某項目750 kV變電構架結構選型及滑移支座應用

張 慧 斌

(同濟大學，上海 200092)

0 引言

近年來，隨著我國經濟的不斷發展，用電負荷快速增加，電網建設也得到了快速發展，并且建設規模越來越大。在變電站構架結構中，由于鋼結構的快速發展，鋼結構的應用更是迅速增長，特別是500 kV及以上等級的變電構架工程中，鋼結構已被全面采用[1]。變電站構架中，按通常的做法會在變電構架中設置溫度縫，使其分成獨立的溫度區段，從而滿足規范對結構設計的要求。如果不考慮溫度效應的影響，會導致變電站占用更大的面積，消耗更多的資金[2]。

綜合考慮以上因素，在對本項目不進行伸縮縫的設置的情況下，為了減弱溫度作用的影響，本文進行了結構選型優化，選用對溫度效應不敏感的結構形式，同時在不影響結構連續性的前提下考慮設置滑移支座進一步釋放溫度效應，并通過有限元分析對比驗證超長構架采用滑移支座的可行性。

1 項目概況

本項目站址微地貌單元為前緩坡丘陵，地形起伏北側較大，南側較小，最大高差約5 m，年平均氣壓為878.3 hPa。所處地的溫差比較大，累年平均最高氣溫為43 ℃，累年平均極端最低氣溫為-32 ℃。

結構受荷形式除了包括導線傳遞的張力、風壓、垂直荷重等荷載，還包括構架自身的基本風壓、地震荷載、溫度荷載。其中，考慮溫度荷載及風荷載作用下的承載能力極限狀態，按照+35 ℃和-30 ℃的溫差進行取值；考慮風速和溫度荷載的正常使用極限狀態，取風速值為10 m/s，取溫度差為+50 ℃和-40 ℃。抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度值為0.20g，設計地震分組為第三組，設計特征周期0.45 s。

變電構架總長394 m，擬采用10跨連續構架形式，左右對稱位置的6個邊跨跨度分別為39 m，中間4跨跨度為40 m。按照《變電構架設計手冊》要求[3]，需要設置溫度伸縮縫的影響，但考慮到需要配套的GIS設備[4]。GIS(Gas Insulated Switchgear)是氣體絕緣全封閉組合電器，其配套的設備和部件要全部封閉在金屬接地的外殼中，并在其內部充有一定壓力的SF6絕緣氣體，不宜設置溫度縫。所以有必要通過結構構架選型的優化來降低溫度荷載的影響，并通過結構措施及安裝滑移支座釋放掉不利的溫度效應。

2 結構選型優化

變電構架結構可以選用等截面普通鋼管結構、變截面高強度鋼管結構、格構式鋼結構、人字形構架結構等[5]。等截面普通鋼管結構的連接形式為剛性法蘭連接，具備安裝、制作和運輸方便的特點；變截面高強度鋼管結構具備質量輕、強度高、控制嚴格、外觀優美的特點。由于等截面普通鋼管結構和變截面高強度鋼管結構在國內主要應用于500 kV變電構架中，所以基于項目自身的特點(750 kV變電構架)，本文對格構式鋼結構構架和人字形構架結構分別進行靜力分析和關鍵部位的桿件內力、位移對比，進而得出方案必選結果。

2.1 格構式構架

格構式構架的模型形式如圖1所示，格構式構架整體剛度好，受力均勻，可以充分發揮構件的作用，組合成整體體系來抵抗溫度變形。并且單個構件受力小、變形小，但整體變形一般較大，且構件以軸向受力為主。

為了更準確的衡量溫度對變電構架的敏感程度，引入溫度效應系數μ[6]。

(1)

其中，s1為溫度荷載作用下構架溫度效應極值;s2為對應溫度荷載組合作用下構架效應極值。

通過建模分析，格構式構架柱頂最大側向位移的溫度效應系數為0.87，柱最大內力的溫度效應系數為0.46，支座最大反力的溫度效應系數為0.35。

2.2 人字柱構架

人字柱構架的模型如圖2所示，對于人字柱構架，除了最中間柱的型式為雙人字組合柱以外，其他柱都為單人字柱型式。人字形構架具有中部剛度大，能對外側的構架提供有效的側向支撐的功能[7]。

經計算可知，人字形構架柱頂最大側向位移的溫度效應系數為0.19，柱最大內力的溫度效應系數為0.16，支座最大反力的溫度效應系數為0.17。

表1 溫度效應系數對比

結構型式位移內力反力格構式構架0.870.460.35人字柱構架0.190.160.17

從表1中可以看出，與格構式構架相比，人字柱構件的溫度效應有了很大的減弱，柱頂最大側向位移、柱最大內力、支座最大反力的溫度效應系數分別減少了78.2%，65.2%，51.4%。同時對于人字柱構架的受力的特點，溫度效應引起的軸力幾乎為零。由于內力的增加必然導致材料用量的增加，從而產生更大的溫度作用。綜上所述，人字柱組合構架形式更加適合本項目的選型要求。

3 滑移支座的應用

通過以上布置型式的調整，人字柱構架布置型式的溫度效應系數得到了明顯的降低，同時構架柱溫度效應由軸力變成了彎矩，改變了溫度的內力性質，降低了溫度對構架柱的影響。

由于不進行伸縮縫的設置，特此引入滑移支座來進一步降低溫度的影響。滑移支座采用的是變剛度彈簧，在滑移行程內時，提供較小剛度，超過滑移行程時，等效為剛接[8]。滑移支座的作用是釋放溫度效應，設置了變形余量，可以有效地釋放溫度應力，同時溫度區段也能滿足《變電構架設計手冊》要求。在現有的實際工程中，有多種結構通過安裝滑移支座來替代溫度伸縮縫的影響[9]。本文同樣考慮滑移支座的安裝并選取最外側柱頂位移作為分析的主要參數。

接下來從滑移支座安裝位置和滑移行程兩個方面進行有限元結果的分析比較。分析的主要內容為溫度效應在使用滑移支座后的變化。此處按照規范規定，溫度取極端低溫-40 ℃，極端高溫50 ℃，計算后取不利效應進行比較。

3.1 滑移支座安裝位置的影響

為了更好的查看滑移支座安裝位置的影響，在此將滑移支座的行程統一設置為100 mm，且所選用的構架結構類型都為人字柱的構架類型。同時將人字柱構架結構進行溫度區段的劃分，左邊S5,S4,S3三跨為第一溫度區段，中間S2,S1,S1,S2四跨為第二溫度區段，最右邊S3,S4,S5為第三溫度區段，如圖3所示。

本文考慮兩種滑移支座安裝位置，第一種將滑移支座對稱安裝在第二跨的內側，如圖4所示。

對于第一種情況，溫度荷載作用下滑移支座右側靠近雙柱位置的節點位移為65 mm，支座左側節點位移為62 mm，滑移支座的相對位移量為3 mm。溫度工況位移如圖5所示。

第二種將滑移支座對稱安裝在第三跨的內側，如圖6所示。

對于第二種情況，溫度荷載作用下，滑移支座右側靠近雙柱位置的節點位移44 mm，支座左側節點位移為-4 mm，滑移支座的相對位移量約為48 mm。溫度工況位移圖如圖7所示。

表2 溫度區段變形量對比 mm

溫度作用第一溫度區段第二溫度區段第三溫度區段第一種情況47.5124.747.5第二種情況59.790.359.7

由表2可見，對于相同的溫度區段的劃分，第二種情況各區段之間的變形量更加均勻，鄰段之間的變形差值相對較小。因此將滑移支座安裝在第三跨內側更加合理有效。

表3 滑移支座處相對位移對比 mm

由表3得出，支座兩側節點相對位移有所不同，第一種和第二種情況的相對位移分別為61.3 mm和57.1 mm，兩種情況相差了6.9%。基于第二種情況下的相對位移值，對于滑移支座的滑移行程的設置不應小于60 mm。同時考慮風振、地震作用下，仍希望構架結構作為整體受力，因此在荷載作用下，滑移支座要盡快達到限位處，要求可滑移行程不應過大。

3.2 滑移支座滑移行程的影響

為了確定較合理的滑移行程，分別設置100 mm和60 mm的滑移限值，分析在縱向風載作用下結構的響應，結果如圖8，圖9所示。圖8為滑移支座行程100 mm的人字柱構架的位移云圖，圖9為滑移行程60 mm的人字形構架的位移云圖。

通過對比分析，滑移行程為100 mm的構架柱頂最大位移為561 mm，如圖8所示，滑移行程為60 mm的構架柱頂最大位移為476 mm，如圖9所示，方案四在位移上比方案三減少了15.2%。充分考慮溫度效應作用的情況下，60 mm的支座滑移位移已能夠滿足要求，加上滑移行程為60 mm時，構架柱頂的位移又有所減小。綜合以上分析，滑移支座的滑移行程選取60 mm最為合理。

4 結論

通過以上對750 kV變電站構架的選型和滑移支座安裝位置及滑移距離的對比分析得出以下結論：

1)通過對格構式構架和人字柱構架計算結果的對比分析，人字柱構架的溫度效應有了很大的減弱，柱頂側向位移、柱內力、柱腳反力的溫度效應系數分別減少了78.2%,65.2%,51.4%。同時對于人字柱構架受力的特點，溫度效應引起的軸力幾乎為零。綜合以上兩點，人字柱構架形式更加適合本項目的選型；

2)在確定選型的基礎上，將滑移支座安裝在第三跨內側處，各溫度區段之間的變形量更加均勻，鄰段之間的變形差值相對較小。同時滿足設置滑移支座的滑移行程應不小于60 mm；

3)通過對比分析，滑移行程為60 mm的構架柱頂最大位移相對于滑移行程為100 mm的構架柱頂最大位移減少了15.2%。再次印證了滑移行程選取60 mm時更為合理有效。

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