某变电站220kV构架检测鉴定

吴弥坚

(福建省建筑科学研究院 福建省绿色建筑技术重点实验室 福建福州 350025)

某变电站220kV构架检测鉴定

吴弥坚

(福建省建筑科学研究院 福建省绿色建筑技术重点实验室 福建福州 350025)

本文通过具体的工程实例，详细介绍了变电站构架检测鉴定工作过程及一些经验体会，可为类似变电站构架检测鉴定工作提供参考。

变电站构架；检测；鉴定；承载能力

E-mail:wmj1981@126.com

引 言

随着社会的发展，越来越多的上世纪八十年代建成的变电站构架已超过其设计使用年限，为了贯彻国家的基本建设方针和技术经济政策，做到安全可靠、先进适用、经济合理、资源节约，迫切需求对这些变电站的构架进行检测鉴定评估。

图1 变电站220kV构架结构轴侧图

1 工程概况

本文介绍的变电站220 kV构架为钢筋混凝土柱钢梁构架，构架柱采用钢筋混凝土环形杆，其中(1)-(C) 轴、(1)-(E)轴、(2)-(A)轴、(3)-(A)轴、(10)-(A)轴、(15)-(C)轴及(15)-(E)轴为带端撑人字柱，其余人字柱均为无端撑人字柱；构架梁采用三角形或矩形断面的格构式钢结构梁，现状构架结构轴侧图如(图1)所示。该构筑物分别于1982年及1985年分两期建设而成。

该构筑物使用年限已超过了原设计使用年限，为了解现状构筑物的安全状况，对其进行检测、鉴定。因该构架为重要枢纽变电站构架，根据《变电站建筑结构设计技术规程》(DL/T 5457-2012)的相关规定，其安全等级为二级，结构重要性系数γo为1.0，最低使用年限为50年。

2 变电站构架结构特点及检查方案

该变电站构架根据构架梁断开位置划分为六个子结构。结构特点是柱高而断面细小，属于大柔度结构，其力学模型类似于多跨连续排架-桁架结构，柱下端为固接，柱梁节点为铰接，构架梁仅受轴力作用。变电站构架受力主要以水平荷载为主，承受的主要水平荷载是导线及地线的张力，其次是风力。导线张力的大小与导线的档距、弧垂、自重、引下线重量有关。导线拉力包括出线间隔的高压输电线路的导线拉力、变电站内进线及母线的导线拉力，此数据一般由送电专业或变电专业提供。

根据该构架特点，拟定检查方案：检查地基基础是否存在不均匀沉降，上部结构布置核查，构架柱、梁构件的截面尺寸与偏差核查，钢筋混凝土环形柱的材料及钢筋配置检测，构架柱平面内、外的变形及裂缝检测，构架梁挠度及构件锈蚀、焊缝质量检测，并根据检测数据及提供的荷载、设计资料按现行规范进行承载能力验算。

3 现场检测内容及检测结果

3.1 地基基础

构架柱均采用柱下钢筋混凝土独立基础，采用杯口插入式连接方式。经现场调查、勘测，基础周边地面未见明显沉陷，上部结构未见明显因基础不均匀沉降引起的裂缝及变形。

3.2 上部结构

3.2.1 构架连接构造检查

经现场检查，端撑与人字柱边柱的连接采用销钉连接；钢横梁与人字柱的连接采用螺栓连接；连接人字柱杆段对接处采用钢梁或角钢桁架与预埋钢圈焊接或抱箍连接，符合(DL/T 5457-2012)要求。但钢筋混凝土环形人字柱柱头均采用钢柱帽连接，未设置剪力板如(图2)；钢梁单角钢主材接头采用单面外包角钢焊接，但外包角钢规格小于被连接角钢规格如(图3)，不符合(DL/T 5457-2012)要求。

图2 钢柱帽未设置剪力板 图3 外包角钢规格小于被连接角钢规格

3.2.2 构架施工质量检测

现场抽样检测施工质量，结果如下：

(1)结构平立面布置与原设计基本相符。构架柱截面尺寸、根开及柱高比、钢梁截面尺寸及跨高比均与设计基本相符。但避雷针高度较原设计降低6 m；部分钢柱帽顶板或加劲板厚度较原设计变大一个规格。

(2)采用回弹法[3]检测的钢筋混凝土构架柱现龄期砼强度均可满足设计强度等级300#的要求。

(3)所检钢筋混凝土构架柱钢筋配置基本符合设计要求。

3.2.3 构架构件工作现状检测主要结果

(1)人字柱及横梁挠度变形

采用全站仪检测的多数构架柱平面内、外挠度变形超过规范规定的人字柱允许挠度值，少数构架梁挠度值超过规范规定的构架横梁允许挠度值[1]。

(2)钢筋混凝土人字柱、钢构件及其连接节点工作现状及焊缝质量检查

经现场检查发现，由于年久失修，个别构架柱局部混凝土胀裂脱落、钢筋锈蚀；多处钢柱帽、钢横梁、避雷针、柱顶连接节点表面出现锈斑，个别钢横梁严重锈蚀；个别上柱与人字柱连接节点焊缝存在未焊满、不均匀现象，连接不可靠；个别上横梁与上柱连接螺栓缺失或锈蚀；个别带端撑构架柱柱间三角形连接件与柱预埋钢圈连接处锈蚀，螺栓未拧紧、焊缝不均匀，等病害如(图4～图7)。

图4 构架柱混凝土脱落，钢筋外露、锈蚀 图5 钢横梁严重锈蚀

图6 三角形连接件与柱预埋钢圈连接处锈蚀 图7 人字柱柱帽节点板构件局部锈蚀

4 变电站构架承载能力计算

根据现场检测数据并结合设计图纸，采用通用有限元软件SAP2000进行结构承载力验算分析。根据本工程构架的分布特点，以整体构架梁断开为结构缝，将整个构架分为多个子结构，分析则以单个子结构分别进行，具体计算如下：

4.1 荷载及荷载工况

变电站构架受力主要以水平荷载为主，承受的主要水平荷载是导线及地线的张力，其次是风力。导线张力的大小与导线的档距、弧垂、自重、引下线重量有关。导线拉力包括出线间隔的高压输电线路的导线拉力、变电站内进线及母线的导线拉力，此数据一般由送电专业或变电专业提供。

4.1.1 计算分析考虑作用在构架上的荷载主要如下：

永久荷载：结构自重、导(地)线自重所产生的垂直荷载和水平张力；

可变荷载：风荷载、安装及检修所产生的荷载[1]。

4.1.2 计算构架承载能力极限状态的三种基本工况为：

运行工况：最大风气象条件下的导线张力，最大风速作用下的结构风压，风向与导线作用方向垂直。最低气温条件下的导线张力、自重。

安装工况：安装气象条件下的导线张力，结构风压，计算风速取v=10 m/s,计入紧线产生的垂直荷重，同时梁上的紧线相有2 kN的人及工具的集中荷重，只按单相紧线计算，不安三相同时紧线计算。

检修工况：单相或三相导线同时上人条件下的导线张力，结构风压，计算风速取v=10 m/s,横梁上不作用任何附加荷载。

在计算温度变化作用效应时，可按冬季低温或夏季高温条件下安装，在最大风环境气温条件下运行，产生的温度应力应与最大风工况的导线张力和最大风荷载组合[1]。

4.2 材料强度

砼强度：根据检测数据，构架柱砼强度等级取C28。

钢筋强度：带肋钢筋B强度值取300 MPa，光圆钢筋A强度设计值取210 MPa。

4.3 计算长度的确定

本工程构架柱柱脚均为固接，平面内均设有水平横杆，根据《变电站建筑结构设计技术规程》(DL/T 5457-2012)规定，人字柱水平横杆上下段计算长度系数平面内均取1.00，平面外取0.60；端撑构架柱计算长度取0.7。格构式钢横梁的计算长度系数按现行《钢结构设计规范》的规定计算确定。

4.4 验算分析

采用SAP2000有限元程序建立该子结构整体有限元分析模型，如(图8、9)所示(因该构架由多个子结构组成，限于篇幅，本文仅给出其中一个子结构计算结果)。

图8 整体分析模型 图9 局部模型

4.4.1 上部钢结构验算结果

长细比验算结果：上部钢结构构件长细比最大值接近200，为钢横梁的腹杆(直径为16圆钢)，可满足《变电站建筑结构设计技术规程》(DL/T 5457-2012)第6.3.1条及《钢结构设计规范》(GB 50017-2003)第5.3.8条和第5.3.9条要求。但GZ-(1)-(C)三角形连接件之间所有拉杆的长细比均超过300，不满足《钢结构设计规范》(GB 50017-2003)第5.3.9条要求。

强度和整体稳定验算结果：上部钢结构构件应力比最大值为0.64，为钢横梁的腹杆(直径为18圆钢)，其余应力比均较小，满足《变电站建筑结构设计技术规程》(DL/T 5457-2012)第7.2.3规定。

4.4.2 人字柱验算结果

长细比验算结果：根据《变电站建筑结构设计技术规程》(DL/T 5457-2012)第6.3.4规定，钢筋混凝土环形构件长细比计算公式如下：

λ=3.35L0/D

式中：L0——构件的计算长度；D——构件的外直径。

由上式可得，钢筋混凝土环形截面人字柱的最大长细比：λ=3.35×15000/300=168<180，满足《变电站建筑结构设计技术规程》(DL/T 5457-2012)第6.3.3规定。

强度验算结果：根据《变电站建筑结构设计技术规程》(DL/T 5457-2012)第8.2.1规定，钢筋混凝土环形构件的承载力应满足下列条件：

M≤Mu

N≤Nu

式中：M——弯矩设计值；N——轴心力设计值；Mu——受弯构件的承载力设计值；Nu——轴心受压或偏心受压构件的承载力设计值。

根据《变电站建筑结构设计技术规程》(DL/T 5457-2012)第8.2.2～8.2.6规定，可分别求得钢筋混凝土环形截面柱受压、受弯承载力设计值，Nu=151.45 kN(人字柱标高为15.000 m)，Nu=288.94 kN(人字柱标高为10.000m)；Mu=75.46 kN.m。

经计算分析可知，人字柱标高为15.0m轴力最大值为185.73kN<288.94 kN，人字柱标高为10.0 m的轴力均小于151.45 kN；弯矩最大值为18.25 kN.m

4.5 验算小结

除带端撑构架柱三角形连接件拉杆长细比不满足要求外，其余上部钢构件及下部人字柱的长细比、强度和整体稳定均可满足《变电站建筑结构设计技术规程》(DL/T 5457-2012)和《钢结构设计规范》(GB 50017-2003)的相关规定。

5 检测结论及处理意见

以上分析表明，该变电站构架地基基础、上部承重结构等的安全性基本可满足规范要求。但尚存在部分构件长细比、人字柱柱头钢柱帽连接、钢梁单角钢主材接头连接、构架柱及钢横梁的挠度变形不满足规范要求，个别构架柱局部混凝土胀裂脱落、钢筋锈蚀，多处钢横梁、避雷针、柱顶连接节点表面出现锈斑，个别钢横梁严重锈蚀，连接节点焊缝存在未焊满、不均匀现象，连接不可靠等问题，建议进行处理。

6 总结

变电站构架的检测鉴定应根据结构破坏可能产生的后果的严重性，采用不同的安全等级和结构重要性系数，最低年限也应根据不同的构架类型及变电站电压等级来确定。

相对于普通建筑物项目的检测鉴定来说，变电站构架在现场检测过程中应检查构架柱、梁的连接构造，人字柱的平面内、外变形及构架梁挠度变形；并注意在经过一段时间使用后，钢筋混凝土环形杆较易出现纵、环向裂缝以及内部钢筋锈蚀老化等问题；钢结构构件较易出现锈蚀现象及连接节点焊缝是否可靠等问题。

验算时可采用空间有限元计算软件进行分析，一般可按空间杆系结构或空间桁架结构进行分析计算，结构建模时注意整个结构必须是不变体系，所有节点必须是稳定的节点，如交叉腹杆不得中断，否则交叉节点在杆件平面外将形成可变体系。变电站构架承受的荷载主要以水平荷载为主，包括导线及地线的张力，其次是风力；还应注意不同结构形式的构架人字柱的计算长度取值，格构式钢结构的计算长度系数应按现行《钢结构设计规范》的规定计算确定。

另外，由于变电站构架的检测过程涉及到高空、带电作业，对于这类工程的现场检测，应对检测工程师进行相关培训，达到要求后方能上岗。

[1]DL/T 5457-2012,变电站建筑结构设计技术规程[S].

[2]GB 50204-2002,混凝土结构工程施工质量验收规范[S].

[3]DBJ 13-71-2006,回弹法检测混凝土抗压强度技术规程[S].[4]JGJ 8-2007,建筑变形测量规程[S].

[5]GB 50017-2003,钢结构设计规范[S].

Inspection and Appraisal of 220kV Substation structures

WUMijian

(Fujian Academy of Building Reasearch, Fujian Key Laboratory of Green Building Technology, Fuzhou 350025)

Through a practical case for substation structures, the process of detection and appraisal of substation structures was introduced in detail in this paper, and some experience was also demonstrated. The case can be a reference for the similar ones.

Substation structures；Inspection; Appraisal；Bearing capacity

吴弥坚(1981- )，男，工程师。

2015-04-01

TU3

A

1004-6135(2015)05-0037-04