基于鋼管混凝土原理的500 kV構架柱加固設計

魯 偉，吳必華，閆 勇，吳 晟，余 歡

(中國電力工程顧問集團中南電力設計院，湖北 武漢 430071)

0 引言

渝鄂背靠背南通道和恩施東—輸變電工程建成投產后，葛洲壩—雙河線路已經無法滿足系統運行要求，需要進行增容改造，以提高渝鄂背靠背南通道送入電力及恩施電力外送能力，間接提高系統穩定水平，增強對可能出現的各種運行方式和系統將來發展的適應性，提高系統運行裕度。

雙河500 kV變電站改造工程更換葛洲壩—雙河Ⅰ回、Ⅱ回線路相關設備連線、跨線，更換雙河變500kV母線，需要換線的構架為1#～10#構架，換線布置圖如圖1所示；500 kV構架改造區域透視圖如圖2所示。

圖1500 kV構架換線布置圖(改造區域)

圖2500 kV構架透視圖(改造區域)

1 原構架復核

構架換線后，導線拉力有不同程度的增大，此外，隨著GB 50068—2018《建筑結構可靠性設計統一標準》的修訂，建筑結構的作用分項系數有不同程度的增大[1]，其中永久作用的分項系數由1.2增大為1.3；可變作用的分項系數由1.4增大為1.5。因此，需對換線的構架進行復核，包括：4孔連續出線構架、4孔連續跨線構架、單孔母線構架。

1.1 構架幾何信息

構架柱采用圓形鋼管柱，構架橫梁采用三角形變斷面格構式鋼梁，梁柱鉸接。柱、梁弦桿拼接接頭采用法蘭連接，鋼梁弦桿采用鋼管，腹桿采用角鋼，腹桿和弦桿之間采用螺栓連接。構架幾何信息詳見表1所列。

表1500 kV構架幾何信息

1.2 導線荷載

構架荷載條件：地震基本烈度6度，設計基本地震加速度值為0.05g。基本風壓0.3 kN/m2。

構架出線側導線水平拉力≤36 kN/相，垂直荷載≤6.5 kN/相，側向拉力≤1 kN/相。地線水平拉力≤4.5 kN/根，地線垂直荷載≤1 kN/根，側向拉力≤0.2 kN/根。

根據電氣資料，構架導線拉力對比詳見 表2和表3所列。通過對比可以看到，更換導線后的導線拉力與前期相比，單孔構架導線水平拉力增加約50%，4孔構架導線水平拉力略微降低、垂直拉力和側向力顯著增加。

表2 單孔構架導線拉力對比kN

表34孔構架導線拉力對比kN

1.3 計算結果分析

經復核，構架梁部分腹桿和螺栓受力不滿足要求，考慮對構架梁進行重新設計并更換。此為常規設計，此處不再贅述。本節重點闡述構架柱更換導線后的復核計算。

由于人字柱平面外方向彎矩較小，按單向壓彎構件計算構架柱平面內、平面外穩定性和單向拉彎構件強度[2]。

采用三維結構分析和設計軟件STAAD Pro進行結構計算[3]，在不考慮構架柱截面削弱的情況下，500 kV構架柱復核計算結果詳見表4所列。

表4500 kV構架柱復核計算結果kPa

通過計算可以看出，構架更換導線后，構架柱下柱和中柱都能夠滿足新的受力要求，而 4孔連續出線構架柱上柱由于桿件較長、所受彎矩較大，平面內穩定應力為210 kPa，應力比為97.67%，接近限值。考慮到構架經過近40 a的服役，構架柱存在不同程度的凹陷，如圖3所示。同時考慮到銹蝕的影響，構架柱截面存在不同程度的削弱，因此，認為4孔連續出線構架柱不滿足更換導線后的受力要求，其余構架柱需根據構架檢測結果再復核其受力是否滿足要求。

圖3500 kV構架柱凹陷

2 構架柱加固設計

針對4孔連續出線構架不滿足更換導線之后的受力要求這一問題，有2種解決方案可供選擇：一種是重新設計構架然后整體更換；另一種是對現有構架進行加固，提高其受力性能。

雙河500 kV變電站是華中地區重要的樞紐變電站，是三峽電力外送的重要通道和荊門地區的重要電源點，整體更換構架的方案會導致長時間的停電，由此會帶來較大的經濟損失和不良的社會影響。為節省停電時間，最終采用針對現有構架進行加固的方案。

2.1 加固方案選擇

針對鋼管柱的加固，加固方案主要有：增大截面加固法、附加桿件和支撐加固法、填充混凝土加固法和碳纖維增強復合材料加固法[4]。

上述加固方案中，增大截面法通常采用焊接、粘結等手段，施工較為復雜，難以保證質量；附加桿件和支撐加固法對于布置緊湊的變電站而言難以有效施展；碳纖維增強復合材料加固法多用于混凝土結構的加固，加固鋼結構方面的研究還相對較少，工程應用也較為少見。相比較而言，填充混凝土加固法利用成熟的鋼管混凝土原理，可有效地提高鋼管柱的剛度、強度和延性，對于加固施工而言，填充混凝土是比較經濟的方法。

2.2 加固復核計算

根據GB 50936—2014《鋼管混凝土結構技術規范》[5]第5.3.1條計算鋼管混凝土構架柱在壓力和彎矩共同作用下的強度、穩定性。

選取4孔連續出線構架柱上柱最不利工況進行復核。

工況1：軸心壓力N=802 kN，彎矩M=94 kN·m；工況2：軸心壓力N=272 kN，彎矩M=128 kN·m。

經復核計算，構架柱剛度、強度和穩定性均滿足規范要求。采用構架柱填充混凝土加固法后，構架柱抗壓承載力顯著提高，由于構架柱內部混凝土提高了鋼管混凝土的受壓截面強度和受壓穩定系數，按4孔連續出線構架柱上柱受力最大工況下，鋼管混凝土壓彎計算應力比僅為25.66%，可以看出，構架柱采用填充混凝土加固法是可行且有效的。

2.3 加固施工方案選擇

構架柱填充混凝土加固法主要有3種施工方案：人工澆灌和振搗、高位拋落不振搗和泵送頂升法[6]。

本工程鋼管尺寸小，人工澆灌和振搗困難。泵送頂升法即混凝土在泵壓作用下由下而上頂升，靠自重擠壓密實并充填鋼管，與鋼管共同工作[7]。考慮到經過近40 a的服役，構架柱存在不同程度的凹陷、銹蝕等缺陷，為避免泵壓過高影響結構安全，建議采用高位拋落不振 搗法。

高位拋落不振搗法需要在構架柱適當位置開灌漿孔(直徑不超過75 mm)，采用無收縮自密實混凝土在高位分段灌注，每段下部設排氣孔(孔徑25 mm)。混凝土達到設計標高后，采用鋼板焊接封閉灌漿孔，焊接處冷噴鋅防腐。

構架柱的開孔建議用冷刀并采取合理的溫度控制措施，嚴格控制施工質量，避免對開孔部位附近區域的影響。

無收縮自密實混凝土強度等級C40，粗骨料最大公稱粒徑不宜大于20 mm，自密實混凝土拌合物的自密實性能應滿足JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應用技術規程》[8]中SF1性能等級要求。自密實混凝土最大傾落高度不宜大于9 m，對于25.5 m高的構架柱，分三段進行澆筑；對于18 m高的構架柱，分兩段進行澆筑。

3 結語

本文以雙河500 kV變電站為工程背景，針對500 kV構架柱在換線情況下受力不滿足規范要求的現狀，開展加固設計。

根據鋼管混凝土原理，采用構架柱內灌注混凝土的加固設計方案，在相同的荷載條件下，構架柱的應力比由97.67%降低至25.66%，大幅提高了構架柱的受力性能。

利用自密實混凝土的高流動性克服常規混凝土在構架柱內難以振搗密實的缺陷，有效降低施工難度、保障施工質量。