某项目750 kV变电构架结构选型及滑移支座应用

2018-03-05张慧斌

山西建筑 2018年4期

张慧斌

(同济大学，上海 200092)

0 引言

近年来，随着我国经济的不断发展，用电负荷快速增加，电网建设也得到了快速发展，并且建设规模越来越大。在变电站构架结构中，由于钢结构的快速发展，钢结构的应用更是迅速增长，特别是500 kV及以上等级的变电构架工程中，钢结构已被全面采用[1]。变电站构架中，按通常的做法会在变电构架中设置温度缝，使其分成独立的温度区段，从而满足规范对结构设计的要求。如果不考虑温度效应的影响，会导致变电站占用更大的面积，消耗更多的资金[2]。

综合考虑以上因素，在对本项目不进行伸缩缝的设置的情况下，为了减弱温度作用的影响，本文进行了结构选型优化，选用对温度效应不敏感的结构形式，同时在不影响结构连续性的前提下考虑设置滑移支座进一步释放温度效应，并通过有限元分析对比验证超长构架采用滑移支座的可行性。

1 项目概况

本项目站址微地貌单元为前缓坡丘陵，地形起伏北侧较大，南侧较小，最大高差约5 m，年平均气压为878.3 hPa。所处地的温差比较大，累年平均最高气温为43 ℃，累年平均极端最低气温为-32 ℃。

结构受荷形式除了包括导线传递的张力、风压、垂直荷重等荷载，还包括构架自身的基本风压、地震荷载、温度荷载。其中，考虑温度荷载及风荷载作用下的承载能力极限状态，按照+35 ℃和-30 ℃的温差进行取值；考虑风速和温度荷载的正常使用极限状态，取风速值为10 m/s，取温度差为+50 ℃和-40 ℃。抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.20g，设计地震分组为第三组，设计特征周期0.45 s。

变电构架总长394 m，拟采用10跨连续构架形式，左右对称位置的6个边跨跨度分别为39 m，中间4跨跨度为40 m。按照《变电构架设计手册》要求[3]，需要设置温度伸缩缝的影响，但考虑到需要配套的GIS设备[4]。GIS(Gas Insulated Switchgear)是气体绝缘全封闭组合电器，其配套的设备和部件要全部封闭在金属接地的外壳中，并在其内部充有一定压力的SF6绝缘气体，不宜设置温度缝。所以有必要通过结构构架选型的优化来降低温度荷载的影响，并通过结构措施及安装滑移支座释放掉不利的温度效应。

2 结构选型优化

变电构架结构可以选用等截面普通钢管结构、变截面高强度钢管结构、格构式钢结构、人字形构架结构等[5]。等截面普通钢管结构的连接形式为刚性法兰连接，具备安装、制作和运输方便的特点；变截面高强度钢管结构具备质量轻、强度高、控制严格、外观优美的特点。由于等截面普通钢管结构和变截面高强度钢管结构在国内主要应用于500 kV变电构架中，所以基于项目自身的特点(750 kV变电构架)，本文对格构式钢结构构架和人字形构架结构分别进行静力分析和关键部位的杆件内力、位移对比，进而得出方案必选结果。

2.1 格构式构架

格构式构架的模型形式如图1所示，格构式构架整体刚度好，受力均匀，可以充分发挥构件的作用，组合成整体体系来抵抗温度变形。并且单个构件受力小、变形小，但整体变形一般较大，且构件以轴向受力为主。

为了更准确的衡量温度对变电构架的敏感程度，引入温度效应系数μ[6]。

(1)

其中，s1为温度荷载作用下构架温度效应极值;s2为对应温度荷载组合作用下构架效应极值。

通过建模分析，格构式构架柱顶最大侧向位移的温度效应系数为0.87，柱最大内力的温度效应系数为0.46，支座最大反力的温度效应系数为0.35。

2.2 人字柱构架

人字柱构架的模型如图2所示，对于人字柱构架，除了最中间柱的型式为双人字组合柱以外，其他柱都为单人字柱型式。人字形构架具有中部刚度大，能对外侧的构架提供有效的侧向支撑的功能[7]。

经计算可知，人字形构架柱顶最大侧向位移的温度效应系数为0.19，柱最大内力的温度效应系数为0.16，支座最大反力的温度效应系数为0.17。

表1 温度效应系数对比

结构型式位移内力反力格构式构架0.870.460.35人字柱构架0.190.160.17

从表1中可以看出，与格构式构架相比，人字柱构件的温度效应有了很大的减弱，柱顶最大侧向位移、柱最大内力、支座最大反力的温度效应系数分别减少了78.2%，65.2%，51.4%。同时对于人字柱构架的受力的特点，温度效应引起的轴力几乎为零。由于内力的增加必然导致材料用量的增加，从而产生更大的温度作用。综上所述，人字柱组合构架形式更加适合本项目的选型要求。

3 滑移支座的应用

通过以上布置型式的调整，人字柱构架布置型式的温度效应系数得到了明显的降低，同时构架柱温度效应由轴力变成了弯矩，改变了温度的内力性质，降低了温度对构架柱的影响。

由于不进行伸缩缝的设置，特此引入滑移支座来进一步降低温度的影响。滑移支座采用的是变刚度弹簧，在滑移行程内时，提供较小刚度，超过滑移行程时，等效为刚接[8]。滑移支座的作用是释放温度效应，设置了变形余量，可以有效地释放温度应力，同时温度区段也能满足《变电构架设计手册》要求。在现有的实际工程中，有多种结构通过安装滑移支座来替代温度伸缩缝的影响[9]。本文同样考虑滑移支座的安装并选取最外侧柱顶位移作为分析的主要参数。

接下来从滑移支座安装位置和滑移行程两个方面进行有限元结果的分析比较。分析的主要内容为温度效应在使用滑移支座后的变化。此处按照规范规定，温度取极端低温-40 ℃，极端高温50 ℃，计算后取不利效应进行比较。

3.1 滑移支座安装位置的影响

为了更好的查看滑移支座安装位置的影响，在此将滑移支座的行程统一设置为100 mm，且所选用的构架结构类型都为人字柱的构架类型。同时将人字柱构架结构进行温度区段的划分，左边S5,S4,S3三跨为第一温度区段，中间S2,S1,S1,S2四跨为第二温度区段，最右边S3,S4,S5为第三温度区段，如图3所示。

本文考虑两种滑移支座安装位置，第一种将滑移支座对称安装在第二跨的内侧，如图4所示。

对于第一种情况，温度荷载作用下滑移支座右侧靠近双柱位置的节点位移为65 mm，支座左侧节点位移为62 mm，滑移支座的相对位移量为3 mm。温度工况位移如图5所示。

第二种将滑移支座对称安装在第三跨的内侧，如图6所示。

对于第二种情况，温度荷载作用下，滑移支座右侧靠近双柱位置的节点位移44 mm，支座左侧节点位移为-4 mm，滑移支座的相对位移量约为48 mm。温度工况位移图如图7所示。

表2 温度区段变形量对比 mm

温度作用第一温度区段第二温度区段第三温度区段第一种情况47.5124.747.5第二种情况59.790.359.7

由表2可见，对于相同的温度区段的划分，第二种情况各区段之间的变形量更加均匀，邻段之间的变形差值相对较小。因此将滑移支座安装在第三跨内侧更加合理有效。

表3 滑移支座处相对位移对比 mm

由表3得出，支座两侧节点相对位移有所不同，第一种和第二种情况的相对位移分别为61.3 mm和57.1 mm，两种情况相差了6.9%。基于第二种情况下的相对位移值，对于滑移支座的滑移行程的设置不应小于60 mm。同时考虑风振、地震作用下，仍希望构架结构作为整体受力，因此在荷载作用下，滑移支座要尽快达到限位处，要求可滑移行程不应过大。

3.2 滑移支座滑移行程的影响

为了确定较合理的滑移行程，分别设置100 mm和60 mm的滑移限值，分析在纵向风载作用下结构的响应，结果如图8，图9所示。图8为滑移支座行程100 mm的人字柱构架的位移云图，图9为滑移行程60 mm的人字形构架的位移云图。

通过对比分析，滑移行程为100 mm的构架柱顶最大位移为561 mm，如图8所示，滑移行程为60 mm的构架柱顶最大位移为476 mm，如图9所示，方案四在位移上比方案三减少了15.2%。充分考虑温度效应作用的情况下，60 mm的支座滑移位移已能够满足要求，加上滑移行程为60 mm时，构架柱顶的位移又有所减小。综合以上分析，滑移支座的滑移行程选取60 mm最为合理。