无端撑多棱高强钢管构架的应用研究

李涛

摘要：全户外GIS型变电站，构架区布置对站址占地面积影响较大，无端撑多棱高强钢管构架其特点可有效减少占地面积，减小土方降低投资。

关键词：无端撑多棱高强钢管构架;无端撑变电构架

引言

目前330kV及以下变电所钢构架普遍柱采用螺旋或直缝焊接钢管组成“A”字形柱，钢梁采用三角形断面格构式钢梁，主材采用无缝钢管或角钢，主腹材通过节点板用螺栓或焊接连接，柱与梁组成铰接排架，端部设置斜撑以抵御导导线张力。此种构架未能充分利用钢材强度，随着荷载的加大，采用高强度的钢材才能满足要求。

一.多棱高强钢管构架的介绍

多棱钢管结构作为一种技术先进、外型美观的新型结构已经被外国公司引入到国内，在低电压等级的变电所、线路工程中试用，得到了良好的效果。此种结构在国电电力建设研究所进行了真型试验，对试验样品进行了6种工况的试验。其中100%荷载整体试验及梁140%荷载部件试验表明构架能够满足试验方案相应指标要求;通过三种不同构造形式的单柱接头试验，表明进一步加强柱头构造形式更合理。它和目前我国普遍采用的钢构架型式不同之处：

（1）钢梁采用封闭式多边形钢管梁，形成空间框架。

（2）梁柱刚接，使纵向平面内具备一定的刚度。

（3）构架采用的ASTM A572 Gr65高强度钢材和国内Q235B钢相比，其物理指标比较见表1，其化学成分比较见表2。表中可以看出ASTM A572 Gr65钢材有较好的强度和延性。由于严格地控制了微量元素硅（Si）的含量，使得喷铝效果得到改善，钢材表面和锌层的结合更紧密，可以长时期地免维护。

（4）两种构架形式的特点比较（见表3）。

二.多棱钢管构架型式的特点

多棱钢管构架为空间框架体系，梁柱刚接共同作用。由于梁柱刚接，其在平面外亦具备一定的刚度，存在取消端撑的可能性;横梁采用封闭多边形钢管梁，不存在强、弱轴之分，各向同性。梁为等截面梁，从受力分析上完全可以避免传统形式桁架梁在不同工况下受拉或受压存在局部杆件超限的情况。由于其结构型式简洁，计算理论和实际受力相近，结构可靠性高;全部为螺栓连接，现场组装更容易。采用了分体式A型架柱头（梁柱节点），方便地实现自动化焊接，便于工业化大生产，产品质量也容易保证。

三.技术问题探讨

（1）多棱钢管替代传统圆钢管从断面特性上来看，随着多棱管边数的增多，其截面特性越接近，12边形以上的多棱钢管的截面力学性能基本上与圆钢管相同，在截面面积相近时可以互相替换。由于圆钢管A字构架的计算、设计理论已较成熟，加之目前在电力行业内已有多家专业生产厂商，能保证多棱钢管的加工质量满足电力行业的使用要求，采用多棱钢管柱替代传统圆钢管柱是可行的。

（2）梁柱刚接

鉴于构架形式的改变，原来传统的桁架梁与柱铰接的连接方式己不适应新的构架形式，采用《变电站建筑结构设计技术规程》DL/T5457-2012中图7.3.7-2及《构架设计手册》5.2节，梁柱刚接的节点。这种型式适合机械化制造，现场安装方便，但对于设计有较高的要求。

（3）温度应力

由于新的结构形式改变了连续构架的节点连接方式，梁柱改为刚性连接，连续梁长度可能达100～120m以上，温度应力对结构内力的影响就显现出来了，以下是对结构内温度应力的分析：

1）《钢结构设计标准》GB 50017-2017第3.3.5条：露天结构的温度区段长度（伸缩缝的间距），当不超过120m时，可不计算温度应力。《构架设计手册》3.1.3.6节为连续刚架，当其总长度超过lOOm时，应考虑温度作用效应的影响。

2）通过对构架的理论计算表明端撑的存在使得温度應力作用更明显，这是因为端部的约束使得结构不易释放温差而引起变形，约束更强构件的内应力增加越明显;另外，同环境下高强度钢材较之普通低强度钢更能抵抗温度应力，两者的弹性模量和温度变形系数相同，因此产生的温度应力也是相同的，同样的温度应力，应力比高强度钢材优于普通钢材很多。温度变化会对构架的受力产生有限的影响，可以通过给结构构件预留强度储备来确保结构的安全，相对于普通低强度钢材，高强度钢材在抵御温度变化上有很大的优势。

3）在巨大的温度变化下，构架的柱底、地面会有一定程度的变形，从而使整个结构的受力松弛。温度应力的影响应比理论计算小一些。

（4）两种构架形式经济比较

无端撑多棱高强钢管构架在结构形式、材料性能等很多方面体现出优越性。鉴于此，在某220kV变电站设计阶段其与桁架梁构架形式作了经济比较，无端撑多棱高强钢管构架耗钢量仅为传统构架的80%左右。由于单价不同，两方案造价相差相当。

四，结束语

综上所述，多棱高强钢管构架通过合理的受力计算取消端撑，采用高强钢管后将减小构架区占地面积。其特点可应用于山地型（全户外GIS）变电站，使土方减少，以降低土建总投资。作为一种工艺先进、技术领先的新型构架，其安装方便，长期免维护、占地小的优势，在中国的变电构架市场中会占有一席之地。

参考文献

[1]中南电力设计院.构架结构设计手册

[2]钢结构设计标准.中国建筑工业出版社，2017