德尔西水电站开关站出线架结构设计与分析

黄 佳，尹小刚，许战军

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

1 工程概况

德尔西(Delsi)水电站位于厄瓜多尔Zamora Chinchipe省Zamora河上，流域面积1 105 km2，多年平均流量44.5 m3/s。电站为引水式电站，开发任务为发电，库容42万m3，可利用库容27万m3。电站装机容量180 MW，多年平均发电量12.18亿kWh。安装3台冲击式水轮发电机组，单机容量60 MW，额定水头495 m[1-2]。

枢纽建筑物主要由首部枢纽、电站进水口、沉沙池、引水隧洞、调压井、压力钢管和地面厂房、开关站组成。德尔西水电站开关站采用户外布置方式，布置在厂区右侧，地面高程965.00 m、面积为37 m×73 m，开关站内布置有138 kV GIS和出线设备[1-2]。

开关站出线架为钢桁架结构，由4跨组成，跨度为4×12 m、高20 m，其体型布置见图1、2。

2 结构设计基本参数

根据《水电站压力钢管设计规范》[3]及《110 kV～750 kV架空输电线路设计标准》[4]选用Q345钢材，钢材特性见表1。对开关站出线架进行设计，计算工况及荷载组合见表2，出线荷载取值见表3。

表1 钢材特性表

表2 计算工况与荷载组合表

表3 最大出线荷载表

图1 开关站出线架平面布置图 单位：mm

图2 开关站出线架正视图 单位：mm

3 结构分析

3.1 结构分析模型

开关站出线架布置见图1、2，建立开关站出线架三维分析模型，见图3。

3.2 内力计算结果

德尔西水电站设计采用美国规范AISC-Load And Resistance Factor Design Specification For Structural Steel Buildings[5](以下简称“AISC-LRFD”)，经计算，开关站出线架各杆件控制内力见表4。

根据美国规范“AISC-LRFD”稳定计算公式(详见4.2节)，考虑抗力分项系数后，材料屈服强度取345 N/mm2，分析并选取满足要求的各杆件截面参数见表5。

表4 出线架各杆件控制内力表

表5 断面选择表

图3 开关站出线架sap2000计算模型图

4 结构稳定性评价

针对开关站出线架设计，分别采用中国规范、美国规范进行设计，并对中美钢结构设计规范中强度计算公式进行比较分析[6-7]。

4.1 中国规范

根据中国规范《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》[8]及《钢结构设计规范[9]，计算公式如下。

(1) 轴心受力构件

(1)

式中：σ为正应力，N/m2；N为轴心拉力或轴心压力设计值，N；An为构件净截面面积,m2；m为构件强度折减系数，依据规范取值；f为钢材的强度设计值, N/m2；

(2) 压弯构件

(2)

式中：M为弯矩设计值,N.m；N为轴心压力设计值,N；A为构件毛截面面积，m2；W为截面抵抗矩，m3；φ为轴心受压构件稳定系数，依据规范取值；f为钢材的强度设计值，N/m2；

采用中国规范进行稳定分析，开关站出线架各杆件的断面选择见表6。

4.2 美国规范

根据美国规范“AISC-LRFD”，计算公式如下。

(1) 受拉构件

受拉构件的设计强度φtPn，取毛截面屈服强度和净截面抗拉强度2种计算结果的较小值。

表6 断面选择表

1) 毛截面屈服强度

φt=0.9

Pn=FyAg

2) 净截面抗拉强度

φt=0.75

Pn=FuAe

式中：Fy为钢材屈服强度，N/m2；Fu为钢材抗拉强度，N/m2；Ag为构件毛截面面积，m2；Ae为构件净截面面积，m2。

(2) 受压构件

受压构件的设计强度φcPn，计算式如下：

φc=0.85

Pn=AgFcr

1) 当λc≤1.5时

2) 当λc>1.5时

式中：Fcr为临界应力，N/m2；Ag为构件毛截面面积，m2；Fy为钢材屈服强度，N/m2；λc为构件长细比；Pn为标称轴向强度，N。

构件毛截面面积，m2；Fy为钢材屈服强度，N/m2；

(3) 受弯构件

对于T形截面和角钢，抗弯设计强度为φbMn,计算式如下：

φb=0.9

式中：E为钢材的弹性模量，N/m2；Iy为绕y轴的截面惯性矩，m4；G为钢材的剪切模量，N/m2；J为截面的极惯性矩，m4；Mn≤1.5My时，为拉杆，B取正值；Mn≤1.0My时，为压杆，B取负值。

采用美国规范进行稳定分析，开关站出线架各杆件的断面选择见表7。

表7 断面选择表

4.3 差异性分析

(1) 受拉构件，美国规范“AISC-LRFD”取毛截面屈服强度和净截面抗拉强度2种计算结果的较小值；而中国规范《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》则按净截面屈服强度进行计算，中国规范计算结果偏于安全[10-16]。

(2) 压弯构件，中国规范主要是依据边缘纤维屈服准则并考虑压弯构件二阶效应[10]，即以截面应力最大的边缘开始屈服的临界荷载作为压弯构件的稳定承载力；而美国规范采用含折减系数的实用公式进行验算。

(3) 受压构件的稳定计算方面，中国规范对构件的长细比和宽厚比按2个系数分别计算，长细比的大小影响稳定系数，宽厚比的大小影响折减系数；美国规范对计算宽厚比超过限定值的构件要进行强度修正[15]。

(4) 荷载组合系数上，美国规范“AISC-LRFD”通常取恒载1.2、活载1.6；中国规范通常取恒载1.2、活载1.4(可变荷载控制)[13]。

(5) 材料设计强度方面，美国规范“AISC-LRFD”采用材料的名义屈服强度值；中国规范采用材料强度设计值，即材料强度标准值除以分项系数[12]。

5 结 语

本文采用美国钢结构规范“AISC-LRFD”对德尔西水电站开关站出线架进行了设计，并对中美规范关于钢结构出线架的计算公式进行了比较与分析。由于中美钢结构规范都结合了各自的国情与设计习惯，二者在设计理论和计算方法上存在较大差异。

参考文献:

[1] 师广山.德尔西水电站引水发电系统设计报告[R].西安：中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,2013.

[2] 师广山.德尔西水电站厂房布置方案比较报告[R].西安：中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,2014.

[3] 国家能源局.水电站压力钢管设计规范：NB/T 35056-2015[S].北京：中国电力出版社,2016.

[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 110kV～750kV架空输电线路设计标准：GB 50545-2010[S].北京：中国计划出版社,2010.

[5] AISC.Load And Resistance Factor Design Specification For Structural Steel Buildings[S].Chicago: AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUTION,INC.,1999.

[6] 聂志华,刘凯.中美钢结构规范轴心受力构件可靠性分析[J].四川建筑科学研究，2009,35(06)：69-71.

[7] 李俞谕,肖岩.中美规范等截面钢框架柱计算长度系数μ的对比[J].钢结构，2008,23(01)：52-57.

[8] 国家能源局.架空输电线路杆塔结构设计技术规定：DL/T 5154-2012[S].北京：中国电力出版社,2013.

[9] 中华任命共和国建设部.钢结构设计规范：GB 50017-2003[S].北京：中国计划出版社,2003.

[10] 陈绍蕃.塔架压杆的稳定承载力[J].西安建筑科技大学学报，2010，42(03) ：305-313.

[11] 张耀春,周绪红.钢结构设计原理[M].北京：高等教育出版社，2004.

[12] 崔佳,魏明钟,赵熙元.钢结构设计规范理解与应用[M].北京：中国建筑工业出版社,2004.

[13] 储艳春,李磊,张立力.中国与美国钢结构设计规范的差异[J].上海建设科技,2012(06)：12-14.

[14] 谌湛,吴帆,曾文革,程超.中美钢结构设计规范设计方法比较[J].钢结构,2002,17(01)：57-60.

[15] 王永华,朱江,罗建荣,应一辉.中美输电线路铁塔设计标准比较[J].电力勘测设计,2014(04)：75-80.

[16] 梁德勇.中美钢结构规范拉弯、压弯构件设计方法比较分析[J].中国工程咨询,2010(07)：42-43.