新型超长单管连续构架连接装置应用研究

王 瑞

(中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山西 太原 030001)

变电站扩建项目中土建工程质量的优劣直接影响到变电站扩建项目整个工程的质量优劣，且直接影响到变电站安装电气设备的安全、质量、进度，涉及到扩建区域人们的生产生活安全用电。

本文结合朔州安荣220 kV变电站扩建出线间隔工程，按照单纯复制既有间隔的梁柱及基础设计信息，并采取法兰固定连接新旧钢梁以延长连续架构的普通做法遇到的问题进行探讨，重点介绍一种可以释放温度应力的连接装置，论述其在超长单管连续构架中的应用。

1 技术背景

目前，在一般220 kV变电站工程项目中，高强钢管梁柱结构以其受力性能好、节约钢材、施工简单、轻巧优美等优点成为变电站出线架构的最主要的结构形式之一。在变电站高强钢管梁柱结构构架中，单管梁和构架柱通常采用固接构造的连接形式形成连续刚架。在一般变电站工程项目中，220 kV变电站出线架构长度均小于或接近100 m。但是，当变电站扩建需要增加户外配电装置的供电间隔时，这种连续刚架长度均超过了100 m，此时应考虑温度效应的影响。如果按照单纯复制既有间隔的梁柱及基础设计信息、并继续采取法兰固定连接新旧钢梁以延长连续架构的扩建设计方案，温度效应工况则会起控制作用，在这种情况下，新旧端撑柱的上拔力及竖向力急剧增大，使得原有端撑基础不满足抗拔稳定的计算要求，造成安全隐患。

为了释放温度应力，防止新扩建架构对原有架构产生的安全隐患，并考虑加工制造安装方便，需要研究一种能满足设计要求的连接结构。本文将具体介绍一种可以释放温度应力的连接装置，其解决了当扩建后连续刚架长度超过100 m时，由于单管梁固接连接结构所导致的新旧端撑柱的上拔力急剧增大、致使端撑基础不满足抗拔稳定计算要求的问题。该装置只允许钢管梁沿纵向滑动，不仅可以达到释放温度应力的目的，而且可以很好的承受剪力和弯矩。

2 连接装置的结构构造及实施方式

该连接装置的结构见图1，包括单管2、延伸单管1和连接管3，在连接管3的左端内侧壁上设置有连接管左加强环筋4，在连接管3的右端内侧壁上设置有连接管右加强环筋5，在延伸单管1的右端口外侧面上设置有延伸单管法兰盘6，在单管2的左端口外侧面上设置有单管法兰盘7，连接管3的左端套接在延伸单管1的右端管内，连接管3的左端与延伸单管1的内侧壁固定焊接连接在一起，连接管3的右端活动套接在单管2的左端管内，在连接管3的右端外侧壁与单管2的左端的管内侧壁之间设置有润滑油脂层11，在延伸单管法兰盘6与单管法兰盘7之间穿接有单头螺栓8，在单头螺栓8的尾部螺接有螺母12，在单头螺栓8的螺头14与单管法兰盘7之间设置有右压缩弹簧10，在螺母12与延伸单管法兰盘6之间设置有左压缩弹簧9，在延伸单管法兰盘6与单管法兰盘7之间有弹簧16，在延伸单管1的右端口侧面与单管2的左端口侧面之间设置有间隔缝隙15，在连接管3的外侧壁与单管2的左端口之间设置有防水密封圈13。

图1 连接装置结构图

其中，几个计算参数及注意事项如下：

首先，间隔缝隙15的宽度为左压缩弹簧9的长度和右压缩弹簧10的长度之和，左压缩弹簧9的长度与右压缩弹簧10的长度是相等的。间隔缝隙15的宽度Δ可根据公式：

式中：α为单管材料线膨胀系数；Δt为最大温差；L为单管梁的整个跨度。

其次，连接管3与单管2及延伸单管1的套接长度可按照不小于套入管最大内径的1.35倍确定。

再次，左压缩弹簧9的长度与右压缩弹簧10的长度为50 mm为最佳，既能保证单管梁在极端负温作用下的变形要求，又能防止螺母12的松动，为单管梁的应力变形的延伸设置了第二道保险。中间弹簧16保证钢管收缩时接头处均有一定的纵向刚度，有利于在正常工况下的荷载传递，避免钢管纵向变形晃动。

最后，在连接管3的外侧壁与单管2的左端口之间设置的防水密封圈13的宽度为10 mm。防水胶条的设置是为了防止运行过程中套管内渗入雨水，同时其材料是柔性的，还可自由伸缩。在连接管3与单管2及延伸单管1之间涂抹润滑油脂层11，是为了保证结构变形时减少摩擦，利于套管的自由滑动，并减少对钢管内壁的过度摩擦。在此，涂抹润滑油的部位要加强定期维护。

本连接装置利用插接管体来保证新建单管梁的受弯剪性能，传力明确。同时，和原有连续刚架的单管梁采用插接型式，保证了新建单管梁和原有单管梁在温度应力下自由伸缩，释放温度应力，使得温度应力工况不起控制作用，减小了新旧端撑柱的上拔力及竖向力，使得端撑基础满足抗拔稳定计算要求，符合概念设计理念，结构简单，制造安装方便。

3 计算分析

为了对该连接装置结构释放温度应力的能力做出量化分析，文章通过有限元计算进行分析比较。

假设基本条件：原有构架跨度13 m，共8跨，横梁标高14.5 m。梁柱均采用直缝十二边形焊接钢管，钢管管段之间采用法兰连接。现需要一端扩建2跨构架，跨度及高度均同原有构架，扩建后总长130 m，超出了100 m限值，故需要考虑温度应力。通过有限元计算，分别就正负温差下的端撑受力进行了分析比较，计算结果见表1，计算简图见图2。

图2 两种连接结构在正负温差下的端撑受力比较

表1 两种连接结构在正负温差下的端撑受力比较

通过计算分析可知，该连接装置结构在用于扩建的单管梁与连续刚架的既有单管梁之间的连接时，既释放了温度应力，又很好的承受剪力和弯矩，减小新旧端撑柱的上拔力及竖向力。同时，为后续扩建继续加长单管梁提供了便利条件。

4 结语

本文提出的可以释放温度应力的连接装置，应用于变电站扩建项目中增加户外配电装置的供电间隔时，连续刚架扩建端单管梁与既有单管梁之间的连接。该装置允许钢管沿纵向可以滑动，从而达到释放温度应力的目的，既保证了单管梁的弯剪承载力要求，又释放了温度应力，阻断了温度应力向扩建构架传递，明显减小了新旧端撑柱的上拔力及竖向力，技术经济效果显著。同时，此连接装置结构加工制造较固接连接结构大大简化且安装方便，故可以在变电站扩建项目中广泛应用。