宜昌江南500kv變電站500kv構(gòu)架設(shè)計(jì)

宜昌江南500kv變電站500kv構(gòu)架設(shè)計(jì)

1kv全聯(lián)合架構(gòu)結(jié)構(gòu)選型500kv電網(wǎng)結(jié)構(gòu)主要用于承受水平導(dǎo)線壓力。在過(guò)去的項(xiàng)目中，500kv框架通常采用在線框架、中線門結(jié)構(gòu)、主變進(jìn)線結(jié)構(gòu)和在線框架的分布模式。上述結(jié)構(gòu)接受線、中線、主變進(jìn)線和線的傳遞導(dǎo)線的張力，或直線結(jié)構(gòu)與主變進(jìn)線結(jié)構(gòu)以及直線結(jié)構(gòu)的組合。框架柱通常采用直縫連接圓形鋼管柱，框架梁通常采用三角形變截面、鋼芯端端、護(hù)甲端和螺線管的格構(gòu)鋼梁。梁柱是相互聯(lián)系的。當(dāng)32m的a型梁和kv時(shí)，宜昌縣500kv電流采集線的結(jié)構(gòu)布局在采用傳統(tǒng)500kv結(jié)構(gòu)布局和結(jié)構(gòu)類型的基礎(chǔ)上完成時(shí)，根據(jù)之前500kv結(jié)構(gòu)布局和結(jié)構(gòu)類型的介紹，輸入和輸出框架位于輸入和輸出框架之間的中間框架之間。500kv的配置和結(jié)構(gòu)方案根據(jù)之前500kv的配置和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。輸出框架的立柱采用單桿柱代替?zhèn)鹘y(tǒng)的a型柱，在線柱采用a型柱。輸出結(jié)構(gòu)的水平張力通過(guò)連接在線結(jié)構(gòu)頂部和在線結(jié)構(gòu)頂部之間的剛性桿和在線結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)鎖來(lái)執(zhí)行。輸出結(jié)構(gòu)的水平張力由輸入和輸出框架之間的a型梁組成。輸出框架的水平張力通過(guò)連接在線結(jié)構(gòu)頂部和在線結(jié)構(gòu)框架之間的剛性桿和在線結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)鎖傳遞給中間框架，并且兩側(cè)輸入和輸出導(dǎo)線的水平負(fù)荷由中間a型框架承擔(dān)。單管在線支撐結(jié)構(gòu)主要承受導(dǎo)線垂直負(fù)荷，形成全球聯(lián)合支撐體系。本文主要研究了其結(jié)構(gòu)方案、結(jié)構(gòu)計(jì)算、材料配置、節(jié)點(diǎn)配置等。在與傳統(tǒng)500kv框架進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，提出了500kv全聯(lián)合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型。2kv構(gòu)架結(jié)構(gòu)本工程500kV構(gòu)架設(shè)計(jì)規(guī)模為2組4孔連續(xù)出線和1組4孔中間門型構(gòu)架(跨度×高度=28m×26m,3孔;跨度×高度=30.5m×26m,1孔),10組單孔門型母線構(gòu)架(跨度×高度=32m×20.5m),1組單孔1號(hào)主變壓器進(jìn)線構(gòu)架(跨度×高度=36m×20m),2組單孔3號(hào)主變壓器進(jìn)線構(gòu)架(跨度×高度=32m×34m).其中端頭一組母線構(gòu)架梁兼做2號(hào)主變壓器的進(jìn)線構(gòu)架梁.為了最大限度地利用鋼材強(qiáng)度,節(jié)約占地面積,根據(jù)本工程電氣布置的特點(diǎn),出線構(gòu)架與中間門型構(gòu)架距離僅32m,母線構(gòu)架和主變進(jìn)線構(gòu)架位于出線構(gòu)架和中間門型構(gòu)架之間,本工程500kV構(gòu)架采用了全聯(lián)合構(gòu)架結(jié)構(gòu)型式,即出線構(gòu)架柱采用單桿柱代替常規(guī)A型柱,跨線構(gòu)架柱采用常規(guī)A型柱,出線構(gòu)架通過(guò)母線構(gòu)架梁及主變進(jìn)線構(gòu)架梁與中間構(gòu)架聯(lián)合在一起,梁柱鉸接,形成全聯(lián)合受力體系.其中,兩邊出線單管構(gòu)架柱通過(guò)和母線構(gòu)架梁設(shè)置鋼管支撐以減小柱頂位移,并把水平力傳遞給中間剛度較大的A型構(gòu)架柱.2組單孔3號(hào)34m高主變壓器進(jìn)線構(gòu)架柱采用單桿柱,單杠柱下端采用剛性法蘭固定在26m高的出線、中間構(gòu)架柱頂板上,上端和主變進(jìn)線構(gòu)架梁鉸接.為減小單桿柱的柱頂位移和平面外計(jì)算長(zhǎng)度,單桿柱頂部和26m高出線、中間構(gòu)架梁之間設(shè)置鋼管支撐.其中構(gòu)架柱采用直縫焊接圓形鋼管柱,構(gòu)架梁同常規(guī)500kV構(gòu)架梁,采用三角形變斷面(梁端部為1.1m,中間為1.8m)、無(wú)縫焊接鋼管弦桿、角鋼腹桿、螺栓鏈接的格構(gòu)式鋼梁.3空間桿系的建立、荷載及組合本工程500kV構(gòu)架計(jì)算采用國(guó)際通用的STAADCHINA2005版空間桿系分析與設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行分析計(jì)算.下面簡(jiǎn)要介紹本工程的模型建立、荷載及荷載組合.3.1構(gòu)架梁建模時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)點(diǎn)500kV構(gòu)架的整體建模一般可以分為2種方法:實(shí)際建模法和簡(jiǎn)化建模法.實(shí)際建模法是按真實(shí)情況建立構(gòu)架梁、柱、地線柱及避雷針模型;簡(jiǎn)化建模法是把梁簡(jiǎn)化為1根桿件,簡(jiǎn)化的原則是等剛度等重的原則,然后對(duì)梁進(jìn)行單獨(dú)建模計(jì)算.根據(jù)本工程500kV構(gòu)架是全聯(lián)合構(gòu)架,且構(gòu)架柱和構(gòu)架梁之間設(shè)有鋼管支撐共同作用的特點(diǎn),為了使計(jì)算模型更接近實(shí)際受力情況,采用實(shí)際建模法來(lái)進(jìn)行建模.建模時(shí)要特別注意以下2點(diǎn):1)當(dāng)采用桁架構(gòu)件建模時(shí),構(gòu)架梁底面交叉腹桿不得中斷,否則交叉節(jié)點(diǎn)在桿件平面外將形成可變體系;2)構(gòu)架梁端部底面弦桿和構(gòu)架柱連接處理,由于梁兩端支座開橢圓孔(一般是26×48mm,配8.8級(jí)C級(jí)M24螺栓),允許構(gòu)架梁沿自身方向有20mm左右的位移,因此不能把梁兩端底面4根弦桿直接和柱鉸接,否則會(huì)導(dǎo)致梁兩端底面弦桿力非常大,和實(shí)際情況不符.本文采取一塊20mm厚、850mm高的鋼板和梁兩端底面弦桿鉸接,鋼板豎向放置,讓鋼板豎向剛度比水平剛度大很多,達(dá)到構(gòu)架梁沿自身方向可以適當(dāng)變形的目的,避免構(gòu)架粱在底平面上形成連續(xù)梁效應(yīng).并由計(jì)算結(jié)果可知,梁底面弦桿的力和實(shí)際情況相符,兩頭小、中間大.構(gòu)架梁端部支座模擬示意見圖1.3.2風(fēng)振系數(shù)的確定500kV構(gòu)架所受荷載包括自重荷載、導(dǎo)線荷載、地線荷載、風(fēng)荷載、地震荷載、溫度荷載等.本工程抗震設(shè)防烈度為6度,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g,且構(gòu)架總長(zhǎng)度為114.5m(小于150m),因此按現(xiàn)行規(guī)范可以不考慮地震荷載、溫度荷載,而導(dǎo)線、地線荷載一般由電氣專業(yè)人員提供,因此本文重點(diǎn)介紹風(fēng)荷載的計(jì)算.3.2.1風(fēng)荷載計(jì)算本工程基本風(fēng)壓w0=0.3kN/m2,地面粗糙度為B類.根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2001)的規(guī)定,風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算公式為wk=βzusuzw0(1)對(duì)于風(fēng)荷載體型系數(shù)us和風(fēng)壓高度變化系數(shù)uz,規(guī)范都有明確的規(guī)定.對(duì)于圖1所示的本工程全聯(lián)合構(gòu)架(不包括1號(hào)主變壓器進(jìn)線構(gòu)架),z高度處的風(fēng)振系數(shù)βz,國(guó)家和行業(yè)規(guī)范中都沒(méi)有明確的規(guī)定,因此仍按荷載規(guī)范規(guī)定的公式計(jì)算:βz=1+ξv?zuz(2)對(duì)于脈動(dòng)影響系數(shù)v,《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的表7.4.4-1和表7.4.4-3所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)都無(wú)法和本工程全聯(lián)合構(gòu)架的結(jié)構(gòu)型式相吻合.但從表7.4.4-3可以看出,隨著結(jié)構(gòu)寬度的增加或側(cè)向支撐的加強(qiáng),在高度和地面粗糙度一定的情況下,脈動(dòng)影響系數(shù)逐漸減小.根據(jù)本工程500kV構(gòu)架迎風(fēng)面寬度小于其高度的特點(diǎn),取表7.4.4-1中的數(shù)值,對(duì)結(jié)構(gòu)是安全的,也更接近實(shí)際情況.根據(jù)STAADCHINA2005計(jì)算出結(jié)構(gòu)的自振周期T1=1.052s,由《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》查得脈動(dòng)增大系數(shù)ξ=2.172,根據(jù)式(2)求得構(gòu)架柱、梁高度處的風(fēng)振系數(shù)βz見表1.由此求得本工程全聯(lián)合構(gòu)架(不包括1號(hào)主變壓器進(jìn)線構(gòu)架)的2個(gè)方向加權(quán)平均風(fēng)振系數(shù)分別為βx=1.64,βz=1.76.考慮到構(gòu)架主要承受導(dǎo)線張力,結(jié)構(gòu)本身風(fēng)荷載影響不是特別大,為保證結(jié)構(gòu)安全可靠,因此本文建議2個(gè)方向的風(fēng)振系數(shù)都取1.70.風(fēng)振系數(shù)之所以較大的原因,是因?yàn)闃?gòu)架受風(fēng)面較大一部分集中在構(gòu)架梁上,而構(gòu)架梁形心又較高的原因.對(duì)于獨(dú)立的1號(hào)主變壓器進(jìn)線構(gòu)架風(fēng)振系數(shù)按《變電所建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)定》取1.0,構(gòu)架上避雷針及地線柱風(fēng)振系數(shù)取2.0(計(jì)算過(guò)程中結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載與風(fēng)荷載作用下的導(dǎo)線張力是垂直的,結(jié)構(gòu)2個(gè)方向風(fēng)荷載并不同時(shí)考慮).3.3中間構(gòu)架的控制作用本工程按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進(jìn)行荷載組合.對(duì)于出線構(gòu)架,考慮3種工況:運(yùn)行工況、安裝工況、檢修工況.根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)可知,其中運(yùn)行工況中起控制作用的為最大風(fēng)速、最嚴(yán)重覆冰工況,最低氣溫工況不起控制作用.對(duì)于兩側(cè)均掛線的中間構(gòu)架,考慮2種情況:一是在正常運(yùn)行工況(大風(fēng)和覆冰)和導(dǎo)線上人檢修條件下,構(gòu)件兩側(cè)導(dǎo)線產(chǎn)生的不平衡張力;二是在安裝或移換導(dǎo)線時(shí)所產(chǎn)生的最不利情況,一般按一側(cè)架線和另一側(cè)不架線的條件進(jìn)行設(shè)計(jì).4計(jì)算結(jié)果分析和桿件選擇4.1主框架的內(nèi)力由STADDCHINA2005計(jì)算出構(gòu)架柱、構(gòu)架梁弦桿、梁柱撐桿的控制內(nèi)力見表2、表3.4.2單桿選擇4.2.1數(shù)值計(jì)算結(jié)果這里值得強(qiáng)調(diào)的是,由于目前規(guī)范中還沒(méi)有給出相應(yīng)的圓形截面雙向彎矩作用下的受壓穩(wěn)定計(jì)算公式,因此對(duì)于單管構(gòu)架拄,本文偏于安全的按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2003)中的式5.2.5-1和式5.2.5-2計(jì)算,認(rèn)為鋼管在2個(gè)方向彎矩作用下,其產(chǎn)生的最大應(yīng)力點(diǎn)為同一點(diǎn).對(duì)于A型構(gòu)架拄,按《變電所建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(NDGJ96-92)中的式6.2.2-1和式6.2.2-2計(jì)算.根據(jù)大量試驗(yàn)結(jié)果和工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可知,A型柱由于其在平面內(nèi)和平面外的支撐(約束)條件不同,兩主軸方向各自的最大撓曲點(diǎn)和最大彎矩點(diǎn)并不處在同一截面位置,A型柱受壓桿總是沿其弱軸失穩(wěn),強(qiáng)軸平面內(nèi)所作用的彎矩對(duì)弱軸彎矩的增大以及對(duì)構(gòu)件極限承載力的影響并不明顯.因此,可分1)柱頂板較大;2)構(gòu)架梁端部尺寸要加大,由1.1m加大到1.3m;3)應(yīng)力達(dá)到180N/mm2,安全度較小;4)管徑較粗,不美觀.綜合以上分析,中間構(gòu)架A型柱和26~34m單管柱的鋼管采用Q345高強(qiáng)度鋼,因?yàn)镼345高強(qiáng)度鋼的屈服應(yīng)力為345MPa,是Q235鋼屈服應(yīng)力的1.47倍,而鋼材價(jià)格是Q235的1.05倍.經(jīng)過(guò)計(jì)算可知,鋼管截面分別為PIPE520×10和PIPE600×10時(shí),既能滿足要求、節(jié)約鋼材量,又顯得比較美觀.4.2.2鋼管規(guī)格的確定由表2可知,中間母線構(gòu)架梁上弦桿力比下弦桿力大245kN,且上弦桿主要受壓力,下弦桿受拉力.為節(jié)約鋼材量,構(gòu)架梁上弦桿鋼管選用PIPE159×9,下弦桿鋼管選用PIPE159×7,其余構(gòu)架梁上下弦桿所受壓力和拉力相差不大,上下弦桿選用同一種規(guī)格,根據(jù)受力大小不同,其鋼管規(guī)格為PIPE159×7和PIPE159×9兩種.構(gòu)架梁、柱之間的鋼管支撐選用PIPE159×7.構(gòu)架柱、構(gòu)架梁弦桿、梁柱撐桿截面規(guī)格見表4.5角三角形結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)本工程全聯(lián)合構(gòu)架大部分梁、柱節(jié)點(diǎn)與常規(guī)500kV構(gòu)架相同,因此本文重點(diǎn)介紹本工程中和常規(guī)500kV構(gòu)架不同的2種節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì).2種節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如下:1)中間26m高構(gòu)架梁兩邊掛點(diǎn)間距為8m,為滿足此要求,在構(gòu)架梁兩邊用角鋼設(shè)置懸挑空間三角錐形結(jié)構(gòu).為便于水平連接及垂直掛板,三角錐端頭留0.7m長(zhǎng)的PIPE159×7短鋼管,在鋼管上設(shè)置連接節(jié)點(diǎn)板、導(dǎo)線,懸垂絕緣子掛環(huán),角鋼和構(gòu)架梁弦桿、端頭鋼管用螺栓連接.2)為減小出線構(gòu)架端撐柱和單管邊柱計(jì)算長(zhǎng)度,把出線構(gòu)架端撐柱和單桿邊柱做成剛接,兩鋼管之間剪力板做成斜的,構(gòu)架梁、柱之間鋼管支撐和梁、柱鉸接,采用螺栓連接.2種節(jié)點(diǎn)示意圖見圖2、圖3.6基礎(chǔ)混凝土支護(hù)用量若把出線構(gòu)架單桿柱換成常規(guī)A型柱,并把這種結(jié)構(gòu)型式稱為B方案,本工程500kV構(gòu)架的結(jié)構(gòu)型式稱為A方案,2種方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)(用鋼量、基礎(chǔ)用量、工程造價(jià)、占地面積、)指標(biāo)比較見表5.從表5可知:1)A方案用鋼量比B方案少5.5%左右,且A方案基礎(chǔ)混凝土用量比B方案少125m3;2)A方案鋼結(jié)構(gòu)加基礎(chǔ)費(fèi)用比B方案少7%左右;3)A方案占地面積比B方案少1518m2.綜合以上4項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較可知,本工程的500kV全聯(lián)合構(gòu)架方案(A方案)優(yōu)于常規(guī)500kV全聯(lián)合構(gòu)架方案(B方案).7kv全聯(lián)合構(gòu)架結(jié)構(gòu)型式比選1)本工程500kV出線構(gòu)架柱