基于三维技术的500 kV风帆式出线联合构架研究

周鹏

（中国电建集团江西省电力设计院有限公司，江西 南昌 330096）

0 引言

利用GIS电气设备导管可以随意引接、灵活布置的特点，通过将门型出线构架设置成二层出线梁，出线A、B、C三相垂直布置，二层梁的高度设置为24 m、37 m高度；二层梁水平间距离按11.5 m控制。这样，由GIS出线套管引出的A、B、C三相满足电气距离要求。该结构以外形似风帆而命名为“风帆联合式”出线构架。针对现有构架形式并结合风帆式联合出线构架的自身特点，分别从杆件受力的合理性、工程可靠性、厂家加工便利性、现场施工的可实现及经济性方面进行比较，结果表明等截面钢管结构构架及格构式构架满足风帆式联合出线构架要求。由于GIS长度尺寸远大于宽度尺寸，格构式构架需要采用增大自立柱主材规格手段提高整体构架在弱轴方向的侧移刚度。导致须采用全钢管格构式体系来作为构架的承载构件，在用钢量方面全钢管格构式较等截面钢管结构构架并无特别明显的优势，而且须增加500 kV配电装置场区面积，造成总平面布置不协调。因此，推荐风帆式出线构架采用等截面钢管结构。同时采用三维技术建立了构架的信息化模型，同时将三维设计技术用于钢结构详图设计和制造环节，实现了全数字的设计、加工一体化流程[1-2]。提高了工作效率，改进了制造质量。实现构架施工过程的虚拟化模拟。

1 500 kV配电装置场地布置

某南昌地区工程500 kV采用GIS布置，通过将门型出线构架设置成二层出线梁，出线A、B、C三相垂直布置，二层梁的高度设置为24 m、37 m高度，二层梁水平间距离按11.5 m控制。如图1所示。

图1 变电站设计工序图

2 配电装置构架结构的设计依据及设计原则

2.1 构架设计荷载资料

1）导线荷载

导线荷载设计详见表1。

表1 500 kV出线侧导、地线控制张力

2）风荷载

文献[3]规定，垂直于风向的结构风压应参与组合，取其对结构的最不利者进行设计。这时的结构风压应该是对应工况的风速产生的。根据当地气象条件，本工程设计基本风压确定为0.45 kN/m2。

3）温度荷载

文献[3]规定，两端设有刚性支撑、总长度超过150 m的连续排架，或总长超过100 m的连续钢架，应计算温度作用效应的影响，可按在夏季或冬季允许露天作业的气温条件下安装，在最大风温度环境条件下运行，此时计算温度差可取：Δt=±35℃。本工程的500 kV构架连续长度为112 m＜150 m，且构架与构架之间为铰接，因此不需考虑温度荷载的影响。

4）地震作用（新地震规范南昌的加速度）

据《中国地震动峰值加速度区划图》（1∶400万）及《江西省地震动参数区划工作用图》（1∶75万）站址所处区域一般场地条件下50年超越概率10%的设计地震动峰值加速度小于0.05 g，对应地震基本烈度小于6度，设计地震分组为第一组。根据新颁的《中国地震动参数区划图》（GB18306—2015）从2016.06.01一般场地条件下50年超越概率10%的地震动峰值加速度为0.05 g，地震基本烈度为6度。采用振型反应谱分解法计算。

5）荷载效应组合

变电构架设计应根据使用过程中在结构上可能同时出线的荷载，按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载组合，并应根据各自的最不利的荷载效应组合进行设计。承载能力极限状态组合用于导致结构破坏的构件和连接强度、稳定的计算，正常使用极限状态组合用于影响结构正常使用好耐久性的如构件的变形、裂缝等计算。变电构架应根据电气布置、不同的工作情况下可能产生的最不利受力情况，并考虑到远期发展可能产生的变化，分别按终端构架和中间构架进行设计，一般不考虑断线的条件。

构架的设计应考虑下列两种极限状态：

（1）承载能力极限状态采用荷载效应的基本组合（即只考虑永久荷载和可变荷载的组合，不考虑偶然荷载参与组合）时，其设计表达式取下列各式的最不利者[4]：

a.由可变荷载效应控制的组合：

b.由永久荷载效应控制的组合：

（2）正常使用极限状态，应根据不同的设计要求，采用荷载的标准组合、频遇组合或准永久组合。并应按下列设计表达式进行设计：

a.荷载标准组合的效应设计值：

b.荷载频遇组合的效应设计值：

c.荷载准永久组合的效应设计值：

文献[3]规定：构架应按不同的工况分别进行组合，并取其对构件的最不利者进行设计。各种工况下荷载的分项系数见表2。

表2 导线荷载的分项系数表

承载能力极限状态荷载效应的基本组合如下，其中（Gk：恒载；D11k：导线荷载；Wk：风荷载；）：

1）1.2Gk+1.3D11k+1.4Wk

2）1.2Gk+1.2D21k+1.2D22k+1.4Wk

3）1.2Gk+1.2D32k+1.2D22k+1.4Wk

正常使用极限状态荷载效应的基本组合如下：

1）Gk+D22k+Wk

2）Gk+D11k+0.5Wk

2.2 构架选型及材料选用对比分析

1）构架选型分析[5]

分别对等截面普通钢管构架、格构式构架及变截面高强度钢管构架进行了优缺点对比。由于500 kV出线间隔总宽度范围内只能放置2基终端塔，因此须采用同塔四回的模式出线，为满足每个四回路中间2回导线上终端塔偏角及对构架的安全距离在合理值范围内，当构架柱采用ϕ500 mm的等截面钢管时GIS出线点与构架的距离定为6.0 m。因此采用等截面钢管结构构架时，2回出线共用一个出线间隔，宽度为28 m，总间隔长度为112 m。如图2所示。

图2 等截面钢管构架间隔尺寸图

根据以往工程经验，若采用全钢管格构式构架，其格构式构架柱的宽度尺寸最少需要2.0 m×2.0 m，为满足每个四回路中间2回导线上终端塔偏角及对构架的安全距离在合理值范围内，中间2回GIS出线点与构架的距离须调整为7.0 m，即间隔宽度尺寸调整为29 m，即500 kV总间隔长度为116 m。且由于GIS长度尺寸远大于宽度尺寸，这就需要采用增大自立柱主材规格手段提高整体构架在弱轴方向的侧移刚度。这就需要采用全钢管格构式体系来作为构架的承载构件，因此，在用钢量方面全钢管格构式较等截面钢管结构构架并无特别明显的优势，而且须增加500 kV配电装置场区面积，造成总平面不协调。如图3所示。

图3 全钢管格构式构架间隔尺寸图

综上所示，本工程构架方案采用等截面普通钢管结构构架。

2）构架模型

构架为空间联合形式，间隔宽度为28 m，总长112 m，总高渡37 m[6]。采取双层梁布置形式，第一层梁高24 m，第二层梁高37 m。构架柱由两高度不同的钢管柱支撑，中间联合布置橫撑和斜撑，两端设置端撑。利用A型柱受力特点，将短柱与斜撑布置成一定斜率的A型柱，在以主要承受平面内导线拉力的构架设计中，增加了平面内刚度和稳定，受力合理。风帆式联合构架的基本结构单元为钢管柱和钢管格构式三角梁，两竖向主柱为等截面钢管柱，如图4所示。

图4 风帆式构架模型

3 基于三维结构信息化模型的钢结构设计加工一体化

分析计算模型的杆系结构可直接导入到生成绘图模型，节点采用参数化输入，自动生成，十分简单方便。可以快速的建立完整的三维构架模型，并生成精确的加工图模型（如图5、图6）。

图5 构架柱及节点模型

图6 构架梁及节点模型

将结构信息模型用于钢结构详图设计和制造环节，这样便实现了全数字的设计、加工一体化流程。重复利用设计模型不但提高了工作效率（省去了用于创建制造模型的时间），而且改进了制造质量（消除了设计模型与制造模型相互矛盾的现象）。此外，钢结构详图设计和制造软件中使用的信息是基于高度精确、协调、一致的结构信息模型的数字设计数据，这些数据完全值得在相关的类似活动中共享。

将设计模型直接用于制造环节还可以在制造与设计之间形成一种自然的反馈循环，即在建筑设计流程中提前考虑制造方面的问题。制造共享设计模型有助于缩短加工周期，便于制造根据设计要求的钢材用量进行加工并供货。钢结构与其它建筑构件之间的协调也有助于减少现场发生的问题，降低不断上升的钢结构安装成本。

4 结语

针对现有构架形式并结合风帆式联合出线构架的自身特点，分别从杆件受力的合理性、工程可靠性、厂家加工便利性、现场施工的可实现及经济性方面进行比较，结果表明等截面钢管结构构架及格构式构架满足风帆式联合出线构架要求。由于GIS长度尺寸远大于宽度尺寸，格构式构架需要采用增大自立柱主材规格手段提高整体构架在弱轴方向的侧移刚度。导致须采用全钢管格构式体系来作为构架的承载构件，在用钢量方面全钢管格构式较等截面钢管结构构架并无特别明显的优势，而且须增加500 kV配电装置场区面积，造成总平面布置不协调。因此，推荐风帆式出线构架采用等截面钢管结构。

采用三维技术建立了构架的信息化模型[7]，同时将三维设计技术用于钢结构详图设计和制造环节，实现了全数字的设计、加工一体化流程。提高了工作效率（省去了用于创建制造模型的时间），而且改进了制造质量（消除了设计模型与制造模型相互矛盾的现象）。

采用三维技术实现结构设计全过程的模拟仿真和管理，借助于相关技术实现构架施工过程的虚拟化（Virtual Construction，虚拟建设），对构架的“可施工性”进行度量与评估，实现模拟拼装与施工流程模拟，从而有效的指导现实的施工过程，有效的指导机械化施工。