浅谈变电站构架结构选型与优化

谢忠强

（福建永福工程顾问有限公司）

浅谈变电站构架结构选型与优化

谢忠强

（福建永福工程顾问有限公司）

随着我国经济的快速发展，电力工业在国民经济中的作用日益突出。变电站是电网系统的重要组成部分，其建设水平也在不断提高。作为变电站主要的构筑物，屋外配电装置构架发展也取得长足的进步，形成多种多样的结构形式。本文试对应用较为成熟的钢管结构和格构式结构两种形式进行比较分析，探讨构架结构形式的选择与优化。

钢管式构架；格构式构架

1　工程概况

某220kV变电站位于江西省景德镇市，站址自然条件：

（1）极端气温-13.4～40.8℃。

（2）离地10m高统计所得的30年一遇10min平均最大风速20m/s。

（3）历年最大积雪深度20cm。

（4）地震烈度Ⅵ度，动峰值加速度0.05g，特征周期0.35s。

2　构架结构形式

构架是变电站最主要的构筑物之一。国内各地区的自然条件和经济发展水平的多样性，造就了多种多样的构架结构形式。目前常见的结构形式有：

（1）钢管人字柱结构。柱采用直缝焊接钢管人字形结构，梁采用格构结构（断面为三角形），梁柱连接为铰接。

图1　钢管人字柱结构

（2）高强钢管梁柱结构。梁柱均采用多边形高强钢管，钢材强度等级为Q460。梁柱连接为刚接（如图2）。

（3）格构式梁柱结构。柱和梁全部采用截面较小的角钢或钢管组装而成。柱为自立式等截面或变截面的四边形格构式结构，梁采用四边形断面的格构式结构，梁柱连接为刚接（如图3）。

图2　高强钢管梁柱结构

图3　格构式梁柱结构

此外，早期尚有预制混凝土环形杆结构、现浇钢筋混凝土结构和打拉线结构等。由于工艺落后，可靠性低，已逐步淘汰，故不做更多介绍。

国内500kV及以下电压等级的变电站中，应用最多的是钢管人字柱结构和格构式梁柱结构。具备采购加工方便、价格低廉、生产及安装工艺成熟的特点。高强钢管梁柱结构为上海维蒙特公司开发推广（其母公司为美国维蒙特工业公司），由于采用的Q460高强钢为美国ASTMA572gr65标准，国内只有宝钢一家生产，同时也只有上海维蒙特一家加工，造成钢材单价较高，上海以外的地区还需考虑较高的运输成本，所以采用这种该结构的变电站目前还十分有限。

下文就钢管人字柱结构和格构式梁柱结构进行空间整体建模计算及比较。在全寿命周期成本管理理念下，选择较优的结构方案。

3　设计使用条件

3.1工艺布置

本工程电气采用管母方案，构架工艺布置透视图如图4。

3.2荷载效应及组合

3.2.1导线在各工况下的荷载（如表1）

3.2.2结构的风荷载

站址离地10m高统计所得的30年一遇10min平均最大风速20m/s，地面粗糙度B类。换算风压值为0.25kPa，考虑到220kV变电站的设计使用年限为50年，应按《建筑结构荷载规范》附录E中提供的50年一遇的风压采用，且不得小于0.3kPa。所以本工程设计基本风压取0.30kPa。

3.2.3温度作用

图4　220kV配电装置及避雷针

表1　

按照《变电站建筑结构设计技术规程》（DL/T5457-2012）规定，当两端设有刚性支撑的连续排架总长超过150m、或连续刚架总长度超过100m时，应考虑温度效应的影响。本工程构架总长不超过75m，站址所在地极端气温-13.4～40.8℃，ΔT=54.2℃，不属于温差特别大的地区，故可不考虑温度作用的影响。

3.2.4地震作用

本工程为Ⅵ度抗震设防，动峰值加速度0.05g。构架属于大柔度的细长结构，自重轻，抗震性能好。大量工程实践分析表明，Ⅶ度区500kV及以下等级的构架不受地震作用控制。

3.2.5覆冰荷载

电气专业导线拉力计算结果中已相应考虑了导线覆冰的工况，结构自身的覆冰按10mm考虑。

3.2.6荷载效应组合

《变电站建筑结构设计技术规程》规定220kV构架结构安全等级应取二级，结构重要性系数γ0=1.0。构架应考虑不同工况下可能产生的最不利受力情况，并考虑远景可能存在的变化，分别按承载力极限状态和正常使用极限状态进行荷载效应组合。

（1）承载力极限状态荷载效应组合

该组合用于校验结构构件和连接节点的强度、稳定性。按承载力极限状态进行组合时，应考虑基本组合和偶然组合两种情况。本工程管母单独设置支架，因短路引起的偶然电动力不会对构架产生影响，所以只需考虑荷载效应基本组合。主要包括：

①运行工况a.大风工况：

b.覆冰工况：

②安装工况：

③检修工况

式中：Gk——结构自重及其余荷载效应标准值；

Wk——最大风工况下导线的侧向风偏荷载以及结构自身风荷载的标准值；

W10k——10m/s风速下导线的侧向风偏荷载及结构自身风荷载标准值；

D11k——最大风工况下导线荷载效应标准值；

D12k——覆冰工况下导线荷载效应标准值；

D21k——安装工况下紧线的导线荷载效应标准值；

D22k——安装工况下非紧线的导线荷载效应标准值；D31k——单相上人检修时导线荷载效应标准值。

（2）正常使用极限状态荷载效应组合

该组合用于校验结构构件在日常使用中产生的变形、裂缝等。按正常使用极限状态进行组合时，采用荷载效应标准组合。

安装或检修工况：Gk+D22k+W10k

正常使用工况：Gk+D11k+0.5Wk

4　空间模型计算分析

变电站构架的受力特点是以承受水平荷载为主，来自于导线及地线的张力，其次是风力。随着空间有限元分析计算软件的普及，设计单位可以对构架进行整体建模，准确计算构架不同部位杆件的内力，细化构件材料，理论上可以做到每根构件的应力都充分使用，为经济可靠的构架结构设计提供了有力支持。

本工程采用STAADPro空间有限元计算分析软件，对两种结构形式分别建模计算。

4.1焊接钢管结构

4.1.1模型及荷载输入（如图5）

钢管人字柱结构的梁与柱为铰接，梁不参与柱段间的弯矩分配。为简化模型输入，减少杆件数量并加快计算速度，钢梁按照等重等刚度原则简化为单根杆件输入。模型用于分析柱的内力和支座反力，钢梁则单独计算。每排人字柱其中一根边柱设置端撑杆。

图5　钢管人字柱结构空间模型

钢梁的两端设为铰接；端撑杆顶部通过销钉与钢柱柱头连接，可自由转动，设为铰接；此外带端撑的构架柱上设置2道横向支撑，旨在减小端撑杆的计算长度，通常选取截面较小的角钢作为横撑，设为铰接。除以上自定义的约束条件外，所有梁元的连接均默认为刚接。

构架的受力不同于一般的工业及民用建筑。作为通用的有限元分析计算软件，STAADPro无法自动生成构架荷载，也无法自动进行正确的荷载组合。所有的导线荷载、结构自身风荷载及覆冰荷载、对应各工况下的荷载组合均采用手工输入的方式。

4.1.2内力计算及后处理

通过结构荷载及组合的计算分析，得出各杆件在不同工况及组合下的内力值，各节点的位移值，各支座的反力。对内力分析结果进行整理统计，承载力极限状态荷载效应组合下柱段内力控制值如表2。

表2　承载力极限状态效应组合下控制杆件内力统计

正常使用极限状态荷载效应组合下各柱顶点位移统计如表3。

表3　正常使用极限状态效应组合下节点位移统计

分析结果各主要控制节点的位移均满足规范要求。

4.1.3规范检验及选材优化

规范检验采用SSDD钢结构设计与绘图软件进行。该软件可按照《钢结构设计规范》检验杆件在各种受力状态下的强度、稳定性、变形等。由于构架不同于一般的工业及民用建筑，所以在杆件的某些设计参数，特别是计算长度、截面塑性发展系数等关键的参数取值必须人工干预，要对杆件进行归类，按照《变电站建筑结构设计技术规程》第6章的相关规定，手动设置相应的检验参数，并指定到各自类别的杆件中，再由软件进行验算。

经检验及优化，焊接钢管结构方案最终选材及耗钢量统计见表4。

表4　焊接钢管结构方案主要构件用钢量统计表

以上重量已考虑了节点板、螺栓等附件的重量。

4.2格构式梁柱结构

4.2.1模型及荷载输入

图6　格构式梁柱结构空间模型

该结构中梁柱为刚接连接，钢梁采用四边形断面，跨度为25m，根据工程经验，其高跨比按1/25左右取值是较为经济的，本工程钢梁截面高度取1.0m，宽度同为1.0m。

钢柱采用变截面的结构可以有效降低用钢量，提高经济性。柱顶与钢梁连接处截面尺寸1.0m×1.0m，宽度同钢梁宽度，便于梁柱连接。柱脚尺寸以出线构架为代表，比较了2.0m×1.0m，2.5m×1.5m，1.6m×1.0m三种柱脚根开尺寸后，2.0m×1.0m根开尺寸较为经济，见表5。

表5　根开尺寸及对应的材料规格表

由于格构式梁柱结构的梁柱为刚接。如将钢梁模拟为单杆简化输入，除考虑重量外，还要确保刚度与格构式钢梁相同，且连接节点在模型上模拟比较困难。如按实际杆件输入，杆件数量及数据输入工作量将成倍增加。为使力学分析结果尽可能真实准确，梁柱所有主材、辅材均按实建模，不采用简化输入。

在约束条件设置上，柱脚处支座设为铰接，因为角钢抗弯性能差，设置为刚接会使主材增加额外的弯矩，不利于角钢性能的发挥。

4.2.2内力计算及后处理

采用STAADPro进行内力分析，整理统计后，承载力极限状态荷载效应组合下各类杆件内力控制值如表6。

表6　承载力极限状态效应组合下杆件内力统计

正常使用极限状态荷载效应组合下各柱顶点位移统计如表7。

表7　正常使用极限状态效应组合下节点位移统计

表7中钢梁平面内及平面外分别指钢梁竖向和水平方向的挠度。

4.2.3规范检验及选材优化

由于格构式梁柱结构构件数量大，连接比较复杂，SSDD钢结构规范检验软件无法对每根杆件的支撑条件、计算长度等关键参数做出正确的判断，如果手工定义各杆件的规范检验参数，再逐根指定到相应的杆件上，数据输入工作无疑十分巨大，是不太现实的。因此格构式杆塔结构在利用STAAD软件进行内力计算的基础上，对相似构件进行统计归并，并采取手工校核的方式进行检验。

经过检验分析，对主要由材料强度控制的梁柱主杆，采用强度较高的Q345钢可降低20％左右的钢材；而主要受长细比控制的斜杆，采用强度较高的Q345钢并不能明显降低用钢量，所以斜杆采用Q235钢。

表8　格构式杆塔结构方案主要构件用钢量统计表

以上统计中，已考虑了节点板、连接件等附件重量。

5　两方案全寿命周期成本分析

5.1两方案用钢量统计对比

从表9统计中可以看出，使用格构式梁柱结构后，通过进一步采用变截面的构架柱、钢柱主材采用Q345钢等降低用钢量的措施，用钢量可比采用焊接钢管结构降低了4.85t，约降低8.7％。从当前市场价比较，钢构件生产加工费用差额约为6.9万元。

表9　焊接钢管方案和格构式杆塔方案用钢量对比

5.2两方案全寿命周期成本分析

目前变电站建设已经引入全寿命周期成本管理理念。变电站建设投资中不仅要考虑初期的建设投入，还要考虑在整个寿命周期内的支持成本，包括安装、运行、维修、改造、更新直至报废的全过程。综合考虑结构使用年限范围内的各项成本，从而进行决策。主要计算模型是：

式中：LCC——全寿命周期成本（Life Cycle Cost）；

CI——投入成本，包括采购成本及建设成本（Investment Costs）；

CO——运行成本（Operation Costs）；

CM——维护成本（Maintenance Costs）；

CF——故障成本，亦称惩罚成本（OutageorFailure Costs）；

CD——废弃成本（Disposal Costs）。

作为土建设计人员，除了确保结构安全可靠，造价经济合理外，还必须充分考虑工程的可操作性。设计上通常对尺寸一致且荷载工况比较接近的梁柱作适当归并，目的就是为了减少梁柱的种类和数量，加快生产施工进度。对单个构件体积较大的结构形式，还应从加工、镀锌、运输及市场采购难易方面考虑，要限制材料最大尺寸，尽量减少材料种类，便于备料、加工、安装。

经过两种结构方案的分析对比，除了6.9万元的制造成本差异外，还应从生产、施工、维护等方面综合考虑。

笔者统计了两种结构方案在模型中节点与构件的数量：焊接钢管结构模型：节点数210；杆件数280。

格构式杆塔结构模型：节点数2660，杆件数7400。

可见两者的结构构件数量的差异是巨大的。当然，钢管人字柱结构模型中钢梁为简化输入，一定程度上减少了杆件及节点的数量，但总体仍然比格构式梁柱结构要精简许多。更多的杆件数量意味着更长的制作加工周期，更长的工地组装周期。

钢构架的运行维护成本主要是防腐。经过热镀锌处理后的钢构件防腐能力大大增强，但在使用年限内仍要定期进行补锌维护。钢管人字柱结构比较简洁，构件少，意味着维护方面成本更低。

相比电气设备，构架结构在故障成本及废弃成本占全寿命周期成本的比重相对要少很多。在满足结构可靠度要求前提下，两者故障成本可谓相当。在结构的报废成本上，钢管人字柱结构较格构式杆塔结构略具优势。

通常220kV变电站的建设总投资在7000～9000万元之间，主要是电气设备的购置、安装和调试费用。相对于变电站建设的总投资，钢管人字柱结构虽然物料价格略高于格构式梁柱结构，但在施工工期、运行维护等成本要优于格构式梁柱结构，另外其结构简洁明快，观感更好，在本工程中总体更具优势。

6　结论与建议

经过以上分析比较，笔者认为对常规的220kV变电站构架，在非极端自然条件的地区，从工艺布置、生产加工、安装条件、日常维护及材料报废等因素综合考虑，钢管人字柱结构方案更为适宜和理性，并作为本工程构架推荐的结构方案。

变电站构架在设计、施工、安装上还可考虑进一步优化：

（1）对工艺布置、功能、使用工况做分析和类比，结构布局应整齐简洁。经过细致计算，在降低用钢量的同时对构件做合理归并，有效减少构件种类及数量，缩短生产加工周期。

（2）构件宜工厂分段加工，热镀锌防腐，现场螺栓连接。减少或免除现场焊接工作，加快施工进度的同时构件连接的可靠性更有保证。

（3）柱脚可采用螺栓连接。工厂钢构件生产加工与现场基础施工养护同步进行，有效缩短建设周期。相比杯口灌浆连接方式，螺栓连接一次性完成构架就位安装，免去了二次灌浆湿作业及灌浆凝结养护时间，缩短建设工期的同时也符合环保理念。

TM63

A

1673-0038（2015）22-0203-05

2015-5-18

谢忠强（1982-），男，工程师。