海外工程变电站钢构架中美标准计算模型分析

摘 要：对于海外项目变电站内钢构支架结构设计，一般采用的钢结构设计规范等均为美标。本文按照中美规范的要求，综合考虑了钢构架荷载及组合、材料强度、计算长度、规范检验等因素，使用国际通用结构分析设计程序STAAD对变电站内400kV钢构架进行了试算对比分析，对构架梁、柱用钢量进行了对比和分析。

关键词：中美标准，对比分析，用钢量，STAAD

0 引 言

随着“一带一路”国家倡议的发展和世界能源互联网的实施，中国电力技术不断走出国门，输出到非洲、南美洲、东南亚和中东等地区，由于受西方思想影响较大，这些地区的工程建设标准往往采用美国、欧洲等标准。为实现与国际接轨，顺利推进工程建设，中国国际工程总承包公司在项目执行过程中往往倾向于接受合同规定的国际标准，这对习惯于中国标准的总承包公司来说是一项巨大挑战。

掌握国际标准以及充分了解国内标准与国际标准的差异对国际工程设计具有重大意义，是国际工程总承包公司需要解决的重要问题。当前海外输变电工程竞争日趋激烈，了解国际主流EPC承包商的技术路线，分析中美技术差异非常必要。

本文结合国际工程实例对中国标准、美国标准进行深入地分析和比较研究，归纳了中美标准模型计算用钢量指标。

1 设计标准依据

1.1 采用的中国规范、美国规范

变电站钢构架模型计算输入参数主要有结构计算、荷载取值以及不同工况下荷载组合等，相应依据标准见表1。

1.2 钢构架结构型式

构架梁、柱均采用四边形断面角钢格构式结构，且斜腹杆均为交叉腹杆，各构件之间螺栓连接。

1.3 风荷载

中美规范对于基本风速定义时距差别较大，中国规范时距10min，美国规范时距是3s风速。中美规范地面粗糙度类别划分标准类似，中国A、B、C、D类分别对应美国规范D、C、B、B（美国规范取消了A类）。

构架计算时为了统一输入条件，国内风荷载按照美国标准《土建工程设计之抗风设计手册》的计算方法，将假定的3s风速通过阵风因素换算成时距l0min的风速。

2 国内构架计算分析

2.1 构架的荷载及荷载组合

2.1.1 作用于构架的荷载

变电站架构模型中荷载主要分3类（见表2）：（1）永久荷载：如：构架自重、固定的设备重及导线和绝缘层自重产生的垂直荷载和水平张力等（2）可变荷载：如：风荷载（构架风压、导线侧向风压及其产生的水平张力）、冰荷载；（3）偶然荷载：如：短路电动力、验算（稀有）风荷载及验算（稀有）冰荷载。

2.1.2 荷载组合

（1）承载能力极限状态

1）覆冰有风工况：

1.0×SW + 1.3×D12 + 1.4×W10

1.2×SW + 1.3×D12 + 1.4×W10

2）大风工况：

1.0×SW +1.3×D11 + 1.4×Wmax

1.2×SW + 1.3×D11 + 1.4×Wmax

3）温度作用工况：

1.0×SW + 1.3×D13 + 1.0×1.0×Δt-40 +1.4×W10

1 . 2 × S W+ 1 . 3 × D 1 3 + 1 . 0 × 1 . 0 × Δ t - 4 0 +1.4×W10

1.0×SW + 1.3×D14 + 1.0×1.0×Δt+50 +1.4×W10

1.2×SW + 1.3×D14 + 1.0×1.0×Δt+50 +1.4×W10

1.0×SW + 1.3×D11 + 0.85×1.0×Δt+35（或Δt-30）+ 1.4×Wmax

1.2×SW + 1.3×D11 + 0.85×1.0×Δt+35（或Δt-30）+ 1.4×Wmax

4）安装工况（紧线相为任意相，主要验算构架梁）

1.0×SW + 1.2×D21（可只考虑B相）+ 1.2×D22（A、C相）+ 1.4×W10

1.2×SW + 1.2×D21（可只考虑B相）+ 1.2×D22（A、C相）+ 1.4×W10

5） 检修工况

1.0×SW + 1.2×D31 + 1.4×W10 （仅母线且只考虑一个档距）

1.2×SW + 1.2×D31 + 1.4×W10 （仅母线且只考虑一个档距）

1.0×SW + 1.2×D32（可只考虑B相）+ 1.2×D22（A、C相）+1.4×W10

1.2×SW + 1.2×D32（可只考虑B相）+ 1.2×D22（A、C相）+1.4×W10

6） 地震作用组合

1.0×GE + 1.3×E

1.2×GE + 1.3×E

1.0×GE + 1.3×E +0.2×1.4×Wmax

1.2×GE + 1.3×E +0.2×1.4×Wmax

（2）正常使用极限状态

1）大风工况：

1.0×SW + 1.0×D11 + 0.5×Wmax

2）覆冰有风工况：

1.0×SW + 1.0×D12

3）温度作用工况：

1.0×SW + 1.0×D13 + 1.0× 1.0×Δt-40

1.0×SW + 1.0×D14 + 1.0× 1.0×Δt+50

1.0×SW + 1.0×D11 + 0.85×1.0×Δt+35（或Δt-30）+ 0.5×Wmax

2.2 400kV构架计算分析

构架的三维模型（如图1所示）。

构架所采用的主要构件截面及梁柱用钢量（见表3）。

以非洲某变电站项目400kV出线构架为例，进行模型计算，国标情况下梁柱主材选择计用钢量见表3。

荷载组合控制工况如下。

柱：1.2×SW + 1.3×D11 + 1.4×Wmax（大风工况）

梁：1.2×SW + 1.2×D21（可只考虑B相）+1.2×D22（A、C相）+ 1.4×W10（检修工况）

3 美标400kV构架计算分析

3.1 CFE标准下构架的荷载及荷载组合

（1）根据CFE JA100-57《变电站使用的大型及小型金属结构》的要求，对构架进行分析时，所使用的负荷条件如下。

PP = 金属结构的自重。

PEC = 设备和电缆的自重。

TMCCN = 在常规条件下电缆的最高拉力（在两个方向产生的最高拉力）。最高拉力是根据在特殊特性章节里列出的弧垂和应力的演算书来计算获得（双侧最大导线拉力，最大风）。

TTCCN = 在常规条件下电缆的拉力（双侧受力，非紧线）。

TMCCD = 在不平衡条件下产生的最高拉力（在一个方向产生的最高临界拉力）（单侧最大导线拉力，最大风）。

TTCCD = 在不平衡条件下产生的电缆工作拉力（在一个方向产生的工作拉力）（单侧受力，非紧线）

PVMNE = 对金属结构产生的正常最大风压（在电缆拉力的方向），针对200年重现期的标准。

PVMPE = 对金属结构产生的平行最大风压（电缆拉力的正交方向），针对200年重现期的标准。

PvmNE = 对金属结构产生的正常平均风压（在电缆拉力的方向），风速的一半值则是针对50年重现期的标准。

PvmPE = 对金属结构产生的平行平均风压（电缆拉力的正交方向），风速的一半值则是针对50年重现期的标准。

PVM45 = 45 ℃温度下的最高风压（ 要考虑在金属结构两个方向中应力组合因素，也就是说，在金属结构的每一侧，根据正弦或余弦三角函数对上述的应力采用的一个数值为0.7071。

CSNE = 对金属结构产生的正常地震负荷（要考虑在这个方向100%产生的地震负荷，以及在另一个30%产生的地震负荷）。

CSPE = 对金属结构产生的平行地震负荷（要考虑在这个方向100% 产生的地震负荷，以及在另一个30%产生的地震负荷）。

（2）荷载组合

1） 1，4（PP+PEC+TTCCN）.

2） 1，2 （PP+PEC+TTCCN）+ 1，3 PVMPE.

3） 1，2（PP+PEC + TTCCN）+ 1，3 PVMNE.

4） 1，2（PP+PEC+TTCCD）+ 1，3 PVMPE.

5） 1，2（PP+PEC+TTCCD）+ 1，3 PVMNE.

6） 1，2（PP+PEC+TTCCN）+ 0，919 PVMNE +0，919 PVMPE.

7） 1，2 （PP+PEC+TTCCD） + 0，919 PVMNE +0，919 PVMPE.

8） 1，2（PP+PEC+TMCCN）+ 1，3 PvmPE.

9） 1，2（PP+PEC+TMCCN）+ 1，3 PvmNE.

10） 1，2 （PP+PEC+TMCCD）+ 1，3 PvmPE.

11） 1，2 （PP+PEC+TMCCD）+ 1，3 PvmNE.

12） 1，2 （PP+PEC+TTCCN）+ 1，5 CSNE.

13） 1，2 （PP+PEC+TTCCD）+ 1，5 CSNE.

14） 1，2 （PP+PEC+TTCCN）+ 1，5 CSPE.

15） 1，2 （PP+PEC+TTCCD）+ 1，5 CSPE.

16） 0，9（PP+PEC）+TTCCD+1，3 PVMNE.

17） 0，9（PP+PEC）+TTCCD+1，3 PVMPE.

18） 0，9（PP+PEC）+TTCCD+1，5 CSNE.

19） 0，9（PP+PEC）+TTCCD+1，3 CSNPE.

20） PP+PEC+TTCCN.

3.2 400kV构架计算分析

（1）构架的三维模型

（2）构架设计所采用的主要构件截面

以非洲某变电站项目400kV出线构架为例，进行模型计算，美标情况下梁柱主材选择计用钢量见表4。

荷载组合控制工况如下。

柱：1.2 （PP+PEC+TMCCN）+ 1.3 PvmNE（大风工况）；

梁：1.2 （PP+PEC+TMCCD）+ 1.3 PvmNE（大风工况）。

4 中美构架上部结构计算结果的比较分析

4.1 中美建筑结构可靠度设计的主要内容比较

（1）中美的荷载系数和荷载组合均基于概率极限状态设计方法；参照国内外对规定可靠指标的分级，规定安全等级每相差一级，可靠指标取值宜相差 0.5。

（2）为使结构达到预期的安全水平，采用不同的荷载组合和荷载系数。美国规范中采用抗力系数和荷载系数，中国规范中还将荷载系数分为组合值系数、频遇值系数及准永久值系数等，其同样能反映荷载效应和抗力的变异性。

（3）中国规范中指出影响荷载可靠度的不定因素有作用和环境的影响，而美国规范中还考虑了计算假定模式的误差的影响。

（ 4 ） 中国的目标可靠度值的变化范围是2.7～4.2。美国的的目标可靠度值的变化范围是2.5～4.5。

（5）中国变电站的主要建（构）筑物按延性破坏设计，其承载能力极限状态可靠度指标值分别对应 3.2 和 3.7。美国规范为 OCCUPANCYCATEGORY III，其承载能力极限状态可靠度指标值对应为 3.25～3.75（依据破坏的范围）。

以上分析可以得出，中美标准可靠度接近，对模型计算结果没有影响。

4.2 荷载组合分项系数的差异

变电站构架荷载组合主要考虑运行、安装、检修3种工况：（1）运行工况：最大风速、覆冰气象条件；（2）安装工况：考虑构架组立、导线紧线及紧线时作用在梁上的人及工具重；（3）检修工况：考虑单相带电检修和三相停电同时检修时导线上人。各项工况中美标准组合分项系数有差异，见表5。

由以上分析可以得出，风荷载参与的组合工况下，国标的荷载组合导线拉力计风荷载较美标略大。

4.3 中美规范对构件长细比规定的差异

受压杆的容许长细比，GB 50017《钢结构设计规范》按不同的构件和不同的受力情况分别取150和200，LRFD不分受力情况，统一取200，可见GB 50017-2003较严格；对受拉构件GB 50017《钢结构设计规范》按不同的构件和不同的受力情况分别取300和350．LRFD不分受力情况，统一取300，较GB 50017-2003严格。

从受压杆件来看，国标控制长细比150较美标长细比200严格，受拉构件美标长细比300较国标350严格。

4.4 用钢量的比较

以非洲某变电站项目400kV出线构架为例，分别采用国标、美标所得的用钢量对比情况见表6。

对比中美标准差异，通过建模对比分析，得出结论如下。

（1）通过荷载系数、荷载组合以及承载能力极限状态等综合分析，中美建筑结构可靠度指标接近。

（2）荷载组合分项系数，风荷载参与组合的情况下，国标的荷载组合分项系数比美标准取值略微偏大。

（3）中美规范对构件长细比规定差异：受压构件国标较严格，受拉构件美标相对严格。

（4）实际建模采用中国标准计算的用钢量较美国标准计算的稍微偏大，主要原因见4.1小节、4.2小节、4.3小节，用钢量增加约6%～8%。

5 结 语

通过实际建模深入分析变电站格构式钢构架受力模型，以400kV变电站构架为例，分别从可靠度、荷载、荷载组合以及长细比构造等方面进行差异化分析，总结得出中美标准下用钢量指标，对海外变电站项目建设提供了有效指导。尽管本次模型分析取得了一定结论，但复杂情况下，例如：500kV联合构架、超大跨度等特殊场景，本结论不一定适用，未来研究可进一步探讨复杂联合构架、超高、超大跨度等变量的影响。

参考文献

[1]GB 50153-2008，工程结构可靠度设计统一标准[S].

[2]GB 50068-2001，建筑结构可靠度设计统一标准[S].

[3]GB50017，钢结构设计规范[S].

[4]GB50009，建筑结构荷载规范[S].

[5]中南电力设计院，编.变电站架设计手册[S].

[6]AISC 360[S].

[7]ASCE/SEI 7： M inimum Design Loads for B uildings and Other Structures[S].

[8]CFE JA100-57[S].

[9]ANSI/AISC 341-05：Seismic Provisions for Structural Steel Buildings[S].

[10]Development of a probability based load criterion for American national standard A58 [M].

[11]Arthur H.Nilson. Design of Concrete Structures[M].

[12]International Building Code[S].

[13]中国电力规划协会，编. 中国电力设计标准与国际标准和国外标准对比研究 [M].