橙子沟水电站110 kV出线架结构设计

沈 大 伟

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)

橙子沟水电站110 kV出线架结构设计

沈 大 伟

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)

110 kV出线架通常采用混凝土柱与钢梁结合设计，橙子沟水电站110 kV出线架采用了单跨度19 m人字形全钢结构设计，运用SAP2000进行结构的计算分析，计算结果满足设计要求，出线架施工完成至今已有4年，历经多次5级以上地震，依旧安全运行，证明了工程设计的可行性、安全性。

橙子沟水电站，出线架，钢结构，结构设计

1 工程概况

橙子沟水电站位于甘肃省陇南市，电站厂房位于文县，工程装机容量115 MW，工程规模为三等中型工程，电站110 kV开关站采用户外GIS布置型式。根据GIS的布置，出线架钢柱高度为9.00 m，出线架钢梁跨度19.00 m，梁端及梁跨中设置共6个导线挂点，钢柱顶部5 m处设避雷线挂点；根据上游专业要求，单根导线拉力8 kN，避雷线拉力为5 kN。如果采用双跨设计，结构可以依据常规设计，采用混凝土人字形柱，顶部架设钢梁，但是GIS的占地面积比要比单跨设计大15%，如果采用单跨设计，可以有效减少GIS的面积，经过反复比选后，决定采用全身钢结构设计。出线架结构安全等级为二级。110 kV出线架结构布置三维透视如图1所示。

2 工程设计基本资料

2.1材料特性

出线架钢管柱及顶部钢梁拟采用Q235钢材；螺栓采用普通C级螺栓，螺栓钢材采用Q235钢。出线架构件焊接采用E4316焊条。人字形柱采用φ377×9，支杆采用φ299×8，钢梁主肢采用φ133×8，钢梁缀条采用∠63×8。

2.2设计原则

1)结合工程情况，按照《建筑结构荷载规范》考虑恒荷载、风荷载、雪荷载、活荷载。

2)结构采用容许应力法计算，验算结构的整体结构。

3 荷载及工况组合

3.1计算荷载

计算考虑的荷载及荷载计算如下：

1)恒荷载。

结构自重根据输入的Q235钢材容重，由程序自动计算。

根据上游专业提供的荷载，导线拉力每相8 kN，避雷线拉力每根5 kN，导线与钢柱轴线铅直向夹角取90°，按照附录提供的角度添加为节点荷载。

2)活荷载。

考虑钢梁上检修时人的荷载，因此在钢梁上加1.5 kN/m的均布荷载。

3)风荷载。

将桁架分段分别计算X,Y向风荷载作用，根据《建筑结构荷载规范》基本风压取50年一遇风压。

4)地震荷载。

对出线架结构的地震作用计算采用振型分解反应谱法，考虑X，Y两个方向的水平地震作用。工程区域地震烈度为8度(0.3g)，阻尼比为0.05，场地特征周期为0.40 s，周期折减系数为1.0。计算中振型组合考虑振型阻尼引起的邻近振型间的静态耦合效应，并考虑双向地震作用的扭转耦联效应，按照规范要求的1∶0.85的方向比例系数进行组合。

5)温度荷载。

根据GB 50017—2003钢结构设计规范，当露天环境中的钢结构尺寸小于120 m时，可不考虑温度变化对其应力产生的影响。故不考虑温度作用的影响。

6)雪荷载。

根据GB 50017—2003钢结构设计规范，基本雪压按照50年一遇雪压确定。

3.2分项系数

1)结构重要性系数：γ0=1.0；

2)荷载作用分项系数按GB 50017—2003钢结构设计规范要求选取；

3)荷载组合值系数按GB 50017—2003钢结构设计规范要求选取。

3.3荷载效应组合

计算采用SAP2000结构分析计算软件，建立出线架结构分析模型，模拟荷载作用，优化选择出线架结构杆件截面，分析计算杆件内力、应力及变形。

根据GB 50009—2001建筑结构荷载规范的要求，并考虑计算分析需要，对荷载效应进行组合，共计67种基本组合，9种标准组合。限于篇幅关系，荷载组合结果就不一一罗列。

4 工程分析

4.1计算假定

1)出线架结构采用的钢材为线弹性材料；

2)出线架结构钢柱、钢梁主肢拼接为固结，其他支撑、缀条的连接均为铰接；

3)出线架结构的地震作用计算采用振型分解反应谱法，考虑X,Y两个方向的水平地震作用;

4)计算中振型组合考虑双向地震作用的扭转耦联效应，按照规范要求的1∶0.85的方向比例系数进行组合。

4.2计算结果

各杆件的包络工况下最大应力/承载力比值显示见图2，各出线架结构在各标准组合工况下的变形包络见图3。

从图3可知，在各基本组合工况下，钢管柱下柱主肢底部轴力最大，最大轴向拉力为9.01 kN，最大轴向压力达到-38.390 kN，向上逐渐减小；其他各杆件轴力分布较为均匀。从图2中可以看出，在各组合中，各柱的主应力/承载力比值均小于0.50，缀条等杆件的应力/承载力比值均小于0.50。

从出线架挠度变形图及计算的挠度值列表可以看出，在导线拉力及风荷载等的作用下，钢柱柱顶最大X向变形为1.1 mm，Y向最大变形为0.5 mm，Z向最大变形为-0.7 mm，钢梁跨中最大X向变形为0.34 mm，Y向最大变形为4.3 mm，最大Z向变形为24.67 mm，均满足正常使用极限状态限值要求(钢梁挠度限值为95 mm，钢柱为45 mm)。

钢梁缀条选用角钢规格为∠63×8，节点位置布置2个M16普通螺栓，M16普通螺栓受剪承载力设计值为28.10 kN；∠63×8缀条的最大轴力为16.22 kN，每个螺栓强度满足要求。

5 工程评价

橙子沟水电站厂房位于甘肃省陇南市文县境内，自本工程出线架施工完成以后，经历了甘肃岷县6.6级地震(2013.7.22)、四川九寨沟县7.0级地震(2017.8.8)、四川广元青川县5.4级地震(2017.9.30)等多次5级以上地震，震中与橙子沟水电站工程所在地距离较近，地震发生后经现场巡查，工程建筑物质量优异，能保证电站正常运转，事实充分证明了设计的合理性和可靠性。本工程设计可为类似工程设计提供参考。

[1] 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司.橙子沟水电站可行性研究报告[R].

[2] GB 50009—2001,建筑结构荷载规范[S].

[3] 110～500 kV架空送电线路设计技术规程[Z].

[4] 中国水力发电工程学会混凝土面板堆石坝专业委员会.混凝土面板堆石坝安全监测技术实践与进展[M].北京：中国水利出版社，2010.

[5] GB 50017—2003,钢结构设计规范[S].

Structuraldesignof110kVoutletframeworkofChengzigouhydropowerstation

ShenDawei

(NorthwestEngineeringCorporationLimited,Xi’an710065,China)

The 110 kV outlet framework is usually designed with concrete column and steel beam combined together. While the 110 kV outlet framework of Chengzigou hydropower station adopts a new design totally with Herringbone steel with a single span of 19 m. The calculation and analysis of the framework are carried out using SAP2000 software to meet the design requirements. The framework started service 4 years ago, and is still in safe operation after several earthquakes with grade over 5 degrees, which proves good feasibility and security of the design.

Chengzigou hydropower station, outlet framework, steel structure, structural design

1009-6825(2017)32-0034-03

2017-10-10

沈大伟(1986- )，男，工程师

TU318

A