變電站構(gòu)架結(jié)構(gòu)選型分析

楊慶陶　馬曉爽（國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京　100095）

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變電站構(gòu)架結(jié)構(gòu)選型分析

楊慶陶馬曉爽
（國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京100095）

摘要：介紹了國(guó)內(nèi)外變電站構(gòu)架的結(jié)構(gòu)型式，分析了不同結(jié)構(gòu)型式的特點(diǎn)及適用范圍，并結(jié)合某變電站架構(gòu)案例，通過(guò)對(duì)多種構(gòu)架型式的分析對(duì)比，選出最適合該項(xiàng)工程的構(gòu)架型式，從而保證工程的順利進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：變電站，結(jié)構(gòu)型式，構(gòu)架結(jié)構(gòu)

0　引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，國(guó)家用電負(fù)荷的快速增長(zhǎng)，三十多年來(lái)我國(guó)的電網(wǎng)建設(shè)也經(jīng)歷了高速發(fā)展。變電站是電網(wǎng)建設(shè)中的重要一環(huán)，關(guān)系著整個(gè)電網(wǎng)的正常運(yùn)行。構(gòu)架是變電站最主要、最復(fù)雜的構(gòu)筑物，而且隨著電壓等級(jí)越高，構(gòu)架的重要性和復(fù)雜性就越高。

1　國(guó)內(nèi)外變電站構(gòu)架的結(jié)構(gòu)型式現(xiàn)狀［1-3］

目前國(guó)內(nèi)外變電站構(gòu)架的結(jié)構(gòu)型式主要有以下四種：

1）鋼筋混凝土環(huán)形桿柱結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件是鋼筋混凝土環(huán)形桿，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)構(gòu)件的連接方式均采用螺栓連接或焊接。

2）A型高強(qiáng)度鋼管結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由高強(qiáng)度單桿式鋼管梁和A型鋼管構(gòu)架柱組成，梁柱之間采用剛接連接。

3）A型普通鋼管結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由三角形斷面的格構(gòu)式鋼梁和A型等普通鋼管構(gòu)架柱組成，梁柱采用鉸接連接。構(gòu)架柱和構(gòu)架梁主桿采用普通鋼管，構(gòu)架柱和構(gòu)架梁主桿拼接接頭采用法蘭連接。

4）格構(gòu)式鋼構(gòu)架，該結(jié)構(gòu)由矩形或三角形斷面格構(gòu)式柱和矩形或三角形斷面格構(gòu)式構(gòu)架梁組成，構(gòu)架梁和柱之間采用鉸接或剛接連接。依據(jù)桿件類型不同又可分為鋼管格構(gòu)式和角鋼格構(gòu)式。

2　變電站構(gòu)架結(jié)構(gòu)選型分析

2.1鋼筋混凝土環(huán)形桿柱結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為桁架結(jié)構(gòu)，只受軸向方向的力。由于在設(shè)計(jì)、施工和制作上積累了廣泛的經(jīng)驗(yàn)，而且混凝土構(gòu)件不存在防腐這一問(wèn)題，使得鋼筋混凝土環(huán)形桿柱結(jié)構(gòu)在早期變電站構(gòu)架上使用較為廣泛，但是鋼筋混凝土環(huán)形柱存在易開(kāi)裂、難修復(fù)、鋼箍焊接點(diǎn)難防腐等問(wèn)題，而且支座時(shí)桿長(zhǎng)會(huì)有限制。該結(jié)構(gòu)多用于220 kV及以下電壓等級(jí)的變電站。

總的來(lái)說(shuō)，鋼筋混凝土環(huán)形桿結(jié)構(gòu)前期投資較少，但是后期維護(hù)花費(fèi)較大，總體費(fèi)用較大。從全壽命周期分析來(lái)看經(jīng)濟(jì)性不突出，目前逐漸被鋼管、角鋼結(jié)構(gòu)取代。

2.2A型高強(qiáng)度鋼管結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是鋼材強(qiáng)度高，常用的420 MPa，520 MPa兩種，截面多為多邊形。高強(qiáng)度鋼管構(gòu)架柱節(jié)省用鋼量，由于構(gòu)架梁一般由穩(wěn)定和擾度起控制作用，所以高強(qiáng)度鋼管構(gòu)架梁并不節(jié)省鋼材梁。總體造價(jià)略高于普通鋼管結(jié)構(gòu)。由于構(gòu)架梁的跨度一般較大，所以高強(qiáng)度鋼管構(gòu)架梁的截面尺寸較大，并不美觀。所以高強(qiáng)度鋼管構(gòu)架在國(guó)內(nèi)應(yīng)用不廣，多用于220 kV架構(gòu)。

2.3A型普通鋼管結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為排架—桁架的力學(xué)模型，在進(jìn)行受力計(jì)算時(shí)只需考慮軸力，不需要考慮梁柱的共同作用，在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)均采用螺栓的連接方式，普通鋼管結(jié)構(gòu)在進(jìn)行運(yùn)輸和安裝時(shí)較為方便，在防腐方面，通常對(duì)鋼構(gòu)件采取鍍鋅處理。構(gòu)架梁主桿通過(guò)節(jié)點(diǎn)板與腹桿螺栓連接，包裝、運(yùn)輸方便、安裝快捷。目前國(guó)內(nèi)220 kV和500 kV變電站的構(gòu)架多采用這種結(jié)構(gòu)型式。

2.4格構(gòu)式鋼結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)根據(jù)主桿和腹桿的類型不同可分為鋼管格構(gòu)式和角鋼格構(gòu)式。

鋼管格構(gòu)式構(gòu)架用鋼量較少，結(jié)構(gòu)主桿采用鋼管，腹桿全采用鋼管，或少量采用角鋼。結(jié)構(gòu)主桿采用法蘭連接，結(jié)構(gòu)主桿與腹桿通過(guò)節(jié)點(diǎn)板螺栓連接。鋼管格構(gòu)式結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度利用率較高，而且圓形截面風(fēng)阻較小。但鋼管材料較角鋼材料單價(jià)高，而且鋼管連接的節(jié)點(diǎn)板數(shù)量多，不便于包裝、運(yùn)輸，該結(jié)構(gòu)多用于國(guó)內(nèi)750 kV及以上電壓等級(jí)的構(gòu)架。

全角鋼格構(gòu)式構(gòu)架用鋼量小，由較小角鋼組成，構(gòu)件尺寸小、自重輕，制作、運(yùn)輸及防腐處理很方便。結(jié)構(gòu)主桿采用角鋼拼接連接，腹桿布置方式靈活多變，交叉腹桿之間采用單螺栓連接。角鋼腹桿與主材之間可直接采用螺栓連接，大大減少了節(jié)點(diǎn)板的數(shù)量，便于長(zhǎng)距離運(yùn)輸。缺點(diǎn)是構(gòu)件數(shù)量較多，所以在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，工作量較大，工期較長(zhǎng)。國(guó)外500 kV變電站的構(gòu)架多采用這種結(jié)構(gòu)。

3　變電站架構(gòu)案例分析

非洲某500 kV變電站的500 kV出線構(gòu)架，該出線構(gòu)架為連續(xù)四跨的鋼架結(jié)構(gòu)，每跨32 m，總長(zhǎng)度128 m，構(gòu)架梁高度33 m。構(gòu)架梁導(dǎo)線張力為45 kN，地線張力為9 kN，變電站所處區(qū)域基本風(fēng)壓0.6 kN/m2。

3.1構(gòu)架結(jié)構(gòu)選型

由于非洲當(dāng)?shù)劁摬膮T乏，鍍鋅工藝落后，供貨工期長(zhǎng)，不能滿足工程建設(shè)需要，需要從國(guó)內(nèi)供應(yīng)構(gòu)架材料，依次通過(guò)陸運(yùn)、海運(yùn)的形式運(yùn)送至施工工地現(xiàn)場(chǎng)。

該工程構(gòu)架梁跨度較大，構(gòu)架柱高度較高，導(dǎo)線張力較大。如果采用A型普通鋼管構(gòu)架型式，所用鋼材規(guī)格大，構(gòu)件重量也大。本工程不推薦采用A型普通鋼管構(gòu)架，推薦采用格構(gòu)式構(gòu)架，由于格構(gòu)式角鋼構(gòu)架腹桿與主材之間可直接采用螺栓連接，大大減少了節(jié)點(diǎn)板的數(shù)量，便于長(zhǎng)距離運(yùn)輸。所以本工程推薦采用格構(gòu)式角鋼構(gòu)架。

3.2構(gòu)架柱、梁結(jié)構(gòu)選擇

構(gòu)架柱的平面形狀多為四邊形，四邊形構(gòu)架柱側(cè)向剛度和整體抗扭性能較好，是一種較好的結(jié)構(gòu)型式，應(yīng)用也最為廣泛，該工程推薦采用四邊形構(gòu)架柱。

構(gòu)架梁平面形狀有三角形和四邊形兩種，三角形梁多用于A型普通鋼管構(gòu)架中，也常見(jiàn)于梁跨相對(duì)較小的500 kV電壓等級(jí)以下變電構(gòu)架。四邊形構(gòu)架梁受力體系較好，在格構(gòu)式構(gòu)架中多采用四邊形構(gòu)架梁。該工程導(dǎo)線拉力較大，本工程推薦采用四邊形構(gòu)架梁。

3.3腹桿體系選型

腹桿的用鋼量大約占整個(gè)結(jié)構(gòu)用鋼量的40%，所以腹桿的布置型式不僅關(guān)系到結(jié)構(gòu)的受力是否合理，外觀是否美觀，還影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的造價(jià)。目前角鋼格構(gòu)式構(gòu)架柱的腹桿型式主要有以下兩種：第一種腹桿布置型式：寬邊采用人字斜撐和橫撐，窄邊采用交叉斜撐，見(jiàn)圖1。第二種腹桿布置型式：寬邊和窄邊都采用交叉斜撐，見(jiàn)圖2。

圖1　腹桿布置型式一

圖2　腹桿布置型式二

這兩種腹桿布置型式窄邊布置相同，只是寬邊的中下部分布置不同。這兩種布置型式對(duì)主材分段長(zhǎng)度一樣，主材的計(jì)算長(zhǎng)度也一樣。寬邊中下部分的腹桿的型號(hào)一般往往都是由長(zhǎng)細(xì)比控制，而不是型材的強(qiáng)度和穩(wěn)定性起控制作用。第一種布置型式斜腹桿的長(zhǎng)細(xì)比由最小軸回轉(zhuǎn)半徑控制，由于水平腹桿設(shè)置了橫隔，水平腹桿的長(zhǎng)細(xì)比也是由最小回轉(zhuǎn)半徑控制。所以第一種布置型式腹桿材料的強(qiáng)度沒(méi)有充分發(fā)揮，材料強(qiáng)度利用率較低。第二種布置型式中斜腹桿的長(zhǎng)細(xì)比由平行軸回轉(zhuǎn)半徑控制，腹桿材料的強(qiáng)度利用率較高。

根據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5154—2012架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定第8.1.4條，在桿塔塔身坡度變化的斷面處、直接受扭力的斷面處和塔頂及塔腿連接斷面處應(yīng)設(shè)置橫隔面。同一塔身坡度不變段內(nèi)，橫隔面設(shè)置的間距一般不大于平均寬度（寬面）的5倍，也不宜大于4個(gè)主材分段［4］。所以四個(gè)主材分段只需要設(shè)置一個(gè)橫隔面即可，與第一種布置型式相比，第二種布置型式在主材型號(hào)不變的情況下降低了腹桿的總重量，節(jié)省鋼材。

4　結(jié)語(yǔ)

1）變電站構(gòu)架型式有許多種，我們應(yīng)在參考電壓等級(jí)、工程預(yù)算、工程重要性、施工條件、物流條件等多方面的綜合因素的前提下，選擇出最適合的構(gòu)架型式，進(jìn)而保證工程的順利開(kāi)展。2）構(gòu)架柱、構(gòu)架梁選用合理的結(jié)構(gòu)型式，選用合理的腹桿布置型式，能降低整個(gè)構(gòu)架的總用鋼量，節(jié)省鋼材。

參考文獻(xiàn)：

［1］陳傳新，劉素麗.750kV變電站結(jié)構(gòu)選型［J］.電力建設(shè)，2007，28（5）：33-35.

［2］常偉，張玉明，雷曉標(biāo)，等.750kV格構(gòu)式桿系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2015，6（30）：64-68.

［3］中南電力設(shè)計(jì)院.變電構(gòu)架設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2006：24-28.

［4］DL/T 5154—2012，架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定［S］.

Discussion on the structure of substation gantry

Yang Qingtao Ma Xiaoshuang
（State Nuclear Electric Power Planning Design & Research Institute，Beijing 100095，China）

Abstract：This paper introduced the structure form of substation frame at home and abroad，analyzed the characteristics and application scope of different structure forms，and combining with a substation frame case，through the analysis and contrast on all kinds of frame pattern，selected the most suitable structure form of the engineering，so as to guarantee the smooth engineering progress.

Key words：substation，structure form，frame structure

中圖分類號(hào)：TU318

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-6825（2016）06-0059-02

收稿日期：2015-12-18

作者簡(jiǎn)介：楊慶陶（1982-），男，工程師；馬曉爽（1981-），女，工程師