750 kV联合构架结构型式的比较与选择

王宁璧，王甲麟

(1.中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710075；2.中国电力工程顾问集团新能源有限公司西安分公司，陕西 西安 710032)

0 引言

为了进一步缩减变电站占地规模，节省土地资源，户外敞开式布置的构架采用联合构架结构，由进出线梁柱、母线梁柱组成，母线梁与出线梁垂直布置。目前国内500 kV及以下电压等级的联合构架一般采用全钢管人字柱结构；750 kV及以上电压等级的联合构架一般采用全钢管格构柱结构，而在风压较小的地区，也有少数导线拉力较小、挂点较低的联合构架采用全钢管人字柱结构。对于750 kV联合构架中导线拉力较大、挂点很高的出线构架采用钢管格构式梁柱比较合理；而导线拉力较小、挂点较低的母线构架如果仍采用钢管格构式结构，就会暴露出其材料利用率低、占地面积大的缺点。全钢管人字柱结构在受力特性方面较之全钢管格构柱结构略差，但前者平面外尺寸更小，因此可压缩结构间隔宽度。本文提出一种新的联合构架结构型式，即钢管格构进出线柱加母线人字柱结构，该结构能将钢管格构式结构和钢管人字柱结构的优点充分利用，同时满足结构受力和变形的要求。文章通过对三种结构型式的受力特性、钢材量及占地面积分别进行论述和比较，提出优化后的联合构架结构型式。

1 750 kV联合构架结构型式的受力特性

目前在750 kV联合构架中应用的两种结构型式，即全钢管人字柱结构和全钢管格构柱结构，实景照片如图1、图2所示。本文提出的钢管格构进出线柱加母线人字柱结构型式目前还没有完整应用到具体工程中。下面对三种结构型式的受力特性进行分析。

图1 全钢管人字柱结构

图2 全钢管格构柱结构

1.1 全钢管人字柱结构

构架柱采用人字柱，钢管采用直缝焊接圆形或多边形钢管；构架梁采用变截面的钢管三角形格构梁，钢管弦杆、角钢腹杆，节点板螺栓连接。梁柱整体铰接，构架柱、梁弦杆拼接采用法兰连接。

由于人字柱结构平面外的刚度很小，仅靠钢管自身的惯性矩和模量无法抵抗平面外的受力，因此在建设时一般采用在构架纵向端部加设端撑或在中部加设剪刀撑的方式来满足平面外的刚度和位移要求。此外，由于钢管人字柱与三角形格构梁之间整体为铰接，两者无法协同受力，导致三角形格构梁的跨中弯矩和挠度很大，人字柱截面和所受拉压内力相应较大，容易出现管壁内凹的局部屈曲。

三角形格构梁在梁跨度较大时，为了减小跨中挠度，需要较大的梁截面尺寸，在柱头连接处又要考虑预留格构式地线柱的位置，因此柱顶板悬臂较长，顶板下需要增加较多的加劲板，造成柱头处结构受力复杂，计算假定与实际差别较大的情况，进而导致钢管人字柱柱头处工厂焊接工作量大，柱头与顶板的相贯焊、与加劲板的角焊缝交错且集中，焊缝应力集中明显，焊接及镀锌变形都很大，也给运输增加了难度。

敞开式布置的人字柱联合构架柱头处、母线梁与进出线人字柱连接处等节点受力复杂，节点的极限承载能力目前还没有详细的计算规定，需要通过试验和有限元计算等方法确定。

1.2 全钢管格构柱结构

构架柱采用变截面钢管格构矩形柱，钢管主材、钢管腹杆，节点板螺栓连接；构架梁采用等截面钢管格构矩形梁，钢管弦杆、钢管腹杆，节点板螺栓连接。梁柱整体刚接，构架柱、梁弦杆拼接采用法兰连接。

钢管格构式梁柱为整体刚接，格构柱承担格构梁传来的梁端弯矩，从而减小格构梁跨中弯矩。多跨连续布置时格构梁为连续梁，结构受力均匀，格构梁跨中挠度小，材料利用率高，整个结构刚度很大。钢管格构式梁柱的协同受力在大跨度、作用荷载很大的结构中优势尤为突出。

钢管格构式构架为超静定结构，一旦某个杆件出现问题，可以通过内力重分布进行调整，确保构架的安全储备。杆件受力明确，节点构造简单，大部分构件属于拉压杆，符合计算假定。钢管构件受荷性能好，相对于角钢构件具有明显的优势：一是可以减小构架的风压；二是在截面面积相等的情况下，圆管的回转半径比角钢大20%左右。

1.3 钢管格构进出线柱加母线人字柱结构

联合构架的进出线柱采用变截面钢管格构矩形柱，钢管主材、钢管腹杆，节点板螺栓连接；构架梁采用等截面钢管格构矩形梁，钢管弦杆、钢管腹杆，节点板螺栓连接。梁柱整体刚接。母线构架柱采用人字柱，钢管采用直缝焊接圆形或多边形钢管；母线梁采用变截面钢管格构矩形梁，钢管弦杆、钢管腹杆，节点板螺栓连接。母线梁一端与进出线构架柱整体刚接，另一端与母线构架柱整体铰接。构架柱、梁弦杆拼接采用法兰连接。

此种结构是一种新型的750 kV联合构架结构型式。根据进出线梁和母线梁上所受导线拉力差异较大的特点，在联合构架中对进出线柱和母线柱进行区别设计，选用不同的结构型式。将钢管格构矩形柱与钢管人字柱这两种不同的结构型式在联合构架中有机地结合，进出线柱采用钢管格构式矩形柱充分利用其受力性能好、刚度大的优点，不仅满足进出线梁上导线拉力大、挂线点高的要求，同时可为母线人字柱提供侧向刚度，从而省去母线人字柱的侧向端撑；母线柱采用钢管人字柱结构，适用于母线梁上导线拉力小、挂线点低的特点，避免采用全钢管格构柱造成用钢量及占地面积的浪费。

2 750 kV联合构架结构型式的设计比较

结合750 kV变电站中构架电气总平面布置及各个荷载工况下的导线拉力，利用空间杆系分析软件STAAD Pro(V8i)对敞开式布置的750 kV构架建立整体模型进行空间计算。在相同的边界输入条件和导线拉力等作用下，对全钢管人字柱结构、全钢管格构柱结构、钢管格构进出线柱+母线人字柱结构三种结构型式分别建模，根据计算结果进行综合比较，提出最优结构型式。

2.1 输入条件

三种结构模型中输入相同的边界条件：①基本风压；②站区的地震动峰值加速度值、相应的地震基本烈度、地震动反应谱特征周期；③站址所在区域的气象条件。

2.2 计算荷载

作用于构架的荷载主要有：导(地)线拉力、结构自重、风荷载、冰荷载及安装检修所产生的临时荷载、温度作用及地震作用，按最终规模所产生的荷载进行分析计算。导线拉力值见表1和表2所列。

表1 出线构架导线拉力kg

表2 母线构架导线拉力kg

风荷载对变电构架的影响很大，根据现行国家标准GB 50135—2006《高耸结构设计规范》[1]的要求，考虑0°和90°风(即顺导线和垂直导线风)对构架的作用效应。一般结构的基本自振周期T≥0.25 s，由风引起的结构振动比较明显，而且随着结构自振周期的增长，风振也随着增强，因此设计时均应考虑风振的影响[2]。对于自立式铁搭，DL/T 5154—2012《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》[3]规定：塔杆全高在60 m以下时风振系数βz按照规范中表格选用；当塔杆全高超过60 m时，应按GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[2]采用由下到上逐段增大的数值。

对于整体较高而刚度弱的构架结构，风振的影响一般要大于地震的影响，但是如果结构的重量较大，又处在地震高烈度区，则地震的影响会更强烈些。因此建造在地震高烈度区的结构，要充分考虑地震作用的影响，以保证结构的安全。GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》[4]及《高耸结构设计规范》规定，对烈度为8°和9°的高耸结构，应同时考虑竖向地震作用和水平地震作用的不利组合。水平及竖向地震作用均采用反应谱法计算。

对于暴露在室外的构架结构，受温度作用影响较直接，同时结构纵向尺寸较大，温度效应的累计作用明显。DL/T 5457—2012《变电站建筑结构设计技术规程》[5]规定，两端设刚性支撑总长超过150 m的连续排架，或总长超过100 m的连续刚架，应计算温度作用效应的影响。在计算温度作用效应时，应根据工程具体条件合理选择计算温差。在联合构架中应满足处理温度应力的要求。

2.3 结构设计的控制条件

750 kV联合构架采用极限状态设计法设计，即承载能力极限状态和正常使用极限状态。承载能力极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载力或不适于继续承载的变形；正常使用极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。

根据《变电站建筑结构设计技术规程》规定，运行工况、安装工况、检修工况宜作为承载能力极限状态的三种基本组合。安装工况宜作为正常使用极限状态下对变形及裂缝进行校验的荷载条件。

钢管格构式结构正常使用极限状态的控制条件：柱顶的允许挠度值为3h/1000(h为柱计算点高度)，横梁跨中为L/400(L为梁跨度)；人字柱平面内、外(带端撑)允许挠度值为h/200(h为柱计算点高度)。

2.4 计算模型简图

某工程750 kV配电装置采用户外敞开式布置方案，750 kV构架出线梁跨度39.0 m，挂线点高度37.5 m，母线梁跨度38.5 m，挂线点高度27.0 m。基于电气专业布置要求，750 kV构架采用分片联合构架，选取其中具有代表性的一组出线和母线联合构架，分别采用全钢管人字柱结构、全钢管格构柱结构、钢管格构出线柱加母线人字柱结构，三种结构型式的计算模型简图如图3～图5所示。

图3 全钢管人字柱计算模型简图

图5 钢管格构出线柱加母线人字柱计算模型简图

图4 全钢管格构柱计算模型简图

2.5 计算结果分析

经计算，三种不同结构型式的模型中各构件的控制应力比见表3所列。

表3 三种不同结构型式的模型中各构件的控制应力比

从表3可以看出，全钢管格构柱结构模型中母线柱平均应力比为0.568，受力较小，其腹杆、弦杆基本由长细比控制，材料利用率低。因此将母线柱改为受力较大、构造杆件较少的钢管人字柱，进出线柱仍采用钢管格构矩形柱，为母线人字柱提供侧向刚度，从而省去母线人字柱的侧向端撑，在满足联合构架受力、变形要求的同时提高了材料利用率。

2.6 不同结构型式的钢材量统计

通过对三种不同结构型式的计算，构件断面尺寸及主材截面见表4所列。

表4 三种结构型式的构件断面尺寸及主材截面

根据以往工程统计，当钢管格构柱在等宽度的窄面节点采用相贯焊、变宽度的宽面节点采用节点板螺栓连接，钢管格构矩形梁上下面节点采用相贯焊、正背面节点采用节点板螺栓连接，钢管格构三角形梁三面均采用节点板螺栓连接时，进出线柱与母线柱节点板、法兰和螺栓等辅材占整根柱总重的比例约为20%；钢管格构矩形梁与钢管格构三角形梁节点板、法兰和螺栓等辅材占整根进出线梁总重的比例约为30%，占整根母线梁总重的比例约为25%；节点板、法兰和螺栓、柱顶板等辅材占整根进出线人字柱(无论是否带端撑)总重的比例约为25%，占整根母线人字柱总重的比例约为20%，节点板、法兰和螺栓等辅材占整根钢管格构矩形地线柱总重的比例约为30%。

根据上述比例，考虑节点板、法兰和螺栓、柱顶板等辅材后结构总用钢量的比较结果见表5所列。

2.7 750 kV联合构架的占地面积

联合构架占地面积的计算，纵横向尺寸均算至构架柱最边缘柱肢中心线处，三种不同结构型式的占地面积比较见表6所列。

表6 三种不同结构型式的占地面积比较

从表6可知，同一组联合构架采用三种不同的结构型式，钢管格构出线柱加母线人字柱结构占地面积最小，全钢管人字柱结构占地面积最大，全钢管格构柱结构占地面积介于其中，与钢管格构出线柱加母线人字柱结构占地面积基本相当。钢管格构出线柱加母线人字柱结构相比全钢管人字柱结构节约占地面积7.2%。

3 结论

本文针对户外敞开式布置的750 kV联合构架结构设计，对三种型式的受力特性进行了论述，并利用空间杆系分析软件STAAD Pro进行了结构计算，得出结论如下：

1)户外敞开式布置的750 kV联合构架由于进出线梁上导线拉力大，挂线点高，进出线柱上还需设地线柱或避雷针，构架柱若采用钢管人字柱时两端需设置端撑，增加占地面积。如采用钢管格构式结构，不仅占地面积小，而且由于梁柱整体刚接、协同受力，多跨连续梁受力均匀，跨中挠度小，材料利用率相应提高。

2)母线梁上导线拉力小，挂线点低，对于受力较小的结构采用钢管格构式结构时，大部分杆件限于长细比等构造要求，材料利用率低。因此母线柱宜采用钢管人字柱，而母线梁采用变截面的钢管格构矩形梁，其一端与进出线构架柱整体刚接，另一端与母线人字柱整体铰接。母线人字柱平面外的刚度由与母线梁连接的钢管格构进出线柱提供，并充分利用母线人字柱平面外尺寸小进而压缩母线间隔宽度，使得电气设备布置更为紧凑。同时母线人字柱柱头上仅需考虑母线梁的连接，柱头设计更加简洁，节省用钢量。

3)针对软件计算结果比较三种型式的总用钢量，同时结合结构占地面积的比较，可知钢管格构进出线柱+母线人字柱结构相比全钢管格构柱结构节约钢材量11%；相比全钢管人字柱结构节约占地面积7.2%。钢管格构柱和人字柱这两种不同结构型式在联合构架中的结合使用不仅满足受力、变形的要求，达到了“按需设计、物尽其用”的目的，取得了良好的综合经济效益。