橙子溝水電站110 kV出線架結構設計

沈 大 偉

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

橙子溝水電站110 kV出線架結構設計

沈 大 偉

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

110 kV出線架通常采用混凝土柱與鋼梁結合設計，橙子溝水電站110 kV出線架采用了單跨度19 m人字形全鋼結構設計，運用SAP2000進行結構的計算分析，計算結果滿足設計要求，出線架施工完成至今已有4年，歷經多次5級以上地震，依舊安全運行，證明了工程設計的可行性、安全性。

橙子溝水電站，出線架，鋼結構，結構設計

1 工程概況

橙子溝水電站位于甘肅省隴南市，電站廠房位于文縣，工程裝機容量115 MW，工程規模為三等中型工程，電站110 kV開關站采用戶外GIS布置型式。根據GIS的布置，出線架鋼柱高度為9.00 m，出線架鋼梁跨度19.00 m，梁端及梁跨中設置共6個導線掛點，鋼柱頂部5 m處設避雷線掛點；根據上游專業要求，單根導線拉力8 kN，避雷線拉力為5 kN。如果采用雙跨設計，結構可以依據常規設計，采用混凝土人字形柱，頂部架設鋼梁，但是GIS的占地面積比要比單跨設計大15%，如果采用單跨設計，可以有效減少GIS的面積，經過反復比選后，決定采用全身鋼結構設計。出線架結構安全等級為二級。110 kV出線架結構布置三維透視如圖1所示。

2 工程設計基本資料

2.1材料特性

出線架鋼管柱及頂部鋼梁擬采用Q235鋼材；螺栓采用普通C級螺栓，螺栓鋼材采用Q235鋼。出線架構件焊接采用E4316焊條。人字形柱采用φ377×9，支桿采用φ299×8，鋼梁主肢采用φ133×8，鋼梁綴條采用∠63×8。

2.2設計原則

1)結合工程情況，按照《建筑結構荷載規范》考慮恒荷載、風荷載、雪荷載、活荷載。

2)結構采用容許應力法計算，驗算結構的整體結構。

3 荷載及工況組合

3.1計算荷載

計算考慮的荷載及荷載計算如下：

1)恒荷載。

結構自重根據輸入的Q235鋼材容重，由程序自動計算。

根據上游專業提供的荷載，導線拉力每相8 kN，避雷線拉力每根5 kN，導線與鋼柱軸線鉛直向夾角取90°，按照附錄提供的角度添加為節點荷載。

2)活荷載。

考慮鋼梁上檢修時人的荷載，因此在鋼梁上加1.5 kN/m的均布荷載。

3)風荷載。

將桁架分段分別計算X,Y向風荷載作用，根據《建筑結構荷載規范》基本風壓取50年一遇風壓。

4)地震荷載。

對出線架結構的地震作用計算采用振型分解反應譜法，考慮X，Y兩個方向的水平地震作用。工程區域地震烈度為8度(0.3g)，阻尼比為0.05，場地特征周期為0.40 s，周期折減系數為1.0。計算中振型組合考慮振型阻尼引起的鄰近振型間的靜態耦合效應，并考慮雙向地震作用的扭轉耦聯效應，按照規范要求的1∶0.85的方向比例系數進行組合。

5)溫度荷載。

根據GB 50017—2003鋼結構設計規范，當露天環境中的鋼結構尺寸小于120 m時，可不考慮溫度變化對其應力產生的影響。故不考慮溫度作用的影響。

6)雪荷載。

根據GB 50017—2003鋼結構設計規范，基本雪壓按照50年一遇雪壓確定。

3.2分項系數

1)結構重要性系數：γ0=1.0；

2)荷載作用分項系數按GB 50017—2003鋼結構設計規范要求選取；

3)荷載組合值系數按GB 50017—2003鋼結構設計規范要求選取。

3.3荷載效應組合

計算采用SAP2000結構分析計算軟件，建立出線架結構分析模型，模擬荷載作用，優化選擇出線架結構桿件截面，分析計算桿件內力、應力及變形。

根據GB 50009—2001建筑結構荷載規范的要求，并考慮計算分析需要，對荷載效應進行組合，共計67種基本組合，9種標準組合。限于篇幅關系，荷載組合結果就不一一羅列。

4 工程分析

4.1計算假定

1)出線架結構采用的鋼材為線彈性材料；

2)出線架結構鋼柱、鋼梁主肢拼接為固結，其他支撐、綴條的連接均為鉸接；

3)出線架結構的地震作用計算采用振型分解反應譜法，考慮X,Y兩個方向的水平地震作用;

4)計算中振型組合考慮雙向地震作用的扭轉耦聯效應，按照規范要求的1∶0.85的方向比例系數進行組合。

4.2計算結果

各桿件的包絡工況下最大應力/承載力比值顯示見圖2，各出線架結構在各標準組合工況下的變形包絡見圖3。

從圖3可知，在各基本組合工況下，鋼管柱下柱主肢底部軸力最大，最大軸向拉力為9.01 kN，最大軸向壓力達到-38.390 kN，向上逐漸減小；其他各桿件軸力分布較為均勻。從圖2中可以看出，在各組合中，各柱的主應力/承載力比值均小于0.50，綴條等桿件的應力/承載力比值均小于0.50。

從出線架撓度變形圖及計算的撓度值列表可以看出，在導線拉力及風荷載等的作用下，鋼柱柱頂最大X向變形為1.1 mm，Y向最大變形為0.5 mm，Z向最大變形為-0.7 mm，鋼梁跨中最大X向變形為0.34 mm，Y向最大變形為4.3 mm，最大Z向變形為24.67 mm，均滿足正常使用極限狀態限值要求(鋼梁撓度限值為95 mm，鋼柱為45 mm)。

鋼梁綴條選用角鋼規格為∠63×8，節點位置布置2個M16普通螺栓，M16普通螺栓受剪承載力設計值為28.10 kN；∠63×8綴條的最大軸力為16.22 kN，每個螺栓強度滿足要求。

5 工程評價

橙子溝水電站廠房位于甘肅省隴南市文縣境內，自本工程出線架施工完成以后，經歷了甘肅岷縣6.6級地震(2013.7.22)、四川九寨溝縣7.0級地震(2017.8.8)、四川廣元青川縣5.4級地震(2017.9.30)等多次5級以上地震，震中與橙子溝水電站工程所在地距離較近，地震發生后經現場巡查，工程建筑物質量優異，能保證電站正常運轉，事實充分證明了設計的合理性和可靠性。本工程設計可為類似工程設計提供參考。

[1] 中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司.橙子溝水電站可行性研究報告[R].

[2] GB 50009—2001,建筑結構荷載規范[S].

[3] 110～500 kV架空送電線路設計技術規程[Z].

[4] 中國水力發電工程學會混凝土面板堆石壩專業委員會.混凝土面板堆石壩安全監測技術實踐與進展[M].北京：中國水利出版社，2010.

[5] GB 50017—2003,鋼結構設計規范[S].

Structuraldesignof110kVoutletframeworkofChengzigouhydropowerstation

ShenDawei

(NorthwestEngineeringCorporationLimited,Xi’an710065,China)

The 110 kV outlet framework is usually designed with concrete column and steel beam combined together. While the 110 kV outlet framework of Chengzigou hydropower station adopts a new design totally with Herringbone steel with a single span of 19 m. The calculation and analysis of the framework are carried out using SAP2000 software to meet the design requirements. The framework started service 4 years ago, and is still in safe operation after several earthquakes with grade over 5 degrees, which proves good feasibility and security of the design.

Chengzigou hydropower station, outlet framework, steel structure, structural design

1009-6825(2017)32-0034-03

2017-10-10

沈大偉(1986- )，男，工程師

TU318

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