某水電站出線門形架結構設計

楊建東

（中國水電顧問集團 西北勘測設計研究院，陜西西安 710065）

1 工程概況

該水電站位于青海省尖扎縣與化隆縣交界的黃河干流上，上距李家峽水電站約17 km，下距公伯峽水電站約53 km。樞紐建筑物由左岸及河床土石壩，右岸灘地泄洪閘、混凝土重力壩、電站廠房壩段、右岸副壩等建筑物組成。正常蓄水位2 033.0m，總庫容2 880萬m3，總裝機容量283.5 MW，多年平均發電量9.92億kW·h，年利用小時數3 500 h。工程的主要任務是發電[1]。

電站廠房安裝7臺貫流式機組，單機容量為40.5 MW，電站設計水頭18.7 m。廠房壩段總長127.50m，安裝間壩段長42m，最大擋水壩高46.50m。根據《水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準》規定，工程屬Ⅲ等中型工程，電站廠房為3級建筑物，廠房結構安全級別為Ⅱ級。地震基本烈度為7度，設防烈度為7度[2]。

GIS開關站布置在2 023.30m高程尾水平臺上，內設10 t橋機，出線門形架布置在與GIS開關站位置相應的廠房排架柱的頂部。GIS開關站進線四回，出線兩回，出線經GIS室出線平臺挑至出線門形架送出，接入輸電系統。

2 出線門形架結構設計

2.1 結構布置及設計原則

出線門形架布置在與開關站位置相應的廠房排架柱頂部，為4跨門式鋼架結構，門形架最大高度17.5m，單跨最大跨度8.15m，總長度29.4m。鋼柱為格構柱，布置在廠房排架柱上，斷面尺寸為780mm×780mm，主材由4根等肢角鋼構成，主材之間由綴條連接。鋼梁斷面尺寸為b×h=823 mm×800 mm，斷面形式與鋼柱相同。

排架簡化為縱、橫2個方向進行計算，結合出線角度，將導線及避雷線張力分解至縱、橫方向。縱向為門式鋼排架結構，見圖1。橫向計算時，每根鋼柱簡化為一獨立懸臂柱結構。

主要設計原則如下：

1）結合工程所在地情況，按照《建筑結構荷載規范》考慮風荷載、雪荷載[3]。

2）根據《110～500 kV架空送電線路設計技術規程》，可不進行抗震驗算[4]。

3）水工鋼結構按照容許應力法計算：

式中，Ni為根據標準荷載求得的內力；S為構件的幾何特性；[σ]為鋼材的容許應力。

4）根據《鋼結構設計規范》，驗算構件的整體穩定和局部穩定性。

5）容許位移值。根據《35～110 kV變電所設計規范》，[△]＝L/200，L為柱高[5]。

圖1 門形架縱向立面簡圖

2.2 荷載計算

出線門形架主要承受的荷載包括：自重、導線及避雷線張力、風荷載、雪荷載、操作人員及工具荷載。

1）自重。包括所有構件的自重荷載。

2）導線及避雷線張力。根據電氣一次專業提供的技術接口資料確定。接口資料應包括門形架布置位置，導線及避雷線布置方式、出線角度、掛點位置、最大張力，以及所選擇的掛線金具的規格型號等資料。導線布置在橫梁上，避雷線布置在柱頂。最大張力相應地按照出線角度分解到縱、橫2個方向，分別施加到縱向排架和橫向懸臂柱上。本計算中，導線及避雷線張力是在考慮覆冰、最大風速等情況下可能出現的最大張力。

3）風荷載。結構縱向及橫向都承受風荷載，荷載值根據《建筑結構荷載規范》確定。其中基本風壓根據《建筑結構荷載規范》附錄D附表D.4規定的50年一遇風壓確定。

4）雪荷載。根據《建筑結構荷載規范》規定計算，其中，框架按積雪全跨均勻分布考慮，基本雪壓根據《建筑結構荷載規范》附錄D附表D.4規定的50年一遇雪壓確定。

5）施工期或檢修期操作人員及工具荷載。按4 kN/m均布荷載考慮。

2.3 內力、構件設計及連接的計算

1）結構縱向簡化為鋼排架結構，采用PKPM程序進行計算。限于篇幅關系，僅列出彎矩包絡圖和位移圖分別見圖2，圖3。

圖2 彎矩包絡圖

圖3 節點位移圖

2）橫向為獨立懸臂柱結構，采用結構力學方法進行計算。

3）鋼架橫梁簡化為單榀桁架，采用理正軟件進行計算。

結合相關資料或工程經驗，先初步選定構件主材型號，然后建立模型并計算內力，驗算排架的位移，根據《鋼結構設計規范》的規定驗算構件的強度和穩定性。最終確定各構件的鋼材型號。其中，在計算鋼柱時，縱、橫兩個方向的計算內力值應疊加，按疊加后的內力值計算主材[6]。

梁和柱的連接、柱與基礎的連接均采用螺栓連接，按照規范要求對螺栓連接進行計算，選取合適型號的螺栓，計算結果均滿足規范要求。

作為安全儲備措施，在門形架上游側設置打拉線，打拉線為鋼絞線，一端掛在鋼柱上，一端掛在廠房另一側排架柱頂部預埋的掛環上，并且在安裝時控制一定的預張拉力。

3 結語

出線門形架一般采用門式鋼架結構，構件截面通常采用格構式。計算中應該注意幾點問題：

1）出線架通常布置在排架柱頂部，由于排架柱尺寸有限，所以限制了門形e架的構件尺寸，計算時應注意鋼柱基礎與排架柱的連接的計算和構造要求，同時應復核廠房排架柱是否安全。

2）布置需要結合電氣專業的出線形式等綜合考慮，做好專業間的配合工作，才能做到結構布置安全合理。盡量減小鋼架的高度和跨度，可以降低設計難度。

計算表明該結構設計是安全合理的。隨著該水電站的建成發電，該門形架已經投入正常使用。

[1]中國水電顧問集團西北勘測設計研究院.黃河康揚水電站工程廠房、安裝間、右副壩單位工程驗收報告[R].2006.

[2]DL5077-1997水工建筑物荷載設計規范[S].

[3]GB50009-2001建筑結構荷載規范[S].

[4]DL/T5092-1999 110～500 kV架空送電線路設計技術規程[S].

[5]GB50059-92 35～110 kV變電所設計規范[S].

[6]GB50017-2003鋼結構設計規范[S].