型计算结果和经验值对比如表1、表2所示。

表1　纵向根开及柱肢应力比的对比分析表Tab.1　Comparison table of longitudinal root and stress ratio of column pier

表2　主材、腹杆及每米用钢量的对比分析表Tab.2　Comparison table for main member，web and per meter steel quantity

由表1、2可以看出，利用式（4）计算得到的根开其构架柱的技术经济性较优，符合设计要求。

由此可知，研究得出的构架柱纵向根开计算式（4）能很好地应用于实际工程中用以指导角钢格构式门型构架柱的设计工作，有很好的实用指导意义。

3　结论

本文针对角钢格构式门型变电构架柱的纵、横向根开，利用大型结构分析计算软件SAP2000进行了大量的数值模拟分析计算和技术经济分析对比，并利用国际工程项目进行了实际应用检验。主要结论如下：

1）当柱高大于12.0 m时，柱高（H）与横向根开（X）的最大比值不宜小于8，当H/X＜8以后，横向根开继续增大对柱肢的影响趋于平缓；横向根开（X）与纵向根开（Y）的最大比值不宜超过1.2，当X/ Y＞1.2以后，横向根开继续增大对柱肢的影响趋于平缓。

2）相比于横向根开，纵向根开能更有效的影响柱肢的应力比。

3）在横向根开一定的情况下，纵向根开与柱高的比值不宜小于1/10，纵向根开与导线荷载成直线变化关系。

角钢格构式门型构架柱的纵、横向根开的研究为变电构架的选型设计提供了可靠的参考依据，纵向根开计算公式的提出很好地解决了角钢格构式门型构架柱纵向根开需要试算然后然后不断调整优化的问题，极大提高了设计效率，具有很好的经济和社会效益。

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（编辑李沈）

Numerical Simulation and Application of Foot Span of Steel Lattice Door-Type Substation Structure Pillars

XU Huanggang1，CUI Hongbo2，CHEN Zhilin1
（1.Wuhan United-Power Design&Engineering Co.Ltd.，Wuhan 430070，Hubei，China；2.State Nuclear Electric Power Planning Design&Research Institute，Beijing 100095，China）

To study the reasonable selection of the foot span of the steel lattic door-type structure pillars for substations，a large amount of simulation and calculation are done using the structural analysis software SAP200 and the calculation results are evaluated both technically and economically.And a formula for longitudinal foot span fitting is proposed based on the electrical process requirements.This research achievement has been applied in some international projects to check its validity and the results show that the foot span formula greatly improves the design efficiency and has good economic and social benefits.

foot span；height of column；brace layouts；conductor tension；fitting

1674-3814（2016）07-0038-07

TB21

A

国家核电技术公司国核电力规划设计研究院科研基金项目（BD20131026）。

Project Supported by the State Nuclear Electric Power Planning Design&Research Institute Scientific Research Foundation（BD2013 1026）.

2016-01-18。

徐皇冈（1981—），男，硕士，高级工程师，从事输变电工程结构设计工作。