330 kV戶外GIS垂直出線鋼管格構塔設計分析

王寧壁, 魏 剛, 張 咪

(1.中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，陜西 西安 710075；2.國網陜西省電力有限公司，陜西 西安 710048)

西北地區330 kV戶外氣體絕緣變電站(gas insulated substation,GIS)一般采用A、B、C三相水平排列，帶端撐人字柱門型構架(以下簡稱為門型構架)，由于受出線門型構架寬度限制，使變電站垂直于出線方向的尺寸并未因采用GIS而減小。垂直出線作為一種新型出線方式，能進一步減小出線間隔寬度，充分發揮GIS布置緊湊的優勢。

針對330 kV戶外GIS垂直出線布置方式，選擇與其相適應的垂直出線鋼管格構塔(以下簡稱為垂直出線塔)，在綜合造價方面對垂直出線塔與門型構架進行對比，設計經濟可行、節約占地的垂直出線塔。

1 設計條件

1.1 自然條件

基本風壓0.37 kN/m2；站區地震基本烈度為Ⅷ度，地震動反應譜特征周期為0.55 s。

1.2 塔架布置型式

西安北750 kV變電站工程中，330 kV配電裝置采用戶外GIS“Z”型布置，垂直出線，為配合電氣布置要求，出線構架采用獨立塔式結構，單塔兩側對稱布置兩回出線或單側布置單回出線，從上向下依次為A、B、C相。單塔上設置8個懸挑橫擔，其中6個用于出線掛線，2個用于地線掛線，塔高37.5 m，掛點分別在18.0 m、25.5 m、33.0 m、37.5 m標高處。導線橫擔自塔柱中心線懸挑5.75 m，C相自塔柱中心線沿出線向懸挑5.0 m，A相自塔柱中心線背出線向懸挑5.0 m，地線橫擔自塔柱中心線懸挑7.25 m。塔架立面見圖1。

圖1 330 kV垂直出線塔立面

1.3 荷載(作用)計算

垂直出線塔上作用的荷載有導線拉力、風載、覆冰荷載及地震和溫度作用等。

導線拉力由電氣專業提供，本期出線有掛2分裂LGJ-300/40導線，也有掛4分裂LGJ-300/40導線，導線拉力不同，遠期同一回出線按掛上述2種導線的可能分別考慮。4分裂LGJ-300/40導線水平拉力30 kN，垂直拉力23 kN；2分裂LGJ-300/40導線水平拉力18 kN，垂直拉力12 kN；地線水平拉力10 kN，垂直拉力3 kN。導線及地線偏角-5°～45°，偏向遠離塔柱側。

塔架承受的風載除考慮垂直或平行于寬面的風向外，還考慮沿對角線方向的風載，有+X、-X、+Z、-Z、+X+Z、-X+Z、+X-Z、-X-Z 共8個方向[1]。塔式結構自振周期T≥0.25 s，由風引起的結構振動比較明顯，而且隨著結構自振周期延長，風振也隨著增強，因此設計時均應考慮風振影響[2]。文獻[3]提出當桿塔全高不超過60 m時，風振系數βz全高采用1個系數。

塔架承受的導線覆冰荷載由電氣專業在導線拉力中考慮。

對于比較高柔的塔式結構，風振影響一般要大于地震影響，但是如果結構質量較大，又處在地震高烈度區，則地震影響更強烈。因此在地震高烈度區(Ⅷ度)的塔式結構，要充分考慮地震作用的影響，以保證結構安全。文獻[4]規定烈度8度以上地區的高聳結構，應計算豎向地震作用，水平及豎向地震作用均采用反應譜法計算。

塔式結構的主體由于暴露在外，受溫度作用影響較直接，同時塔體縱向尺寸較大，溫度效應累計作用明顯[5]。文獻[6]規定，在計算溫度作用效應時，應根據工程具體條件合理選擇計算溫差。本工程計算溫差取Δt為+50 ℃、-40 ℃，在最大風溫度條件下運行時，計算溫差取Δt為+35 ℃、-35 ℃進行計算。

1.4 荷載組合計算

垂直出線塔采用極限狀態設計法，即承載能力極限狀態和正常使用極限狀態。承載能力極限狀態對應于結構或構件達到最大承載力或不適于繼續承載的變形；正常使用極限狀態對應于結構或構件達到正常使用或耐久性能的某項規定限值。

對于承載能力極限狀態，塔式結構及構件應按荷載效應的基本組合進行設計;對于正常使用極限狀態，采用荷載標準組合進行設計。

塔式結構正常使用極限狀態的控制條件為塔柱柱頂的計算撓度限值采用3h/1000(h為塔柱計算點高度)，橫擔端部水平及垂直方向采用L/150(L為橫擔懸挑長度)。

由導線拉力圖可以看出，既要考慮僅單側掛線，又要考慮雙側同時掛線，同時還要考慮兩側掛不同型號的導線，共有5組導線荷載組合工況需分別建模計算。每個模型的每組導線荷載組合需分別與風載、溫度作用及地震作用進行承載能力極限狀態荷載效應的基本組合計算和正常使用極限狀態荷載效應的標準組合計算。

各模型計算結果顯示，考慮地震作用的荷載組合產生的桿件內力是沒有地震作用的其他荷載組合產生內力的70%～80%，因此地震作用在本工程結構設計中不起控制作用。

1.5 垂直出線塔優點

塔柱采用變截面鋼管格構矩形柱，鋼管主桿和腹桿、節點板螺栓連接、構架橫擔采用變截面鋼管格構四邊形梁，鋼管弦桿、角鋼腹桿、節點板螺栓連接。橫擔弦桿與塔柱螺栓連接，整體為剛接，塔柱主桿拼接采用法蘭連接。該結構取材方便，材料規格基本不受限制，鋼管迎風體型系數小，截面回轉半徑大且具有各向同性，因而桿件受壓穩定性好。與角鋼格構式結構相比，鋼管格構式結構具有以下優點。

a.構件受荷性能好。鋼管構件作為構架的承載結構相對于角鋼構件具有明顯的優勢：①可以減小構架的風壓(圓管構件體形系數比角鋼幾乎小一半)；②在截面面積相等的情況下，圓管回轉半徑比角鋼大20%左右；③若用無縫鋼管，其壓曲系數為a類，而角鋼為b類，差7%左右[7]。

b.結構受力明確，節點構造簡單，大部分構件屬于拉壓桿，符合計算假定。

c.經濟性好。鋼管塔比角鋼塔用鋼量可降低10%～20%，對大負荷高塔使用鋼管格構式結構優勢更明顯。

d.外型美觀。由于鋼管具有較好的受荷截面特性，即各個方向的截面特性相同，與塔柱非正交的橫擔弦桿與塔柱連接節點容易處理，結構構件數量少、截面相對較小，節間距有較大幅度增加，使結構布置更為簡潔美觀。

e.適用性較強。對于荷載大、高度大、電壓等級高的構架，鋼管格構式結構有更強適用性。

f.取材方便。目前我國的各種軋制和焊接鋼管的質量穩定，供貨渠道日趨通暢，在其規格選擇上具有更大的優勢。

通過上述分析，西安北750 kV變電站工程330 kV 戶外GIS垂直出線塔采用鋼管格構式結構。

2 垂直出線塔設計

2.1 塔柱截面尺寸選擇

獨立塔柱從受力要求上最好選用正方形截面，但本工程垂直出線塔塔柱窄面方向由于受出線間隔寬度影響不能超過2.5 m，沿出線方向的寬面參考750 kV構架塔柱的經濟根開斜率H/16(H為變截面處高度)，確定寬為5.0 m，該寬度隨塔柱高度增加而減小，在標高18.0 m以上保持寬2.5 m不變。

通過計算可以發現，采用2.5 m×6.0 m根開時，桿件應力比明顯減小，腹桿由受壓構件長細比控制，桿材未充分利用；采用2.5 m×4.0 m根開時，桿件應力比明顯增大，有些腹桿的應力比較大，需要加大截面。這樣小根開塔柱中桿件截面較大，整個結構通透性差，感觀較笨拙。因此本工程垂直出線塔塔柱采用結構整體比例較協調的根開尺寸2.5 m×5.0 m。

對標高18.0 m以上塔柱截面尺寸由2.5 m×2.5 m減小到2.0 m×2.0 m，橫擔的截面尺寸相應減小。計算結果顯示，掛導線的橫擔下弦桿截面、標高18.0 m以上的塔柱主桿截面均需加大一個型號，這樣由減小柱截面尺寸引起的鋼材量減少被加大主材截面引起的鋼材量增加相抵消，而且柱頂位移相應增大到120 mm，超過了位移限值，因此塔柱標高18.0 m以上采用截面尺寸為2.5 m×2.5 m。

2.2 塔柱腹桿型式選擇

對于單塔兩回出線，本期只掛單回，遠期掛兩回；或者兩回出線，一回掛2分裂LGJ-300/40導線，一回掛4分裂LGJ-300/40導線；或者單塔單回出線，塔柱承受很大的扭矩作用，因此塔柱腹桿選用對稱布置的十字交叉桿及米字桿，抗扭性能好。

十字交叉腹桿體系常用于桿件較短處，在塔柱幾何尺寸較大時往往因長細比控制而限制桿件截面，造成材料用量增多。本工程垂直出線塔塔柱窄面腹桿及標高10.5 m以上寬面腹桿采用十字交叉桿。米字形腹桿體系對減小塔柱主桿、橫桿及斜桿的長細比很有益處，與十字交叉腹桿體系相比，若塔柱尺寸相同，其各種桿件的長細比均幾乎減半，其缺點是節點數量多，有的節點較復雜，橫隔桿件多，但這些桿件均較短，增加材料并不多。本工程塔柱標高10.5 m以下寬面腹桿采用米字桿。

2.3 塔柱橫隔設計

塔柱在寬面采用米字形腹桿體系，在橫桿中點由斜桿交匯，橫桿水平面內必須加橫隔來維持橫桿在塔斜平面外的穩定。橫隔的首要作用是維持塔身平面的幾何不變性，對于十字交叉腹桿體系的窄面，盡管原則上沒有橫隔也能維持結構幾何不變，但當塔的邊數較多時斜桿抗塔身橫截面變形的能力較弱，或塔柱變坡時橫斜桿受力較大，也要用橫隔增加塔身橫截面的抗變形剛度。

a.橫隔布置原則:①在橫桿中間有斜桿交匯點的平面，原則上均要求布置橫隔,若考慮橫桿在此點的抗彎剛度，則要將橫桿作為拉(壓)彎構件進行計算才能保證結構的可靠性;②在塔柱變坡處要布置橫隔,因為此處平面桿件受力大，要控制其變形才能抑制非線性變形的不利影響;③在其他情況下每隔2～3層也應設置橫隔，以減少塔架平面變形的不利影響;④斜桿在再分式腹桿處，塔柱要設相應的橫隔。

b.橫隔在水平面內的布置原則:①將平面內每個節點連成幾何不變的平面桁架;②盡可能使橫隔計算長度減小。

2.4 橫擔設計

橫擔立面為三角形布置弦桿的懸挑結構，頂底面設十字交叉腹桿。A相、C相橫擔分別進行2種結構型式計算。

a.上弦桿從柱身到橫擔端部直線連接，不需彎折，橫擔頂面交叉腹桿不在同一平面，互不連接，腹桿長細比大，見圖2。

圖2 A相、C相橫擔上弦為直桿

b.在柱身處先設置類似三棱柱的格構支座，從支座到橫擔端部直線連接，上弦桿需要在支座處彎折，見圖3。橫擔頂面交叉腹桿在同一平面，交叉點可連接，腹桿平面外的長細比計算采用與角鋼肢邊平行軸的回轉半徑ix，而圖2中采用角鋼最小回轉半徑iv，ix是iv的1.5倍，腹桿長細比約為圖2中對應桿件長細比的2/3，因此頂面腹桿截面減小。橫擔上弦折桿所在平面的豎腹桿及斜腹桿增大，總體鋼材量減少0.2%。但整個結構造型要比圖2的型式顯得笨重，因此A相、C相橫擔采用圖2的結構型式。

圖3 A相、C相橫擔上弦為折桿

2.5 塔柱與橫擔連接節點設計

塔柱與橫擔整體為剛性連接，立面為三角形的橫擔上下弦桿與塔柱通過節點板用普通螺栓鉸接連接。塔柱節點處設環向板，一方面作為塔柱水平腹桿、橫隔、橫擔弦桿及腹桿的連接板;另一方面加強塔柱主桿此處的抗扭剛度。A相、C相橫擔在水平面內與塔柱沿出線方向軸線間的夾角為42°，B相及地線橫擔為90°，采用環向板便于與各個方向的橫擔弦桿相連[8]。橫擔斜弦桿與塔柱通過豎向節點板連接，環向板作為此節點板的勁板起加強側向剛度的作用。

3 垂直出線塔與門型構架結構對比

垂直出線塔結構沿垂直于出線方向的布置尺寸為1.25+31.0×5+46.0+31.0×6+1.25=389.5 m，而門型構架結構沿垂直于出線方向的布置尺寸為4.5+18.0×6+5.0+18.0×4+18.0+18.0×6+5.0+18.0×6+4.5=433.0 m，比垂直出線塔結構增加了43.5 m。2種結構見圖4及圖5。

a.鋼材量對比

對2種結構分別建模進行計算，鋼材量統計結果見表1、表2。

圖4 垂直出線塔結構

圖5 門型構架結構

表1 垂直出線塔鋼材量

表2 門型構架鋼材量

由表1、表2可知，垂直出線塔結構的鋼材量比門型構架結構增加121.65 t，鋼材單價按9300元/t計算，增加費用113.1萬元。

b.承臺混凝土量對比

承臺混凝土量統計結果見表3、表4。

表3 垂直出線塔承臺混凝土量

表4 門型構架承臺混凝土量

由表3、表4可知，垂直出線塔承臺混凝土量比門型構架增加121.1 m3，混凝土單價按600元/m3計算，增加費用7.3萬元。

c.承臺樁基對比

承臺樁基統計結果見表5、表6。

由表5及表6可知，垂直出線塔承臺樁基比門型構架減少76根，樁基單價按9043元/根計算，減少費用68.7萬元。

4 結論

a.垂直出線塔的橫擔與塔柱采用便于節點連接的鋼管格構式結構，塔柱采用鋼管主桿和腹桿、節點板螺栓連接，腹桿采用抗扭性能好的十字交叉桿或米字桿，端部設槽型插板與節點板單剪連接。橫擔采用鋼管弦桿、角鋼腹桿、節點板螺栓連接，橫擔立面內弦桿三角形布置。A相、C相橫擔上弦桿從柱身到橫擔端部直線連接，不需彎折，橫擔頂面交叉腹桿不在同一平面，互不連接，底面腹桿十字交叉布置，交叉處螺栓連接；B相及地線橫擔頂底面腹桿十字交叉布置，交叉處螺栓連接。

表5 垂直出線塔承臺樁基

表6 門型構架承臺樁基

b.通過對垂直出線塔與門型構架的結構對比，可得出前者比后者增加費用51.7萬元，但前者比后者沿垂直于出線方向節省了寬43.5 m的占地。