500 kV变电联合构架温度效应分析研究

陆启亮 周元强 王 磊

(江苏省电力设计院，江苏 南京 211102)

500 kV变电联合构架温度效应分析研究

陆启亮 周元强 王 磊

(江苏省电力设计院，江苏 南京 211102)

以某一实际变电站工程为例，对 500 kV HGIS联合构架的温度效应进行了计算分析，分别对梁、柱等结构构件中温度效应的影响部位作了详细的研究，不仅定性的明确了承受温度效应的关键构件，而且定量分析了温度组合工况与大风组合工况的轴力比，为以后工程中联合构架的计算分析以及构件的概念设计提供依据。

联合构架，温度效应，关键构件，轴力比

0 引言

随着我国经济的高速发展以及跨区域输电战略的形成，500 kV变电站的建设得到了突飞猛进的发展，特别是东南沿海地区，2014年江苏地区即将投运的500 kV变电站就将达到10座以上。按照国家电网公司500 kV标准化要求，目前江苏地区新建的500 kV变电站均考虑采用HGIS方案，由于电气装置布置的要求，500 kV构架采用联合布置的方式，变电构架长度方向的连续长度往往达到200 m左右，远远超过了规范规定的露天结构的温度区段长度限值，较一般短距离的构架，温度效应无法忽略，在受力分析时必须考虑温度效应的影响。但是目前在设计过程中，由于工程进度以及设计人员和软件的限制，往往无法进行详细的分析，必将在技术上给工程留下一定的隐患。本文将以某个500 kV变电站的联合构架作为案例，详细阐述温度效应的影响部位，温度效应的大小，为工程设计人员在实际工程进行概念设计提供依据，使500 kV联合构架的设计高效准确。

1 计算模型及软件

本文采用的模型是江苏地区即将投运的一个500 kV变电站中的500 kV场地的变电联合构架，该构架一共7个间隔，纵向7跨，横向主体3跨，两端两侧有两个低跨进线，构架梁整体分为3层，分别为18.5 m(20 m),26 m以及33 m。为了降低钢材用量及节约占地，本工程构架采用“A字柱+单柱+A字柱”的结构形式，为了适应主变进线与高跨线的不平衡受力，在联合构架的端部全部采用33 m高的带端撑柱。中部A字柱伸至26 m，33 m高的高跨梁采用短柱支撑，为降低短柱侧向位移，在双侧受力高跨梁处采用“只拉杆”连接，在单侧受力高跨梁处采用连梁。梁柱钢材牌号均采用Q345钢。26 m高的A字柱杆径为φ480×10，33 m高带端撑A字柱采用φ600×12，单杆采用φ650×12。梁主材采用φ159×8及φ152×8，辅材采用角钢[7,8,11]。

分析软件采用电力行业通用的构架设计软件STAAD.Pro，具有较强的可视化操作性能，可以直观的编辑杆件、施加荷载以及添加工况组合，具有较为强大的分析功能以及后处理能力。

2 温度效应分析

2.1 温度荷载的取值

温度荷载产生的根源在于温差带来的杆件物理尺寸的变化以及外界约束对这种变化的限制。在目前变电构架设计主要依据《变电构架设计手册》[5]以及《变电站建筑结构设计技术规程》[6]，其对温差的取值做了较为详细的规定，详见表1。两本文献的规定有所不同，但均提到了最大风环境温差的取值，取值略有不同。根据以往工程经验，有大风工况作用参与下的工况组合往往起控制作用，为了便于比较，本文计算分析时仅考虑最大风环境下的温差，取值按照《变电站建筑结构设计技术规程》中的相关规定，分别取+35 ℃及-35 ℃。

表1 温差的取值

2.2 温度效应影响部位分析

温度效应是一种变形荷载，在结构中产生内力的大小与构件约束强弱、构件超静定次数有很大的关系。在联合构架中，梁柱之间、弦杆与腹杆之间连接方式不同，梁弦杆、腹杆以及柱的截面形式不同，梁柱杆件的布置方式不同，均会导致梁柱杆件在温度荷载作用下产生截然不同的受力。而在联合构架分析过程中，弄清结构体系中不同杆件的受力情况，找到温度效应影响的主要部位，对于提前预判结构受力、简化计算、进行概念设计至关重要。实际工程中梁柱连接虽然采用椭圆长孔，对温度效应有一定的释放功能，但是椭圆长孔还兼具调节梁柱安装加工误差的作用，由于误差的存在，椭圆孔无法保证足够的变形空间用来释放温度效应，所以本文在分析温度效应时不考虑椭圆长孔的影响，将其作为工程中的一种安全储备。

2.2.1 构架梁

联合构架布置中，梁柱之间采用铰接组合成纵横向的排架结构，根据电气布置需要，按梁底标高大致分为3种类型的构架梁，分别为：18.5 m的低跨进行梁(或20 m母线梁)、33 m处的高跨梁以及26 m处的出线或跨线梁。18.5 m(或20 m)处及33 m处的梁沿构架横向布置，跨数在4跨以内，总长度往往在100 m以内，26 m处梁沿构架纵向布置，随着电气间隔数目的变化而变化，按国网典设，电气专业一般6个～7个间隔，总长度达162 m以上。按照《变电站建筑结构设计技术规程》规定，两端设有刚性支撑、总长超过150 m的连续排架，或总长超过100 m的连续钢架，应计算温度作用效应的影响。因此，从梁的连续布置长度来看，联合构架中，产生明显温度效应的应该是26 m标高处的出跨线梁。

由于钢材热传导性能良好，梁在外界温度变化时几乎是均匀变形，见图1。从图中可见，在温度升高后，连续梁以中间梁的中心为起点，均匀的向两侧伸长。在温度变形发生后，柱子对梁的约束，限制其变形产生了内力，由于中间跨与梁连接的柱子均为26 m的人字柱，侧向刚度基本相同，从而导致在连续梁中由温度产生的内力基本相同，见图2，由于相邻柱子的影响，中间构架梁的温度内力略大于两侧的构架梁。图3表示了温度作用下，构架梁内部弦杆、腹杆内力下，构架梁内部弦杆、腹杆内力的分布情况，由图中可以清晰的看出，在温度荷载的作用下，发生内力的主要是两个下弦杆，上弦杆及腹杆内力较小，几乎可以忽略。

2.2.2 构架柱

由于构架柱在结构体系中属于竖向构件，它的温度应力来自于两个方面，一方面约束梁的温度变形，一方面柱子本身温度变形。图4,图5分别表示了在同等绘图比例下，纵向构架柱分别在自身温度变形作用下及梁温度变形作用下各自的柱子轴力图。从图中可以看出，与柱子本身温度变化产生的温度效应相比，梁温度变化给柱子带来的温度效应要大得多，并且主要集中在两端带端撑的构架柱上。这主要是由于柱子下端与基础固接，上端与梁铰接，在竖向发生温度变形时，上端几乎不受约束，可以自由伸缩，温度应力被有效释放；但是当横向梁发生温度变形时，由于连续排架的两端带有端撑，相对于中间“A”形柱平面外刚度来说，具有很强的侧向刚度，限制了伸缩变形，在端撑上便产生了较大的温度应力。纵向排架这样，横向亦是如此，只不过横向排架跨数较少而已，图6表示了横向排架柱在梁温度变形作用下的轴力图，温度效应主要集中在两侧约束其变形”A”形柱上。

从上述分析可以知道，无论是在联合构架的横向还是纵向，柱子的温度效应主要是由梁的温度变形产生，集中于约束刚度较大的两端，从整体来看，温度效应集中于联合构架的外围构架柱。图7表示了在整体温度效应作用下，联合构架中出线纵向排架的轴力图，由上述的分析可知，两端端撑的温度效应主要由纵向梁温度变形产生，中间“A”形柱的温度效应主要由横向梁的温度变形产生，但是与端撑相对应的两端“A”形柱，由于需协调纵横向的温度变形，同时承受两个方向的温度效应。

2.3 温度效应大小分析

根据上述的分析，温度效应在联合构架中不是均匀的分布于结构构件中，而是集中在某些构件上，而产生过高的温度应力，特别是对于这种超长且整体连接的联合构架。为了达到精细化设计以及满足规范的要求，受力分析时必须考虑温度效应参与的组合工况，而根据分析经验，在不考虑温度效应时，大风工况下的组合工况往往起到控制作用。为了更好的说明温度效应的影响大小，本文将有温度效应参与的组合工况与大风工况下的组合工况进行对比。按照规范[5，9，10]，工况组合如下：

大风组合工况(HWC)：1.2×SW+1.3×D11+1.4×Wmax。

温度参与组合工况(TC)：1.2×SW+1.0×Δt+0.85×(1.3×D11+1.4×Wmax)。

其中，SW为结构自重；D11为导线荷载；Wmax为大风荷载；Δt为温度荷载(此处为+35 ℃)。

通过分析统计，在表2中分别列出了端跨出线构架梁下弦杆，中部出线“A”形柱以及端部带端撑“A”形柱在上述两种组合工况下的轴力。

表2 两种组合工况下构件内力(压力最大杆件)

由表2可知，对于构件梁，在有温度作用参与的组合工况作用下的轴力反而没有大风组合工况下的大，二者比值为0.89，出现小于1情况的主要原因是组合系数抵消了温度效应微弱的影响；对于中部出线的“A”形柱，温度组合工况的轴力略大于大风组合工况，二者的比值为1.02，这是由于中部出线“A”形柱的温度效应主要由横向梁的温度变形产生，而对于目前的联合构架来说，横向梁的连续长度仅为70 m左右，温度效应较小；对于带端撑“A”形柱，不论“A”形柱还是端撑，温度效应的影响均不可忽视，A形柱轴力的比值达到了1.5，端撑轴力的比值为1.08。所以，在整个联合构件中，由于纵向构架梁连续长度过大，一般6跨～8跨达150 m以上，在温度变形的作用下对构架两端的带端撑“A”形柱产生了较大的温度效应，这样的温度效应必须考虑。除此之外的其他构件，由于温度效应较小，在受力分析时可以忽略。

3 结语

通过本文分析可知，500 kV联合构架在温度变形作用下，温度效应并不是在各构件中均匀分布，而是集中分布在部分构件上。梁的温度效应主要集中于下弦杆，且在工况组合时不占控制作用。柱的温度效应主要来自于梁的温度变形，集中于纵横向两端的构架柱上，特别是纵向两端带端撑的“A”形构架柱。本文所述联合构架，在考虑温度效应后，A形柱的组合轴力相当于不考虑温度效应的1.5倍，端撑为1.08倍，在结果分析中如果没有充分考虑，将给构架的安全带来很大的隐患。除带端撑“A”形以外的普通A形柱由于受横向构架梁温度变形的控制，温度效应不是很显著，考虑温度后的轴力相当于考虑前的1.02倍，在杆件设计中考虑一定量的裕度后便可以忽略温度效应的影响。

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Theresearchofremperatureeffectsonthe500kVunitedframeworkofsubstation

LUQi-liangZHOUYuan-qiangWANGLei

(JiangsuElectricPowerDesignInstitute，Nanjing211102，China)

Based on a practical substation project, the temperature effects on the 500 kV HGIS united framework were calculated and analyzed. Respectively, as the structural members, beams and columns were studied in detail, not only to identify qualitatively the key components which withstand temperature effect, and analyze quantitatively the axial force ratio between the combined load case including temperature effect and the combined load case including high wind. The results of this paper provide a foundation for the analysis and conceptual design of the united framework in the future.

united framework, temperature effect, key component, axial force ratio

1009-6825(2014)33-0031-03

2014-09-12

陆启亮(1985- )，男，硕士，工程师

TU391

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