基于钢管混凝土原理的500 kV构架柱加固设计

鲁 伟，吴必华，闫 勇，吴 晟，余 欢

(中国电力工程顾问集团中南电力设计院，湖北 武汉 430071)

0 引言

渝鄂背靠背南通道和恩施东—输变电工程建成投产后，葛洲坝—双河线路已经无法满足系统运行要求，需要进行增容改造，以提高渝鄂背靠背南通道送入电力及恩施电力外送能力，间接提高系统稳定水平，增强对可能出现的各种运行方式和系统将来发展的适应性，提高系统运行裕度。

双河500 kV变电站改造工程更换葛洲坝—双河Ⅰ回、Ⅱ回线路相关设备连线、跨线，更换双河变500kV母线，需要换线的构架为1#～10#构架，换线布置图如图1所示；500 kV构架改造区域透视图如图2所示。

图1500 kV构架换线布置图(改造区域)

图2500 kV构架透视图(改造区域)

1 原构架复核

构架换线后，导线拉力有不同程度的增大，此外，随着GB 50068—2018《建筑结构可靠性设计统一标准》的修订，建筑结构的作用分项系数有不同程度的增大[1]，其中永久作用的分项系数由1.2增大为1.3；可变作用的分项系数由1.4增大为1.5。因此，需对换线的构架进行复核，包括：4孔连续出线构架、4孔连续跨线构架、单孔母线构架。

1.1 构架几何信息

构架柱采用圆形钢管柱，构架横梁采用三角形变断面格构式钢梁，梁柱铰接。柱、梁弦杆拼接接头采用法兰连接，钢梁弦杆采用钢管，腹杆采用角钢，腹杆和弦杆之间采用螺栓连接。构架几何信息详见表1所列。

表1500 kV构架几何信息

1.2 导线荷载

构架荷载条件：地震基本烈度6度，设计基本地震加速度值为0.05g。基本风压0.3 kN/m2。

构架出线侧导线水平拉力≤36 kN/相，垂直荷载≤6.5 kN/相，侧向拉力≤1 kN/相。地线水平拉力≤4.5 kN/根，地线垂直荷载≤1 kN/根，侧向拉力≤0.2 kN/根。

根据电气资料，构架导线拉力对比详见 表2和表3所列。通过对比可以看到，更换导线后的导线拉力与前期相比，单孔构架导线水平拉力增加约50%，4孔构架导线水平拉力略微降低、垂直拉力和侧向力显著增加。

表2 单孔构架导线拉力对比kN

表34孔构架导线拉力对比kN

1.3 计算结果分析

经复核，构架梁部分腹杆和螺栓受力不满足要求，考虑对构架梁进行重新设计并更换。此为常规设计，此处不再赘述。本节重点阐述构架柱更换导线后的复核计算。

由于人字柱平面外方向弯矩较小，按单向压弯构件计算构架柱平面内、平面外稳定性和单向拉弯构件强度[2]。

采用三维结构分析和设计软件STAAD Pro进行结构计算[3]，在不考虑构架柱截面削弱的情况下，500 kV构架柱复核计算结果详见表4所列。

表4500 kV构架柱复核计算结果kPa

通过计算可以看出，构架更换导线后，构架柱下柱和中柱都能够满足新的受力要求，而 4孔连续出线构架柱上柱由于杆件较长、所受弯矩较大，平面内稳定应力为210 kPa，应力比为97.67%，接近限值。考虑到构架经过近40 a的服役，构架柱存在不同程度的凹陷，如图3所示。同时考虑到锈蚀的影响，构架柱截面存在不同程度的削弱，因此，认为4孔连续出线构架柱不满足更换导线后的受力要求，其余构架柱需根据构架检测结果再复核其受力是否满足要求。

图3500 kV构架柱凹陷

2 构架柱加固设计

针对4孔连续出线构架不满足更换导线之后的受力要求这一问题，有2种解决方案可供选择：一种是重新设计构架然后整体更换；另一种是对现有构架进行加固，提高其受力性能。

双河500 kV变电站是华中地区重要的枢纽变电站，是三峡电力外送的重要通道和荆门地区的重要电源点，整体更换构架的方案会导致长时间的停电，由此会带来较大的经济损失和不良的社会影响。为节省停电时间，最终采用针对现有构架进行加固的方案。

2.1 加固方案选择

针对钢管柱的加固，加固方案主要有：增大截面加固法、附加杆件和支撑加固法、填充混凝土加固法和碳纤维增强复合材料加固法[4]。

上述加固方案中，增大截面法通常采用焊接、粘结等手段，施工较为复杂，难以保证质量；附加杆件和支撑加固法对于布置紧凑的变电站而言难以有效施展；碳纤维增强复合材料加固法多用于混凝土结构的加固，加固钢结构方面的研究还相对较少，工程应用也较为少见。相比较而言，填充混凝土加固法利用成熟的钢管混凝土原理，可有效地提高钢管柱的刚度、强度和延性，对于加固施工而言，填充混凝土是比较经济的方法。

2.2 加固复核计算

根据GB 50936—2014《钢管混凝土结构技术规范》[5]第5.3.1条计算钢管混凝土构架柱在压力和弯矩共同作用下的强度、稳定性。

选取4孔连续出线构架柱上柱最不利工况进行复核。

工况1：轴心压力N=802 kN，弯矩M=94 kN·m；工况2：轴心压力N=272 kN，弯矩M=128 kN·m。

经复核计算，构架柱刚度、强度和稳定性均满足规范要求。采用构架柱填充混凝土加固法后，构架柱抗压承载力显著提高，由于构架柱内部混凝土提高了钢管混凝土的受压截面强度和受压稳定系数，按4孔连续出线构架柱上柱受力最大工况下，钢管混凝土压弯计算应力比仅为25.66%，可以看出，构架柱采用填充混凝土加固法是可行且有效的。

2.3 加固施工方案选择

构架柱填充混凝土加固法主要有3种施工方案：人工浇灌和振捣、高位抛落不振捣和泵送顶升法[6]。

本工程钢管尺寸小，人工浇灌和振捣困难。泵送顶升法即混凝土在泵压作用下由下而上顶升，靠自重挤压密实并充填钢管，与钢管共同工作[7]。考虑到经过近40 a的服役，构架柱存在不同程度的凹陷、锈蚀等缺陷，为避免泵压过高影响结构安全，建议采用高位抛落不振 捣法。

高位抛落不振捣法需要在构架柱适当位置开灌浆孔(直径不超过75 mm)，采用无收缩自密实混凝土在高位分段灌注，每段下部设排气孔(孔径25 mm)。混凝土达到设计标高后，采用钢板焊接封闭灌浆孔，焊接处冷喷锌防腐。

构架柱的开孔建议用冷刀并采取合理的温度控制措施，严格控制施工质量，避免对开孔部位附近区域的影响。

无收缩自密实混凝土强度等级C40，粗骨料最大公称粒径不宜大于20 mm，自密实混凝土拌合物的自密实性能应满足JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》[8]中SF1性能等级要求。自密实混凝土最大倾落高度不宜大于9 m，对于25.5 m高的构架柱，分三段进行浇筑；对于18 m高的构架柱，分两段进行浇筑。

3 结语

本文以双河500 kV变电站为工程背景，针对500 kV构架柱在换线情况下受力不满足规范要求的现状，开展加固设计。

根据钢管混凝土原理，采用构架柱内灌注混凝土的加固设计方案，在相同的荷载条件下，构架柱的应力比由97.67%降低至25.66%，大幅提高了构架柱的受力性能。

利用自密实混凝土的高流动性克服常规混凝土在构架柱内难以振捣密实的缺陷，有效降低施工难度、保障施工质量。