山坡上某电厂500 kV 升压站构架优化设计

陈 辉 朱建成

(浙江省电力设计院，浙江杭州 310012)

1 工程概况

某电厂建设2×1 000 MW超超临界燃煤发电机组，配套建设500 kV进出线工程。整个主厂房毗邻山坡，构架建在高差很大的山坡上，主厂房A列外主变(备用变)构架场地绝对标高为4 m，500 kV进出线构架建在爆破开挖出的山坡上，场地绝对标高为60 m，电厂外送出工程构架场地绝对标高为105 m。最大导线张拉角度为61°。总布置图见图1，纵向剖面图见图2。

图1 总布置图

构架50年一遇的基本风压为1.2 kN/m2，位于海边，地面粗糙度A类。建筑设防类别为乙类，本地区的抗震设防烈度为6度，抗震构造措施为6度。设计基本加速度为0.05g，所在场地设计地震分组为第一组，场地土类别为Ⅰ类。

2 上部结构设计［1］

2.1 模型的建立

本次模型采用STAAD.Pro软件建立三维空间结构计算模型。与平面计算相比，空间结构计算更符合结构实际受力，设计更加可靠。构架柱，横梁上下弦杆采用Q345钢，其余腹杆采用Q235钢。构架柱固结于基础，横梁下弦铰接于构架柱。典型模型见图3。

图2 纵向剖面图

图3 典型模型

2.2 荷载组合

由于本地区地震工况效应明显小于风荷载效应，风荷载组合起控制作用。根据《建筑结构荷载规范》［2］，荷载组合系数，当重力荷载计算拉力时取0.9，计算压力时取1.2，风荷载取1.4，导线张力取1.3。温度应力，导线安装垂直分力(因作用时间较短)及水平斜材局部弯曲取1.0。

2.3 计算结果

在大高差山坡上的情况下，构架柱，横梁上下弦由应力控制。因此构架柱，横梁上下弦选择Q345B无缝钢管。与普通情况的横梁腹杆不同，此时构架横梁端部腹杆以及靠近构架端部部分腹杆内力较大。因此部分腹杆选用轧制型钢，控制长细比取150。其他部分腹杆仍由长细比控制，控制长细比取200。

2.4 节点优化

主变(备用变)构架与500 kV GIS进线构架的垂直高差为54 m，水平最大距离119 m，最大导线张拉角度61°，因此在沿着横梁下弦方向与构架柱的中间柱帽节点上产生很大的剪力，仅仅按照普通节点的处理方法采用2颗高强螺栓已经不能满足设计要求。如果在柱帽上增加螺栓个数，则必须增大柱帽的尺寸，这样就必须修改构架柱两柱之间的根开距离，基础占用空间增大。而500 kV GINS进出线构架位于爆破开挖出的山坡上，布置本来就相当紧凑，如进行修改就必须增加土方开挖量，代价太大。

对模型进行研究发现，在同一个荷载工况下，节点之间的下弦杆之间的力正好可以抵消。因此，可以通过设计新型节点来解决这个问题。节点详图见图4。

图4 柱帽新型节点

3 基础设计

一般普通构架柱采用普通天然杯口基础，柱脚插入混凝土杯口，然后灌注高一级混凝土和基础连为整体。构架的基础持力层为中等～微风化凝灰岩。由于构架导线的水平张力很大，基础会产生很大的拔力。如果采用普通天然基础，基础的平面尺寸和体积就会非常大，容易和其他基础相碰，同时经济性差。因此，采用岩石锚杆基础。

3.1 地基稳定性

由于500 kV GIS进线构架位于山坡边缘，为保证基础下岩石的稳定性，基础边缘距悬崖的距离要求大于6 m。

3.2 柱脚插入深度

在导线张力和风荷载的作用下，柱脚有很大的拔力，因此确保柱脚和基础能够连成整体一体受力是非常关键的。

如果根据《建筑地基基础设计规范》［4］计算柱脚插入基础的长度，计算出的长度将会很大，这样会使得基础的高度很大，不经济。因此，参考《钢结构设计规范》［3］中关于抗剪连接件的计算，通过在柱脚上焊接钢筋来增加钢管和混凝土之间的粘结力。这样既能解决拔力太大的问题，经济性又好，方便施工。柱脚节点抗拔详图见图5。

图5 柱脚节点

3.3 基础的计算

锚杆的计算按照《建筑地基基础设计规范》计算。单根锚杆的承载力特征值通过现场试验确定，并且满足构造要求。

基础底板的配筋一般分两种情况:一种是根据计算需要配筋，另一种是计算并不需要配筋，只是从构造方面考虑予以配筋。由于抗拔基础的尺寸常常受到周围构架基础的限制，往往采用提高埋深来减小基础底面积，基础有效高度的提高，使基础底面全部或大部分落在冲切破坏锥体以内，基础基本不会发生冲切破坏。

4 结语

在6度地震区，构架高差大，导线张力大，风荷载控制的情况下，对模型进行综合分析的基础上，做出如下结论:1)构架柱，横梁上下弦由应力控制设计，横梁端竖杆，端斜杆及部分靠近端部的腹杆应力较大，由应力控制设计，其余腹杆应力较小，由长细比控制设计。2)在沿着横梁下弦方向与A字柱的中间柱帽节点上产生很大的剪力，考虑经济性，采用了一种新型节点来进行剪力设计。3)为保证岩石地基的稳定性，基础边缘距悬崖的距离要求大于6 m。4)通过在柱脚上焊接钢筋来增加钢管和混凝土之间的粘结力，既能解决柱脚拔力太大的问题，经济性又好，方便施工。5)锚杆的承载力特征值通过现场试验确定，并且满足构造要求。抗拔基础基本不会发生冲切破坏，只需要考虑构造配筋。

［1］中南电力设计院.变电构架设计手册［M］.武汉:湖北科学技术出版社，2006.

［2］GB 50009-2012，建筑结构荷载规范［S］.

［3］GB 50017-2003，钢结构设计规范［S］.

［4］GB 50007-2011，建筑地基基础设计规范［S］.