220 kV人字柱變電構架-格構橫梁結構選型分析

李國文，竇　杰，張大長(.江蘇省電力公司，江蘇南京0008；.宿遷供電公司，江蘇宿遷00；.南京工業大學，江蘇南京0009)

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220 kV人字柱變電構架-格構橫梁結構選型分析

李國文1，竇杰2，張大長3
(1.江蘇省電力公司，江蘇南京210008；2.宿遷供電公司，江蘇宿遷321300；3.南京工業大學，江蘇南京210009)

摘要：以三門和六門220 kV人字柱出線構架為例，設計4種國內外變電站常用的變電構架型式。運用有限元分析軟件進行變電構架空間整體分析,對比不同構架橫梁型式和不同梁、柱節點連接方式的優劣，并進行經濟性比較。研究結果表明，梁、柱節點剛接時，變電構架橫梁采用格構式角鋼梁較單根鋼管梁桿件利用率高；變電構架橫梁采用格構式鋼管梁時，梁、柱節點剛接桿件利用率高于鉸接；梁、柱節點鉸接時，構架柔度較大，各桿件位移較大；提出較為合理的220 kV人字柱變電構架型式：構架橫梁采用格構式鋼管梁、鋼管弦桿、角鋼腹桿、梁和柱節點鉸接。

關鍵詞：220 kV變電站；人字柱變電構架；結構型式

隨著電網建設的高速發展，用電負荷需求快速增加，電壓等級逐漸提高，線路導線截面、導線荷載隨著電網建設規模的擴大而增大。變電構架作為變電站最主要的構筑物，占地面積達變電站50%以上，支撐電力線進、出變電站，其建設進程也在加速發展。因其重要性高、承受荷載大、經濟指標高、工藝要求復雜，規范將220 kV及以上電壓等級構架結構重要性系數定為一級[1，2]。因此變電構架的材料選用，在考慮安全性的同時，還要考慮結構的經濟性、加工制造和施工的快捷性、結構外觀的美觀性等。

國內500 kV變電構架中，人字柱變電構架結構應用最廣泛。該結構由人字形普通鋼管構架柱和三角形斷面格構式鋼梁或單根鋼管梁組成。構架柱與構架鋼梁采用剛接或鉸接的形式相連，結構超靜定次數低。人字柱鋼結構變電構架具有結構型式明確，構件數量較少，傳力明確且易于安裝，占地面積較小等優點，其產生的經濟效益和社會效益較大。

而國內與變電構架有關的文獻較少。陳傳新，劉素麗[3]以四門出線構架為例，采用空間計算對750 kV變電構架進行結構選型，提出了一種合理的構架型式。文獻[4]通過一個實際工程中所用的變電構架柱中高架柱與人字柱連接節點進行有限元計算，提出了連接節點處加勁肋布置優化方案。朱朝陽、靳振宇[5]利用STAADCHINA軟件進行了變電構架的空間分析，總結了計算步驟及計算結果。本文主要針對220 kV人字柱變電構架，進行結構選型，以確定較為合理的鋼梁型式，并選擇最優的梁、柱節點連接形式，滿足安全性、經濟性及美觀性等要求，為類似工程提供一個參考依據。

1　構架型式簡介

變電構架的受力主要以水平載荷為主，承受的主要水平載荷是導線張力、地線的張力以及風荷載。目前國內外500 kV及以上電壓等級大多采用人字柱變電構架，其結構形式主要包括等截面普通鋼管結構和格構式鋼結構這2種型式。其中格構式鋼結構依據桿件類型不同又可以分為鋼管格構式和角鋼格構式。格構式鋼結構的優點在于其整個結構均由較小角鋼或鋼管組成,節點采用螺栓連接，構件尺寸小、自重輕、制作、運輸及防腐處理很方便，缺點是桿件種類和數量較多，現場拼裝工作量較大。本文分別設計了4種類型的220 kV人字柱變電構架，進行了4種構架型式的分析，比較其優缺點。

（1）六門普通鋼管構架。梁跨度為13 m，構架柱采用人字形普通圓鋼管柱，構架橫梁采用單根圓鋼管梁，梁、柱節點剛接，縱向設置端撐，腹桿剛接，柱腳剛接。

（2）六門格構式角鋼構架。梁跨度為13 m，構架柱采用人字形普通圓鋼管柱,構架橫梁采用格構式鋼梁，弦桿和腹桿均為角鋼，梁、柱節點剛接,腹桿剛接,柱腳剛接。

（3）三門格構式鋼管構架（剛接）。梁跨度為24 m，構架柱采用人字形普通圓鋼管柱,構架橫梁采用格構式鋼管梁，弦桿和腹桿均采用圓鋼管，梁、柱節點剛接,腹桿鉸接，柱腳剛接。

（4）三門格構式鋼管構架（鉸接）。梁跨度為24 m，構架柱采用人字形普通圓鋼管柱,構架橫梁采用格構式鋼梁，弦桿和腹桿均采用鋼管，梁、柱節點鉸接,腹桿鉸接，柱腳剛接。

4種變電構架型式如圖1所示。220 kV人字柱變電構架主要尺寸如表1所示。

圖1　4種變電構架型式

表1　變電構架主要尺寸　m

2　門形出線構架選型

2.1構架結構驗算

目前國內外計算變電出現構架的方法主要有2種：一是平面簡化計算法，二是空間計算法。由于平面簡化計算精度不高，手算工作量較大，目前—般較少應用。而隨著計算機應用的普及，變電構架靜力分析計算—般通過各種平面或空間結構計算分析程序完成。與平面計算相比，空間計算更加符合結構實際受力性能，計算結果更加精確，設計可靠度更高。本文以220 kV人字柱門形出線構架為對象，分別采用圖1所示的各種結構型式，考慮多種工況下受力情況，運用SAP2000有限元分析程序進行整體計算，進行計算結果對比，以確定一種較為合理的結構型式。

2.2荷載參數

本文分析時，鋼材材料均為Q235B。共有12個設計工況，分別為大風（0°）、大風（90°）、覆冰（0°）、安裝（0°）、檢修（0°）、驗算（0°）、大風（0°）-轉角5°、大風（90°）-轉角5°、覆冰（0°）-轉角5°、安裝（0°）-轉角5°、檢修（0°）-轉角5°、驗算（0°）-轉角5°。荷載模式只考慮不同工況下的導線荷載、地線荷載以及風荷載。

由式（1）求得基本風壓，然后參照《建筑結構荷載規范》[6]中風壓標準值計算式（2），立柱、地線支架及水平桁架梁等桿件的風荷載為各風荷載標準值乘以桿件直徑，轉化為各桿件上的線荷載；導線荷載及地線荷載按荷載表給出的荷載值，采用節點力的方式施加在導線掛點處。

考慮最不利荷載組合，按《建筑結構荷載規范》，取1.2×永久荷載+1×活荷載+1.4×風荷載，各工況下導線掛點荷載、地線掛點荷載如表2所示。工況1至工況12分別為大風（0°）、大風（90°）、覆冰（0°）、安裝（0°）、檢修（0°）、驗算（0°）、大風（0°）-轉角5°、大風（90°）-轉角5°、覆冰（0°）-轉角5°、安裝（0°）-轉角5°、檢修（0°）-轉角5°、驗算（0°）-轉角5°。X，Y，Z且分別為水平拉力、側向風壓和垂直荷載。

表2　荷載參數

2.3計算結果分析

運用SAP2000有限元分析軟件，按照空間桿系結構進行建模，建模時選擇梁單元和桿單元。分別對4種型式模型開展受力分析，考慮結構P-Δ效應，得到不同工況下相應的計算結果。提取不同工況對應的主要受力桿件的綜合應力比和桿件位移，繪制成表，進行對比分析。13 m三門變電構架計算結果如表3所示，24 m三門變電構架計算結果如表4所示。

（1）當變電構架橫梁采用單根鋼管梁時，梁跨為13 m六門變電構架主要桿件的綜合應力比明顯小于采用格構式角鋼梁。說明采用單根鋼管梁時，構件的利用率較低，安全裕度較大。而采用格構式角鋼梁時，各桿件利用率較高，能充分發揮構件的承載能力，且都在構件的安全限值以內。

（2）對于2種構架橫梁型式，梁、柱的連接方式均為剛接，各主要桿件的位移變化小于10%，且都沒超出位移限值。說明人字柱變電構架，各桿件的位移受構架梁型式的影響較小。

（3）當變電構架橫梁采用格構式鋼管梁時，梁跨為24 m三門變電構架梁、柱節點采用鉸接連接時各主要桿件的綜合應力比明顯小于剛接。說明采用鉸接連接時，各桿件的利用率較低，安全裕度較大。

（4）2種連接方式所對應的各主要桿件的位移，梁、柱鉸接連接時比剛接大10%以上，但都沒超出位移限值。說明人字柱變電構架，各桿件的位移變化主要與梁、柱節點連接形式有關。

（5）對于不同梁跨度和不同橫梁型式的人字柱變電構架，最大位移和最大應力比的控制工況都是大風工況，且構架梁兩端人字柱的應力比和位移小于中間人字柱。

2.4經濟性對比

（1）220 kV人字柱變電構架采用單根鋼管梁時，所用構件規格較大,且用鋼量較多，構件重量也大。同時因構架梁跨度較大，其梁斷面尺寸也較大，構架梁與人字形柱頭的連接較難處理，接頭復雜，耗鋼量也多。

（2）使用格構式鋼管梁時，梁、柱鉸接連接與剛接連接用鋼量近似，且構件規格較小，便于安裝和防腐。較剛接連接，鉸接連接時構件安全裕度高。

各變電構架的用鋼量如表5所示。

表3　13 m三門變電構架計算結果表

表4　24 m三門變電構架計算結果表

綜合上述各個方面對比發現：在相同荷載作用下，220 kV人字柱變電構架采用單根鋼管梁時，桿件的利用率較低，安全裕度高，但采用單根鋼管梁時，鋼管梁管徑較大，安裝及鍍鋅較為困難。而采用格構式角鋼梁時，桿件的利用率高于單根鋼管梁時，且沒有超出構件的安全承載力。格構式角鋼梁由多根小角鋼相連，節點采用節點板螺栓連接，構件尺寸小、自重輕，制作、運輸及防腐處理很方便，但其桿件種類和數量較多，現場拼裝工作量將增大，安裝周期較長,而且角鋼結構風阻大，外形也不夠美觀。

表5　變電構架用鋼量　t

格構式鋼管構架，其整個結構均由較小鋼管組成，弦桿節點采用法蘭盤螺栓連接，腹桿采用節點板螺栓連接或直接焊接，構件尺寸小、自重輕,制作、運輸及防腐處理也很方便。桿件種類和數量較全角鋼構架少，桿件剛度好，風阻較小，立面簡潔，外形美觀。對格構式鋼管構架而言，腹桿受力較小，利用率較低。而采用角鋼腹桿較采用鋼管腹桿能節約投資，降低總造價。而且角鋼腹桿比鋼管腹桿布置靈活,鋼管腹桿僅能布置成單斜桿，局限性很大，安裝及熱鍍鋅較角鋼繁瑣。角鋼腹桿則布置多樣化，適應性強，可依據不同分段采用不同的布置方式，能有效減小弦桿斷面尺寸，使得塔柱更為美觀。因此，對于220 kV人字柱變電構架，采用鋼管弦桿，角鋼腹桿的格構式鋼管梁無論是經濟性，還是建筑外觀都較優越。

3　結束語

（1）梁、柱節點剛接時，220 kV人字柱變電構架橫梁采用格構式角鋼梁較單根鋼管梁桿件利用率高，安全裕度較低。但工程綜合成本較低，安裝、輸送及防腐較為簡便。

（2）220 kV人字柱變電構架梁采用格構式鋼管梁時，梁、柱節點剛接桿件利用率高于鉸接，安全裕度較低，且用鋼量近似相同。

（3）220 kV人字柱變電構架在荷載作用下各桿件的位移主要與梁、柱節點的連接方式有關。梁、柱節點鉸接時，構架柔度較大，各桿件位移較大。

（4）提出一種較為合理的220 kV人字柱變電構架型式：構架梁采用格構式鋼管梁，鋼管弦桿，角鋼腹桿，梁、柱節點鉸接，構架整體安全裕度高，經濟性好，外觀美觀，且運輸、安裝方便，可為以后類似工程提供參考。

參考文獻：

[1]中南電力設計院.變電構架設計手冊[M].武漢：湖北科學技術出版社，2006：49-54.

[2] NDGJ 96-92變電所建筑結構設計技術規定[S].1993.

[3]陳傳新，劉素麗. 750 kV變電構架結構選型[J].電力建設，2007，28(5)：33-35.

[4]盧海陸，劉廣鵬，張津榮.變電構架中高架柱與人字柱的節點優化[J].低溫建筑技術，2011，33(3)：65-67.

[5]朱朝陽，靳振宇.變電構架的空間分析[J].武漢大學學報：工學版，2010，43（S）：110-112.

[6] GB 50009—2012建筑結構荷載規范[S].

李國文（1980），男，內蒙古赤峰人，高級工程師，從事輸電線路工程設計及評審等相關研究工作；

竇杰（1978），男，江蘇宿遷人，高級工程師，從事輸電線路工程設計及運行維護等相關工作；

張大長（1971），男，浙江新昌人，教授，從事土木工程相關教學及科研工作。

Selection of 220 kV Substation Truss-column Structures-Lattice Beam

LI Guowen1, DOU Jie2, ZHANG Dachang3
(1. Jiangsu Electric Power Company, Nanjing 210008, China; 2. JiangSu Suqian Electric Power Company, Suqian, 321300, China; 3. Nanjing University of Technology, Nanjing 211816, China)

Abstract：Taking 3-span and 6-span 220 kV truss-column frames as example, four types of commonly used substation frames are proposed and designed in this paper, and related finite element analyses are performed to study their force mechanism. The horizontal beam types and beam-to-column connections of different frames are investigated and compared. The research results indicated that, when beam and column is fix-connected, the usage of latticed angled beam is higher than tubular beam; when latticed tubular beam is used, the member usage of fixed frame is higher than pin-ended frame. The frame with pinned beam-to-column joints is flexible. Lastly, the reasonable 220 kV truss-column structure type is recommended, with latticed tubular beam, angle braces, and pin-ended beam-to-column joints.

Key words：220 kV substation; substation truss-column structure; Structure type

作者簡介：

基金項目：2013年江蘇省“六大人才高峰”項目（JY-005）資助

收稿日期：2015-11-11；修回日期：2015-12-25

中圖分類號：TU398

文獻標志碼：A

文章編號：1009-0665（2016）02-0065-04