变电站专用小跨径桥梁结构选型

周文杰

(广东辰誉电力设计咨询有限公司，广东 佛山 528200)

变电站专用小跨径桥梁结构选型

周文杰

(广东辰誉电力设计咨询有限公司，广东 佛山 528200)

在对变电站专用小跨径桥梁的特点进行综合分析的基础上，提出专用桥结构形式宜采用预制装配式简支空心板梁桥。在分析典型的220kV电力变压器运输参数的基础上，确定了专用桥的车辆设计荷载。最后，以某220kV变电站专用桥设计为例，对预制装配式简支空心板桥主梁的截面设计进行了分析，提出以比设计跨度大一级跨径的板梁截面为基准进行设计，可提高设计与施工效率。

变电站；小跨径桥梁；设计荷载；结构选型。

在变电站工程项目实施过程中，经常会遇到进站道路跨越小河的情况，需修建小跨径的专用桥。专用桥虽然规模小、跨度小，但因其需通行重型平板挂车的特殊使用条件，对桥梁的结构选型、设计荷载、结构计算都提出了不同于普通公路桥梁的要求。

1 专用桥特点分析

变电站进站道路为专用道路，需承担变电站从施工到正常运行期间所有人员、材料、机具、设备的运输任务。进站道路设计标准为四级厂外道路，设计行车速度20 km/h，路面宽度4.5 m。专用桥作为进站道路组成部分，其设计具有自身独特的特点。

1.1 布局特点

(1)规模小

作为附属工程，专用桥规模一般较小。按输变电工程选址选线相关要求，交通问题在选址阶段即应充分考虑，选择交通方便的站址，避免建设大中型桥梁，故常见的专用桥一般属于小桥。

(2)宽度窄

专用桥行车道宽度与进站道路相同，为4.5 m，仅相当于普通公路桥梁单车道的宽度。考虑行车道两侧设置防护栏等构造后，桥面宽度一般为6.0 m，则桥梁结构宽度亦限制在6.0 m以内。

1.2 荷载特点

(1)荷载大

专用桥需要通过的最大型设备为主变压器本体，其运输重量较大，如240 MVA主变本体运输重量约150 t，连同牵引车及平板挂车，总重量接近200 t，远大于普通公路桥梁挂－120验算荷载。

(2)荷载集中

普通公路桥梁因其宽度较大，需通过重型车辆时，可限制其他车辆通行，桥梁结构自身刚度把重型荷载在桥梁整个宽度内进行横向传递，降低了通行车道范围内主梁所承受的荷载。由于专用桥宽度小，重型车辆的荷载必须由最大宽度仅为6.0 m的主体结构所承受，其荷载集中程度比普通公路桥梁高得多。根据桥梁横向分布系数简化计算公式估算，对于常见的铰接空心板或实心板结构，相同的车辆荷载通过单车道桥梁时，单片主梁承受的荷载比双车道桥梁高约40%，荷载集中程度相当高。

1.3 施工特点

(1)施工条件差

专用桥属于三通一平工程，现场条件尚不完善，且其建设规模小，难以使用大型专用施工设备，故施工条件相对较差。因此，进行专用桥设计时，应充分考虑施工条件，尽量采用简单的施工工艺，避免采用整体式预制箱梁等需要使用大型起重设备进行安装的结构形式。

(2)工期短

专用桥是变电站工程建设工期进度的控制性工程，其施工进度控制着后续所有施工工序的开展，其工期通常相当紧张，需在尽量短的时间内建成通车。因此，施工工期应在结构选型中给予足够的重视。如现浇钢筋混凝土梁桥、拱桥等需要复杂脚手架、拱架等施工设施的桥型因工期长、现场工艺复杂繁琐，不宜作为专用桥结构形式的选择。

2 专用桥上部结构选型

2.1 小跨径桥梁常用的上部结构形式

桥梁上部结构形式多样，有梁式桥、拱桥、刚架桥、缆索承重桥等四种基本结构体系，其中刚架桥和缆索承重桥跨越能力大，适用于大型桥梁。小跨径桥梁常用的是梁式桥和拱桥。

2.2 结构选型

桥梁上部结构的选型应统筹考虑整体布局、荷载情况及施工条件，从多种结构形式中选择结构简单、承载能力强且施工简便易行的结构方案。

拱桥的特点在于能充分发挥圬工和混凝土材料的抗压能力，承载力强；但其施工工艺特殊，需要搭建拱架作为模板，施工期长且需要长期占用河道，故其应用受到诸多限制。而现场施工条件简陋及工期短限制了专用桥上部结构的施工工艺，不宜采用全现浇梁桥等工艺复杂、需要大量现场施工的桥型。

在综合考虑各种限制条件后，单元质量小、施工速度快的预制装配式简支梁桥是变电站专用桥较为合理的结构形式。常见的小跨度预制装配式简支梁桥主梁结构形式有空心板梁和T梁两类，其对比见表1。

表1 空心板梁和T梁对比

由对比表可知，相对于T梁，空心板梁的优势在于施工简便，工期短。在变电站专用桥的跨径范围内，空心板梁即可满足要求，而T梁适用跨度较大的特点并无优势，其施工工序多，工期长却对变电站整体工程进度的推进不利。

综上所述，在常见的跨度范围内，变电站专用桥主梁结构选型宜采用预制装配式简支空心板梁。

3专用桥设计荷载与计算分析

3.1 设计荷载

表2为典型三相220kV电力变压器运输重量，虽然500kV变压器容量更大，但多为单相自耦合设计，其体积和重量与三相220kV变压器相当，故未列出。

表2 典型三相220kV电力变压器运输重量

运输大型电力变压器的机具为重型平板挂车，由大功率牵引车牵引，属于特殊的重型车辆。在《公路桥涵通用设计规范》(JTG D60—2015)和《城市桥梁设计规范》(CJJ 11－2011)中车辆荷载的条文中列出了此类特种荷载，见表3。

3.2 车辆荷载作用下主梁弯矩的计算分析

采用影响线理论对跨径为4～20 m的专用桥通行表3中所列的4种重型平板挂车进行跨中弯矩标准值计算，并列出公路－I级荷载作用下的跨中弯矩标准值，结果见表4。

表3 重型平板挂车荷载布置

表4 公路－I级及挂车荷载作用下主梁跨中弯矩标准值( kN·m)

从表4和图1可见，通行重型挂车的荷载等级和小跨径主梁的弯矩存在非线性关系：当主梁跨度较小的时候，不同荷载等级对主梁弯矩影响不大；而随着跨径的增加，荷载等级的增大导致跨中弯矩迅速变大。

造成此现象的原因在于重型挂车自身的特点：车身长度大，轴数多，但轴重相差不大，都集中在125 kN～150 kN的范围内。

当主梁跨径小于车长时，仅有部分轮轴荷载会同时作用于主梁之上，因此挂车的总重对跨中弯矩的影响并不明显，此时对主梁跨中弯矩起决定性作用的是挂车的轴重和轴距。

但当主梁跨径超过挂车长度后，会出现所有轮轴荷载同时作用在主梁上的情况。此时，挂车的总重，即荷载等级将决定跨中弯矩的大小。

图1 公路－I级及挂车荷载作用下主梁跨中弯矩标准值变化图

4 某220kV变电站专用桥空心板梁的设计

4.1 工程概况

某220kV变电站站址位于珠江三角洲腹地，属于平原水网地带，进站道路总长520 m，中间需跨越一条宽约20 m的小河。按水利部门要求，进站道路需建设一座专用桥跨越小河，其结构物不得阻碍河道行洪及通航。综合考虑现场地形、施工条件，专用桥整体布局上采用20 m单跨简支空心板梁，桥面净宽5.0 m。桥台为现浇钢筋混凝土扶壁式桥台，桥台基础采用1.2 m直径钻孔灌注桩，桥台后行车道设置8 m长的搭板。

拟建变电站设计容量较大，采用4台240 MVA三相三绕组主变，单台变压器本体最大运输重量约150 t。专用桥采用表3中的特－220重型平板挂车荷载布置进行结构设计，其结构布置见图2。

图2 某专用桥立面布置图

4.2 主梁结构设计

4.2.1 主梁断面

主梁采用先张法预应力空心板，断面采用5片板梁，其中3片中梁，2片带悬臂边梁。考虑主梁宽度小，荷载大于普通公路桥梁，故板梁采用通用图集中20 m跨径板梁的截面加高15 cm进行试算。

4.2.2 荷载工况及组合

恒载：一期恒载：自重，混凝土容重r＝26 kN/m3，

二期恒载：桥面铺装、防撞墙等。

活载：特－220重型平板挂车荷载

桥梁重要性系数：1.0

混凝土徐变：对于成桥，考虑3650 d混凝土收缩徐变，相对湿度0.8。

预应力类型：全预应力构件

根据《公路桥涵设计通用规范》1.0.8条：桥涵施工过程中承受临时性作用的状况仅作承载能力极限设计，采用的组合如下：

(1)基本组合=1.2×恒载+1.4×活载(运输车辆)，不考虑冲击力；

(2)长期组合=1.0×恒载+0.7×活载(公路－I级)，考虑冲击力；

(3)短期组合=1.0×恒载+0.4×活载(公路－I级)，考虑冲击力。

4.2.3 计算结果

经建模计算，控制主梁断面的是基本组合下的跨中最大弯矩。

表4 基本组合下板梁跨中最大内力计算结果

计算结果表明，采用加高的20 m跨径板梁截面主梁承载力可满足特－220重型平板挂车的通行。

另取某双车道公路桥工程进行对比，该桥为公路－I级荷载，板梁采用通用图集中20 m跨径，1.0 m板宽，0.95 m梁高的截面。

表5 对比工程板梁极限承载力

对比表5中的最大弯矩和板梁极限承载力可知：按通用图集中的20 m跨径空心板梁截面设计的主梁极限承载力过小，无法满足主变运输时特－220重型平板挂车通过的要求。

4.2.4 计算结果分析

在《公路桥梁上部结构构造系列通用设计图》(板梁系列)中，提供了跨径6～20 m，桥宽8.5～2×16.75 m，汽车荷载等级涵盖公路－I和公路－II级的通用设计图。通用图中的桥梁按公路要求设计，宽度为双车道，其最大验算荷载为挂－120。

根据4.2.3节的计算结果，特－220重型平板挂车在宽度较窄的专用桥上通过时，对单片板梁产生的弯矩较大，若直接采用通用图集中20 m跨度的空心板梁，其截面抗弯承载力将不能满足要求。为提高板梁抗弯承载力，可采用加大梁高的板梁截面进行设计，其极限承载力有明显的提高，可满足特－220重型平板挂车的通行。

因制造预应力板梁需要专用场地和设备，且变电站专用桥对板梁的需求量较小，一般委托专业厂家生产。因此，主梁采用标准截面应尽量利用现有生产设施，有利于降低造价，提高生产效率，缩短施工工期。当专用桥跨径为16 m或以下的较小跨径时，可参照《公路桥梁上部结构构造系列通用设计图》(板梁系列)，直接采用大一级跨径的板梁截面进行设计；当专用桥跨径达到20 m时，宜采用简单加高截面的办法，使生产标准板梁的设施经过简单改造即可满足要求。

5 结论

通过对变电站专用桥使用和结构特点的分析研究，可得出以下结论：

(1)变电站专用桥在整体布局、设计荷载、施工条件上都有其不同于普通公路桥梁的特点。

(2)因自身的特点限制，专用桥上部结构选型宜采用预制装配式简支空心板梁。

(3)专用桥的设计荷载可采用《公路桥涵通用设计规范》JTG D60—2015及《城市桥梁设计规范》CJJ11－ 2011中的重型挂车荷载。

(4)专用桥在进行主梁截面设计时，若重型挂车荷载超过标准图集的最大荷载，可选用大一级跨径的板梁截面进行设计，可提高设计效率和施工效率。

[1]范立础，徐光辉.桥梁工程[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]郑机.图解桥梁施工技术[M].北京：中国铁道出版社，2009.

[3]GBJ 22－1987，厂矿道路设计规范[S].

[4]JTG D60－2015，公路桥涵通用设计规范[S].

[5]JTG D62－2004， 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[6]CJJ11－ 2011，城市桥梁设计规范[S].

[7]交通部专家委员会等编，公路桥梁上部结构构造系列通用设计图[S].北京：人民交通出版社出版，2008.

Structure Type Selection of Small Span Bridge in Transformer Substation

ZHOU Wen-jie
(Guangdong Chenyu Electricity Design Consultancy Co.,Ltd.,Foshan 528200,China)

Based on the comprehensive analysis of the characteristics of the special small span bridge,the special bridge structure is proposed. Based on the analysis of typical 220kV power transformer transport parameters,the design load of the special bridge is determined. Finally,with special bridge design in a 220kV substation as an example,section design of prefabricated simply supported hollow slab girder are analyzed,put forward to than the big span design is a span of plate girder section as the base design,can improve the efficiency of design and construction.

substation; small span bridge; design load; structure type selection.

TM63

B

1671-9913(2017)05-0058-05

2016-06-22

周文杰(1981- )，男，广东佛山人，硕士，主要从事电力工程结构设计。