双层双排8连跨联合750 kV构架的设计研究

雷晓标，张 咪，张玉明

(1.中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071；2.西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710075)

随着特高压换流站的大规模建设，±800 kV灵州换流站首次接入750 kV系统，交流滤波器母线构架采用750 kV构架。母线构架是参考以往常规500 kV构架采用钢管A型柱三角形梁结构还是参考750 kV变电站采用矩形钢管格构式梁柱结构； 对于联合母线构架连续8跨共328 m，是按照常规中间设置温度伸缩缝断开成4跨+ 4跨布置还是8连跨布置，都需进行计算比较综合分析，为本站的设计以及后期类似受端换流站的建设提供指导和参考。

1 输入条件

根据电气的布置方式，滤波器场750 kV构架采用联合布置形式，纵向(长向)有8跨连续布置，每跨跨度为41 m，纵向总长为328 m，梁底挂线点高度为32.5 m，地线柱顶标高为48.0 m；横向(短向)梁与纵向梁垂直布置，跨度为42.0 m，其挂线点高度为44.0 m，地线柱顶标高为60.5 m，纵向梁和横向梁空间上双层布置，其高差为11.5 m，柱顶端最长的悬臂长度为16.5 m，详见图1。

图1 透视图

站址所在地50年一遇10 m高10 min平均最大风速采用26.8 m/s，相应风压为0.45 kN/m2。每根梁上单侧或双侧挂三根导线，导线采用四分裂导线，每根导线在覆冰有风工况下最大拉力为85 kN，在梁上的挂线点有“V”串挂线和单串挂线两种方式，构架上的导线布置见图2。

图2 导线布置图

2 母线构架结构选型

750 kV母线构架可参考以往工程采用钢管A型柱三角形梁结构和矩形钢管格构式梁柱结构。钢管A型柱三角形梁结构(方案1)：构架柱采用A型普通直缝焊接圆形钢管；构架梁采用三角形变断面、钢管弦杆和角钢腹杆。矩形钢管格构式梁柱结构(方案2)：构架柱采用矩形从底向上变断面的钢管自立柱，构架梁采用矩形等断面、钢管弦杆和钢管腹杆。两种结构的杆件端头和梁柱接头均采用螺栓连接，柱主材和梁弦杆拼接接头均采用法兰连接。两种结构的计算模型分别见图3、图4。

图3 钢管A型柱三角形梁结构模型

图4 矩形钢管格构式梁柱结构模型

2.1 根开和截面比较

通过空间杆系分析软件STAAD ProV8i对钢管A型柱三角形梁结构和矩形钢管格构式梁柱结构分别建模计算，计算的柱底部根开尺寸、梁截面尺寸和梁柱主材的主要截面大小见表1。

矩形钢管格构式柱窄面的根开为2.5 m，整个结构纵向长度为330.5 m。采用A型柱三角形梁结构时，由于A型柱平面外的刚度很小，只能靠钢管自身的惯性矩来抵抗平面外受力，一般采用在端头A型柱加设端撑(方案1(a))或在纵向中间断开加设剪刀撑(方案1(b))两种方案来满足构架平面外的刚度和位移要求。

表1 柱根开尺寸和梁柱主材截面

(1)A型柱加端撑(方案1(a))

A型柱端撑根开按照《变电站建筑结构设计技术规定》DL/T5457－2012第6.1.7条，一般按柱高的1/5选用，梁挂线点高度为44.0 m，根开即为8.8 m。根据计算，由于风荷载和导线荷载很大，在8跨连续时结构纵向尺寸过长，只在一侧加设端撑很难满足构架高度1/200的位移要求，必须两个端头同时加设两个端撑，见图3。根据工艺布置梁的跨度可因此由41 m减小2.1 m，考虑到两侧端撑及端撑钢管外边缘，则整个结构纵向长度330.3 m，比矩形钢管格构式梁柱结构共减少了0.55 m。针对此种挂线点较高的结构，由于端撑根开太大，其占地较省的优势不太明显。

挂线点在44.0 m和32.5 m的两榀A型柱根开分别为8.8 m和6.8 m，截面分别为Φ750×14和Φ500×10，同一排柱子根开和截面不太一致影响美观。

(2) A型柱中间加剪刀撑(方案1(b))

采用在纵向中部加设剪刀撑，见图5，在纵向中间第四跨边上增加5 m的距离，将相邻两A型柱通过单斜圆钢管连接起来形成格构式截面，横膈采用交叉角钢，同时取消两端头的端撑设置。这种形式在一般A型柱结构中比较常用，此种布置也很好的解决了端撑占地大的问题，整个结构纵向长度为317.15 m，减少13.7 m。

因剪刀撑刚度相比A型柱刚度较大，吸收更多的能量，剪刀撑柱截面需Φ950×14才能满足要求。端部A型柱单侧受力，对纵向梁和横向梁高差11.5 m的悬臂部分极其不利，若在柱顶与下部纵向横梁之间设置支撑杆，则梁上弦杆需增大至Φ299×10。

图5 剪刀撑设置

2.2 用钢量比较

通过采用模型计算用钢量，并参考以往工程统计的节点板、螺栓和法兰等附件的占比，矩形钢管格构式梁柱结构和考虑加端撑、剪刀撑的A型柱三角形梁结构的总用钢量见表2。

表2 两种结构形式总用钢量

表2的结果中，矩形钢管格构式梁柱结构的总用钢量要比加端撑A型柱三角形梁结构的多，主要原因就是格构式梁、柱结构的节点板占比较大；加剪刀撑A型柱三角形梁结构的用钢量比矩形钢管格构式梁柱结构多，主要是由于端部A型柱受力不利，需加大柱截面或设置支撑杆在梁上加大梁上弦截面。

2.3 其余比较

挂线点在44.0 m和32.5 m的两榀构架柱，采用矩形格构式柱时，根开可以保持2.5 m不变，通过调整主材和辅材的截面，可以使一排柱子的截面保持一致，比Φ950×14的圆钢管外观轻巧美观。

特高压换流站内构架受力较大，A型柱构架单根钢管受力很大，安全富裕度相比格构式构架要小，单钢管更多受制于工厂加工质量和现场施工质量，其初始缺陷在设计中未必能充分考虑，一旦某根柱钢管出现问题，极可能出现连续倒塌。

从而，本工程推荐采用矩形钢管格构式构架结构形式。

3 温度作用

根据现行行业标准《变电站建筑结构设计技术规定》DL/T5457－2012第4.4.3条，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连续刚架，应计算温度作用效应的影响。

3.1 构架用钢量比较

整个结构纵向长度为330.85 m，远超过行业标准设置伸缩缝的长度限制。根据常规布置一般在结构中间断开，将8连跨改为4跨+4跨的布置形式。根据插入式基础杯口大小和柱根开尺寸，一般在中间设置5 m的距离。通过对两种布置形式和两种结构形式分别建模计算分析，其结构总用钢量见下表3。

表3 8连跨和4跨+4跨布置用钢量比较

通过上表看出，采用4跨+4跨的布置形式确实能节省3%的用钢量，但是节省的用钢量相比其纵向长度加大5 m来说，其占地和工艺指标不具备优势。

3.2 温度作用对构架内力影响

将4跨+4跨和8连跨布置的结构分别按照纯温度作用、温度作用+风荷载和温度作用+风荷载+导线拉力三种荷载工况进行计算，对A型柱加端撑三角形梁结构(方案1(a))、A型柱中间加剪刀撑三角形梁结构(方案1(b))和矩形钢管格构式梁柱结构(方案2)三种结构型式分别比较分析如下。

(1)温度作用对方案1(a)和方案1(b)的影响

三种工况下两种布置形式的A型柱和三角形梁杆端最大内力的变化情况详见表4、表5。

表4 温度作用对三角形梁的影响

表5 温度作用对A型柱的影响

从表格及相应模型得知，当只有温度作用时，因三角形梁与柱仅下弦铰接连接，构架长度增大1倍，构架梁端最大内力变化幅度不大，柱端最大内力增大数倍。但当同时承受温度作用+大风荷载或同时承受温度作用+大风荷载+导线荷载时，构架长度增大1倍，构架梁端最大内力变化幅度仍然不大，柱端最大内力增大倍数反而减小，说明构架受较大风荷载和导线荷载后温度作用不起绝对控制作用。

采用剪刀撑方案1(b)后柱端最大内力显著加大，且中间剪刀撑部位柱杆件受力最大，其余柱承担的内力相反减小，主要原因是双A型柱组成的剪刀撑刚度相比太大，不如端撑方案1(a)整个结构受力均匀。

(2)温度作用对矩形钢管格构式梁柱结构(方案2)的影响。

三种工况下两种布置形式的格构式构架梁柱杆端最大内力的变化情况详见表6、表7。

表6 温度作用对格构式梁的影响

表7 温度作用对格构式柱的影响

从上述表来看，当格构式构架只有温度作用时，构架长度增大1倍，构架梁柱的端部最大内力基本增大1倍。温度作用的内力跟构架长度基本呈线性增大的关系，且比A型柱三角形梁结构的柱子受力更为均匀，不是集中在某个端撑或剪刀撑部位。

当格构式构架同时承受温度作用+大风荷载时，构架长度增大1倍，梁柱的端部最大内力呈现了与A型柱三角形梁结构相同的规律，且同时承受温度作用+大风荷载+导线荷载时，构架长度增大1倍，构架梁、柱的端部最大内力增幅更小。

从以上看来，当温度作用、大风荷载和导线荷载三者同时存在时，温度作用并不再随纵向长度加长而线性增长。在4跨+4跨中的构件截面在8连跨中大部分仍然可以应用。构架计算中所有起控制因素的大部分是承受温度作用+大风荷载+导线荷载工况，在导线荷载和大风荷载足够大时，4连跨纵向长度为164 m超过限制64 m和8连跨纵向长度超过限制224 m的结果差别不是特别明显。

同时，相比A型柱端撑方案和剪刀撑方案，格构式构架刚度分布更均匀、受力更合理，采用8连跨不用在中间加设伸缩缝，可以节省一列柱子，节省5 m宽度范围占地。所以，最终推荐采用8连跨布置的格构式构架结构形式。

4 构架腹杆布置优化

换流站交流滤波器场母线构架最终首次采用空间双排双层8连跨联合的布置形式，构架梁柱均采用矩形断面钢管格构式结构。常规矩形格构式梁柱两个对立平行面的斜腹杆交叉布置，空间上使两根斜腹杆一根受拉一根受压。考虑母线构架双侧对称受导线水平拉力能自平衡、门型构架受扭转影响较小的特点，将矩形格构式梁柱两个对立平行面的斜腹杆平行布置，同时将矩形格构式梁柱单个面的斜腹杆由“之”字形布置改为平行布置，使750 kV构架的节点种类减少一半，透视感更强，外面立面更美观简洁，见图6。

图6 构架柱斜腹杆布置

5 结论

换流站内交流滤波器母线构架纵向总长328 m、横向总长41.5 m，采用空间双排双层8连跨的矩形钢管格构式联合构架，其结构形式安全合理。优化后的构架外面立面美观简洁。对提高变电构架的设计水平有重要的促进作用。