基于中美欧规范的500 kV变电构架计算分析

陈浩，方晴，郭耀杰，许俊

(1．湖北省电力勘测设计院，湖北 武汉430040；2．武汉大学土木建筑工程学院，湖北 武汉430072)



基于中美欧规范的500 kV变电构架计算分析

陈浩1，方晴1，郭耀杰2，许俊2

(1．湖北省电力勘测设计院，湖北 武汉430040；2．武汉大学土木建筑工程学院，湖北 武汉430072)

重点分析不同国家钢结构规范计算的差异，同时利用SAP2000空间结构分析软件对某海外500 kV变电站变电构架进行中美欧3个国家钢结构设计规范的验算，并详细分析不同国家规范计算结果产生差异的原因.结果表明，在钢材的利用上，美国规范最为精细，在荷载的取值上，欧洲规范最为保守.从设计的角度出发，美国规范和中国规范的用钢量接近，欧洲规范的用钢量最大.

变电构架；中美欧规范；计算分析

0 引言

近年来，在经济全球化和区域发展协同化的背景下，落实“一带一路”战略，将有力推进跨境电力与输电通道建设，积极开展区域电网级合作，为能源电力行业带来了难得的发展新机遇[1].在国内500 kV变电站变电构架的设计中，大都采用人字柱结构[2-3]或者钢管格构式结构[4-6]，对角钢格构式构架的研究较为缺乏.而在海外工程中，由于运输成本较高，角钢在运输成本上有较大优势，使得角钢格构式构架更适合海外市场.

1 中美欧钢结构规范的差异

在变电站的直立式构架中，角钢构件以轴心受压为主，且常采用等边角钢.分析各国钢结构规范的差异[7-9]时，以等边角钢轴心受压状态为例.

1.1 强度

1.1.1 GB50017-2003规范[10]现行的中国钢结构设计规范中，对于轴心受压构件的强度，除高强度螺栓摩擦型连接处外，应按(1)式计算：

(1)

式中：N—轴心压力；An—净截面面积.

(2)

(3)

式中：n—在节点或拼接处，构件一端连接的高强度螺栓数目；n1—所计算截面(最外列螺栓处)上高强度螺栓的数目；A—构件的毛截面面积.

1.1.2 AISC360-10规范[11]在美国钢结构设计规范中，强度验算采用设计抗压强度φcPn以及容许的抗压强度Pn/Ωc定义，即满足(4)式或(5)式：

P≤φcPn

(4)

P≤Pn/Ωc

(5)

式中：Pn—标称抗压强度，即根据极限承载状态(弯曲屈服、扭转屈曲、弯扭屈曲)获得的最小值；φc=0.90(LRFD)—采用荷载和抗力系数设计法受压构件的阻力系数；Ωc=1.67(ASD)—采用容许应力法设计时受压构件的安全系数.

1.1.3 Eurocode 3规范[12]在欧洲钢结构规范Eurocode 3中，对轴心受压构件，设计强度NEd须满足(6)式：

(6)

对1，2，3类截面：

(7)

对第4类截面：

(8)

截面分类方法见该规范的表5.2.

1.2 刚度

1.2.1 GB 50017-2003规范 在中国钢结构规范中，受压构件的刚度通过限值其长细比λ实现，即：

(9)

式中：λ—构件的最大长细比；l0—构件的计算长度；i—截面的回转半径；[λ]—构件的容许长细比.

1.2.2 AISC360-10规范 在美国钢结构设计规范中，对于受压构件的长细比均不得大于200，即：

(10)

式中：K—有效长度系数；L—侧向无支撑的杆件长度；r—截面的回转半径.

对于角钢构件，在平面桁架中，相邻等肢角钢在接点板的同侧连接时，

(11)

(12)

式中：rx—截面绕x轴的回转半径.

在空间桁架中，相邻等肢角钢在接点板的同侧连接时，

(13)

(14)

式中：rx—截面绕x轴的回转半径.

1.2.3 Eurocode 3规范 在欧洲钢结构规范中，对于轴心受压构件，须满足：

(15)

1.3 整体稳定

1.3.1 GB50017-2003规范 《钢结构设计规范》中对轴压构件的整体稳定验算采用(16)式.

(16)

式中：φ=σcr/fy—轴心受压构件的整体稳定系数.

对于非细长构件，标称抗压强度：

Pn=FcrAg

(17)

(18)

(19)

式中：Fe—为弹性临界屈曲应力.

1.3.3 Eurocode 3规范 在Eurocode 3规范中，构件在抵抗受压屈服时，须满足(20)式：

(20)

对1，2，3类截面：

(21)

对第4类截面：

(22)

(23)

(24)

(25)

α—缺陷影响系数.

在欧洲钢结构规范中，计算稳定性时，将构件按截面分成a0、a、b、c、d等5类曲线，其中，角钢取b类曲线对应的缺陷影响系数，即α=0.34.

1.4 局部稳定

1.4.1 GB50017-2003规范 在中国钢结构设计规范中，受压构件的局部稳定通过限制翼缘板自由外伸宽度b与其厚度t的比值来实现，对于角钢轴心受压构件，按(26)式验算：

(26)

式中：λ—构件两方向长细比的较大值；当λ<30时，取λ=30；当λ>100时，取λ=100.b—翼缘板自由外伸宽度，对轧制构件，取内圆弧起点至肢边缘的距离.

1.4.2 AISC360-10规范 在美国钢结构规范中，对于细长构件，其标称抗压强度：

Pn=FcrAg

(27)

(28)

(29)

式中：Q—为受压构件在完全受压状态下的净折减系数，按式(30)计算：

Q=QaQs

(30)

其中：Qa—为有加劲肋板件受压时的折减系数；Qs—为无加劲肋板件受压时的折减系数.

对于单角钢无加劲肋轴心受压时，Qa=1.0，即Q=Qs.

Qs=1.0

(31)

(32)

(33)

1.4.3 Eurocode 3规范 在欧洲钢结构规范中，针对角钢构件，规定了最大宽厚比，即：

(34)

(35)

其中：

(36)

式中：h—为角钢的长肢宽度；b—为角钢的短肢宽度.

通过对中美欧3个国家钢结构规范在强度、刚度、整体稳定性和局部稳定四个方面的比较，可以发现，在强度和刚度方面，各国均大同小异，思想基本一致.在稳定性方面，美国规范对于局部稳定的利用更为精细，对构件的局部稳定利用效率更高，通过赋予构件折减系数Q来充分利用构件在局部屈曲状态下的极限承载力，而中国和欧洲规范通过限制构件的宽厚比来使构件满足局部稳定要求.值得注意的是，在局部稳定验算过程中，角钢的宽度b，在中国规范中为内圆弧起点至肢边缘的距离，而在美国规范和欧洲规范中为单肢的整个宽度.

2 算例分析

2.1 模型概况 以埃塞俄比亚某500 kV变电站的出线构架为例，该出线构架为门型构架，四跨布置，腹杆形式采用交叉斜杆式，全长132.1 m，挂线点高度30.6 m，出线梁跨度32.0 m，地线柱高9.2 m.该地区50年一遇风速为40 m/s.变电构架单线图见图1.

图1 500 kV变电构架单线图

国内工程主要采用的国内规范及手册计算，即《变电构架设计手册》[13]和《变电站建筑结构设计技术规定》[14].由于海外项目常常也需要满足国外规范，在此基础上，利用SAP2000空间有限元程序，采用中国钢结构设计规范(GB50017-2003)、美国钢结构规范(AISC360-10)和欧洲钢结构设计规范(Eurocode 3)，对构架进行计算，以比较不同规范验算下的构架是否满足要求.

采用国内规范计算后符合要求的构架截面信息如表1.

表1 中国规范验算出线构架截面尺寸表

未注明杆件材质为Q235.

2.2 中国规范验算 在SAP2000中，设计规范选择Chinese 2010，由于在SAP2000中没有用于变电站建筑结构设计技术规定的专用规范，在验算阶段的修改覆盖项中，将受压杆长细比修改为220，受拉杆的长细比修改为400.

在SAP2000中，中国规范验算的结果如图2.

图2 中国规范验算结果图

从图2中可以看出，在SAP2000中采用中国规范验算时，可全部通过.

对于中国规范，荷载的组合有3种，分别为：

组合1：1.35×恒载+1.0×导线荷载+1.0×垂直风荷载.

组合2：1.2×恒载+1.4×导线荷载+1.4×垂直风荷载.

组合3：1.0×恒载+1.4×导线荷载+1.4×垂直风荷载.

在SAP2000中，采用中国规范，验算通过.

2.3 美国规范验算 在SAP2000中，采用美国规范AISC360-10进行验算，验算的结果如图3.

从图3中可以看出，塔身较多腹杆验算不通过.这是由于在美国钢结构规范中，构件的长细比采用KL/r≤200计算.要使构件的长细比满足要求，需根据实际情况定义K值得到计算方法，该法相对中国规范较为复杂.

对于美国规范，荷载的组合有4种，分别为：

组合1：1.4×恒载.

组合2：1.2×恒载+1.6×导线荷载+1.6×垂直风荷载.

组合3：1.0×恒载.

组合4：1.0×恒载+1.0×导线荷载+1.0×垂直风荷载.

这里采用增大腹杆截面的办法，采用表2中截面可验算通过.

表2 美国规范验算出线构架截面尺寸表

未注明杆件材质为Q235.

2.4 欧洲规范验算 在SAP2000中，将设计规范选为欧洲规范Eurocode 3，验算的结果如图4.

图4 欧洲规范验算结果图

从图4中可以看出，与中国规范和美国规范不同，对于欧洲，验算不通过的构件主要在于弦杆上.相对于腹杆来讲，弦杆的重要性较大.通过对欧洲规范的进一步分析，对于欧洲规范的荷载组合有4种，分别为：

组合1：1.35×恒载.

组合2：1.35×恒载+1.5×导线荷载+1.5×垂直风荷载.

组合3：1.0×恒载.

组合4：1.0×恒载+1.0×导线荷载+1.0×垂直风荷载.

验算不通过主要体现为组合2，即欧洲规范对于荷载组合的分项系数比中国规范要大.对构件截面进行增大处理，采用表3所示截面时，验算可通过.

表3 欧洲规范出线构架截面尺寸表

未注明杆件材质为Q235.

通过对中美欧3个国家的规范验算可知，构件在验算的过程中产生的结果不一样主要是因为各国对于荷载组合的要求不一样且各国对钢材的利用程度不一样.

结合表1和表3，中国规范和美国规范的验算结果较为接近，主要表现在腹杆的验算不通过，而弦杆的验算均通过.采用两种规范时，构架所需的总用钢量很接近，相差3.4%.对于欧洲规范，结构的总用钢量相较于中国规范增大了12.2%，明显增大.进一步分析可知，欧洲荷载组合的分项系数较大，相当于荷载取值偏大，结合理论分析，欧洲规范在对钢材的利用程度上与中国规范接近，而美国规范对钢材的利用则更为激进.因此在采用欧洲规范验算时，出现弦杆不满足、腹杆满足的情况.

3 结论

通过比较中美欧3个国家钢结构规范在强度、刚度、整体稳定和局部稳定4个方面的差异，结合海外市场背景，对同一个构架进行国内外规范的验算对比，可得出以下结论：

1) 在强度和刚度方面，中美欧钢结构规范的差异不大，4个方面基本一致，美国规范略有不同.美国规范采用的是KL/r≤ 200，长细比限值是定值，主要依靠K的取值来校算.在整体稳定和局部稳定方面，美国规范采用折减系数Q计算构件的稳定状态.而中国规范和欧洲规范，主要通过限制角钢的宽厚比保证构件的局部稳定.

2) 对构架的计算，美国规范和欧洲规范荷载组合的分项系数，均比中国规范的大，且美国规范和欧洲规范荷载组合的分项系数较为接近.出现美国规范弦杆验算通过而欧洲规范验算不通过的原因为，美国规范对钢材的利用更为激进，而欧洲规范对钢材的利用相对较为保守，且欧洲规范对荷载的取值上也较保守，因此欧洲规范对结构安全性的保证相对最高，但同时钢材的使用量也偏大.

[1] 刘振亚. 落实“一带一路”战略构建全球能源互联网[N]. 人民政协报, 2015-03-03001.

[2] 朱爱珠, 郭耀杰, 程超,等. 变电构架柱的节点试验研究与有限元分析[J]. 土木工程学报, 2007, 40(11): 9-14.

[3] 常伟,雷晓标,张玉明. 750 kV变电构架刚、柔性法兰设计优化[J]. 钢结构,2015, 30(8):58-61.

[4] 潘峰,童建国,盛晓红,等. 1000 kV大型薄壁钢管变电构架风致振动响应研究[J]. 工程力学,2009,26(10):203-210.

[5] 郭宏超,简政,司建辉,等. 750 kV格构式构架钢管节点承载力试验研究[J]. 西安理工大学学报,2014,30(1):28-33.

[6] 曾程. 500 kV桂山变电站格构式全联合构架设计[J]. 广东电力, 2012,25(2): 96-98.

[7] 陈绍蕃. 论国内外钢结构设计规范的比较[J]. 钢结构,2005,20(5):65-67+57.

[8] 谌湛,吴帆,曾文革,等. 中美钢结构设计规范设计方法比较[J]. 钢结构,2002,17(1):51-53+60.

[9] 王元清,陈蕴威,任剑波,等. 钢-混凝土组合梁桥设计方法的中欧规范对比分析[J]. 建筑结构学报,2013,34(S1):21-27.

[10] GB 50017-2003. 钢结构设计规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2003.

[11] Specification for Structural Steel Buildings[S].Chicago: American Institute of Steel Construction, 2010.

[12] EN1993-1 Eurocode 3: design of steel structures: part1-1: general rules and rules for buildings[S].Brussels,Belgium: European Committee for Standardization(CEN) ,2002.

[13] 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.

[14] DL/T 5457-2012. 变电站建筑结构技术规程[S]. 北京:中国计划出版社, 2012.

(责任编辑 郭定和)

The calculation and analysis of the 500 kV substation framework based on codes from China, America and European

CHEN Hao1，FANG Qing1，GUO Yaojie2，XU Jun2

(1.Hubei Electric Power Survey & Design Institute，Wuhan 430040，China；2.School of Civil Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

We investigate the differences between design codes from different countries including codes from China, America and European，with software of SAP2000. Meanwhile,the causes of the differences are studied. The results show that the codes from America are the most refined in the use of steel and codes from European are the most conservative on the value of the load.From the view of the design, the codes from America, China are close to the amount of steel and code from European with the largest amount of steel.

substation framework；codes from China, America and European；calculation and analysis

2016-10-26

陈浩(1991-)，男，硕士生，E-mail:whucloves@163.com；郭耀杰，通信作者，教授，E-mail：whuguoyaojie@163.com

1000-2375(2017)04-0393-07

TU391

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2017.04.011