格構式聯合構架結構分析與設計

鮑立華 馬福雷

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013)

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格構式聯合構架結構分析與設計

鮑立華 馬福雷

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013)

以某115 kV變電站中的115 kV母線構架為例，分析了格構式聯合構架結構動力特性、荷載及工況組合，并探討了節點設計與基礎設計方法，梳理了格構式構架的特點，為此類構架設計提供參考。

聯合構架結構，動力特性，荷載，節點設計，基礎設計

0 引言

根據變電站電氣總平面的布置要求，一些母線構架往往采用格構式聯合構架，隨著社會對電能需求越來越大，母線構架縱向長度亦越來越大(見圖1)，結構長度超出了規范中[1,2]150 m的限值，需考慮溫度的影響。

以下從5個方面對此類結構進行詳細分析與設計。

1 結構動力特性分析[3]

文章以某115 kV母線構架為研究對象(見圖1)，結構形式為格構式聯合構架，縱向為15孔連續門型構架(每孔構架跨度×高度=11 m×11 m)，橫向為8組等間距2孔連續門型構架(每孔構架跨度×高度=10.5 m×7.5 m)；構架柱采用格構式正方形斷面角鋼塔柱，縱向塔柱根開為1.2 m，橫向塔柱根開為0.8 m；構架梁為格構式矩形斷面桁架梁；塔柱主材采用L125×10和L100×10，構架梁主材采用L100×10。

對此結構分別采用ABAQUS軟件和STAAD軟件進行建模，得到構架的前6階頻率如表1所示，前6階模態如圖2所示。由表1可知，兩種有限元軟件選擇兩種不同的計算模式，得到結構的前6階頻率是相當接近的，說明計算是正確的。

通過對結構自振頻率以及振型的分析可知，該結構有以下特點：

1)構架從結構形式上為空間桁架結構，該結構前6階模態圖中均表現為單跨梁的豎向振動，頻率比較密集。

2)構架前6階模態未呈現明顯的橫向變形，說明該結構橫向剛度較大，遠遠大于縱向剛度，這是由于橫向門型架對結構橫向提供了較強的支撐，增大了結構的橫向剛度。

表1 構架前6階頻率 Hz

2 荷載組合

作用于構架的力主要有導線荷載，風荷載，溫度荷載等。

2.1 導線荷載

導線掛在構架梁柱上，產生水平力、豎向力以及側向力，此類荷載隨著大風、覆冰、高溫、低溫等各種工況的不同而不同。

2.2 風荷載

構架結構風荷載標準值按下式計算[4]：

wk=βzμsμzw0。

基本風壓w0按《水文氣象報告書》取值。根據規范[4]，塔架結構體型系數μs=2.6，矩形斷面桁架梁體型系數μs=2.0，風壓高度系數μz亦按照規范[4]選取。從模態分析結果可知，構架的基本自振周期T<0.25 s，風振系數取βz=1.0。

2.3 溫度作用

構架縱向長度165 m，超過了規程[2]規定的限值，應考慮溫度作用效應的影響。

本工程構架梁柱均采用角鋼格構式結構，桿件之間均采用粗制螺栓連接，螺栓與螺栓孔之間的空隙可以釋放掉部分溫度應力，設計時可考慮將溫度作用進行25%的折減。

2.4 荷載效應組合

架構設計時應根據使用過程中結構上可能同時出現的荷載，分別進行承載能力極限狀態組合和正常使用極限狀態組合。

承載能力極限狀態組合主要用來計算構件或連接破壞時的強度和穩定。按照規程[2]要求，通常采用組合工況有“大風工況，覆冰工況，溫度工況，安裝工況，檢修工況”。

正常使用極限狀態組合主要用來計算桿件的變形。按照規程[2]規定，構架正常使用極限狀態可取安裝工況作為變形驗算的荷載條件。

3 內力分析及構件設計

3.1 內力分析及設計

格構式聯合構架采用STAAD軟件進行分析設計，各主要受力桿件位置如圖3所示,桿件最不利組合下的內力結果見表2(軸力負值為受拉，正值為受壓)，從表2可以看出，各桿件均受大風工況與覆冰工況控制。構架塔柱主材和桁架梁的上、下弦桿按照拉(壓)彎構件進行規范檢驗，塔柱腹材和桁架梁腹材按照軸心受力構件進行規范檢驗，最終選定塔柱下部主材采用L125×10角鋼，塔柱上部主材采用L100×10角鋼，桁架梁主材采用L100×10角鋼。由于桁架梁腹桿與弦桿采用螺栓單面連接，腹桿截面為單截面等邊角鋼，設計時應按文獻[1]對腹桿強度設計值折減。

表2 主要受力構件控制工況組合下的內力結果

桿件工況軸力kN剪力YkN剪力ZkN扭轉彎矩YkN·m彎矩ZkN·m①1,2108-0.4-0.30-0.10.2②1,282-0.1-2.100.2-0.1③1,2120-0.5-0.30-0.10.4④1,289-0.3-0.400.1-0.2⑤1,21010.8-0.200.40.2⑥1,290-0.30.50-0.1-0.1⑦1,292-0.40.10-0.10.1⑧1,2720.40.20-0.20.1

3.2 變形驗算[2]

構架變形驗算應采用荷載的標準組合，各主要變形點(避雷針支架頂點、橫梁跨中)位移限值應滿足規程[2]6.5節的要求。

4 構架節點設計

節點是連接各桿件的中樞，起著傳遞荷載的作用，對保證結構的整體性和可靠性有著直接的影響。以下對母線構架主要節點的設計進行簡單介紹。

4.1 梁柱節點設計

節點承受設計剪力V=54×2 kN，采用L100×10(Q235B)，節點構造見圖4。

螺栓驗算：

局部承壓：2×10×20×405=162.0kN>54kN。

4.2 法蘭連接設計

為方便構架結構的加工運輸與安裝，避免施工現場焊接作業，提高結構工廠化水平。本工程避雷針各段之間以及避雷針與塔柱之間均采用剛性法蘭連接。法蘭節點設計主要需注意驗算以下三方面內容：

1)法蘭螺栓受力驗算。2)法蘭加勁板及加勁角焊縫的驗算。3)法蘭底板的驗算。法蘭盤連接詳細計算過程可參見文獻[5]。

5 基礎設計

基礎設計之前應首先獲取地質勘察及水文氣象報告，并根據作用在地基上荷載的大小和性質，以及當地施工條件、工程造價等因素綜合確定。

本工程構架基礎采用露出式柱腳，采用預埋螺栓與上部結構連接，設計時應注意驗算以下方面：

1)地基承載力驗算。此處荷載效應取標準組合，地基承載力應為修正后的地基承載力特征值。當地基受力層范圍內有軟弱下臥層時，應按文獻[5]進行軟弱下臥層地基承載力驗算及變形驗算。

2)基礎抗拔和抗傾覆穩定驗算。構架受水平荷載較大，基礎設計大多由基礎抗拔或抗傾覆控制。應按文獻[5][6]進行基礎抗拔和抗傾覆穩定驗算。

3)預埋螺栓的驗算。預埋螺栓單彎鉤的錨入長度應滿足構造要求，不小于30d；另外需對預埋螺栓進行強度驗算。

4)剛性基礎設計要求。混凝土剛性基礎的臺階寬高比在基礎底面尺寸滿足地基承載力、變形、穩定、基礎抗拔和抗傾覆穩定情況下，應符合表3要求[6]。

表3 混凝土剛性基礎臺階寬高比的允許值

6 結論

文章分別使用ABAQUS和STAAD有限元軟件建立了構架結構的模型，并進行了詳細分析設計，得到以下結論：

1)由于該聯合架構橫向每組為等間距2孔連續門型構架，使得橫向剛度明顯大于縱向剛度。

2)構架結構設計應全面分析各種工況下的承載內力。一般來說，聯合構架各主要桿件均受大風與覆冰工況的控制。

3)節點連接設計是聯合構架結構設計中的重中之重，應選取傳力較為明確的節點形式，對其充分驗算后方可采用。

4)格構式構架塔柱基礎多采用露出式柱腳，采用預埋螺栓與上部結構連接，設計時需注意構造要求并對預埋螺栓進行強度驗算，以及對基礎進行抗拔和抗傾覆穩定驗算。

[1] GB 50017—2003,鋼結構設計規范[S].

[2] DL/T 5457—2012，變電站建筑結構設計技術規程[S].

[3] 吳偉康.應用STAAD CHINA設計變電構架[J].電力建設,2008,29(2):44-45.

[4] GB 50009—2012，建筑結構荷載規范[S].

[5] 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.

[6] GB 50007—2011,建筑地基基礎設計規范[S].

Analysis and design of lattice-style united frame structure

Bao Lihua Ma Fulei

(ShandongPowerEngineeringConsultingInstituteCo.,Ltd,Jinan250013,China)

Taking 115 kV busbar frame of the 115 kV substation as an example, the paper analyzes structural dynamic properties, load and working conditions of lattice-style united frame structure, explores joint design and foundation design methods, and illustrates lattice-style united structure features, which has provided some guidance for similar structure design.

united frame structure, dynamic property, load, joint design, foundation design

1009-6825(2017)10-0063-03

2017-01-22

鮑立華(1977- )，男，工程師； 馬福雷(1981- )，男，工程師

TU318

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