張 慧 斌

(同濟(jì)大學(xué)，上海 200092)

0 引言

近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，用電負(fù)荷快速增加，電網(wǎng)建設(shè)也得到了快速發(fā)展，并且建設(shè)規(guī)模越來越大。在變電站構(gòu)架結(jié)構(gòu)中，由于鋼結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用更是迅速增長(zhǎng)，特別是500 kV及以上等級(jí)的變電構(gòu)架工程中，鋼結(jié)構(gòu)已被全面采用[1]。變電站構(gòu)架中，按通常的做法會(huì)在變電構(gòu)架中設(shè)置溫度縫，使其分成獨(dú)立的溫度區(qū)段，從而滿足規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。如果不考慮溫度效應(yīng)的影響，會(huì)導(dǎo)致變電站占用更大的面積，消耗更多的資金[2]。

綜合考慮以上因素，在對(duì)本項(xiàng)目不進(jìn)行伸縮縫的設(shè)置的情況下，為了減弱溫度作用的影響，本文進(jìn)行了結(jié)構(gòu)選型優(yōu)化，選用對(duì)溫度效應(yīng)不敏感的結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)在不影響結(jié)構(gòu)連續(xù)性的前提下考慮設(shè)置滑移支座進(jìn)一步釋放溫度效應(yīng)，并通過有限元分析對(duì)比驗(yàn)證超長(zhǎng)構(gòu)架采用滑移支座的可行性。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目站址微地貌單元為前緩坡丘陵，地形起伏北側(cè)較大，南側(cè)較小，最大高差約5 m，年平均氣壓為878.3 hPa。所處地的溫差比較大，累年平均最高氣溫為43 ℃，累年平均極端最低氣溫為-32 ℃。

結(jié)構(gòu)受荷形式除了包括導(dǎo)線傳遞的張力、風(fēng)壓、垂直荷重等荷載，還包括構(gòu)架自身的基本風(fēng)壓、地震荷載、溫度荷載。其中，考慮溫度荷載及風(fēng)荷載作用下的承載能力極限狀態(tài)，按照+35 ℃和-30 ℃的溫差進(jìn)行取值；考慮風(fēng)速和溫度荷載的正常使用極限狀態(tài)，取風(fēng)速值為10 m/s，取溫度差為+50 ℃和-40 ℃?？拐鹪O(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，設(shè)計(jì)特征周期0.45 s。

變電構(gòu)架總長(zhǎng)394 m，擬采用10跨連續(xù)構(gòu)架形式，左右對(duì)稱位置的6個(gè)邊跨跨度分別為39 m，中間4跨跨度為40 m。按照《變電構(gòu)架設(shè)計(jì)手冊(cè)》要求[3]，需要設(shè)置溫度伸縮縫的影響，但考慮到需要配套的GIS設(shè)備[4]。GIS(Gas Insulated Switchgear)是氣體絕緣全封閉組合電器，其配套的設(shè)備和部件要全部封閉在金屬接地的外殼中，并在其內(nèi)部充有一定壓力的SF6絕緣氣體，不宜設(shè)置溫度縫。所以有必要通過結(jié)構(gòu)構(gòu)架選型的優(yōu)化來降低溫度荷載的影響，并通過結(jié)構(gòu)措施及安裝滑移支座釋放掉不利的溫度效應(yīng)。

2 結(jié)構(gòu)選型優(yōu)化

變電構(gòu)架結(jié)構(gòu)可以選用等截面普通鋼管結(jié)構(gòu)、變截面高強(qiáng)度鋼管結(jié)構(gòu)、格構(gòu)式鋼結(jié)構(gòu)、人字形構(gòu)架結(jié)構(gòu)等[5]。等截面普通鋼管結(jié)構(gòu)的連接形式為剛性法蘭連接，具備安裝、制作和運(yùn)輸方便的特點(diǎn)；變截面高強(qiáng)度鋼管結(jié)構(gòu)具備質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、控制嚴(yán)格、外觀優(yōu)美的特點(diǎn)。由于等截面普通鋼管結(jié)構(gòu)和變截面高強(qiáng)度鋼管結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用于500 kV變電構(gòu)架中，所以基于項(xiàng)目自身的特點(diǎn)(750 kV變電構(gòu)架)，本文對(duì)格構(gòu)式鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)架和人字形構(gòu)架結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行靜力分析和關(guān)鍵部位的桿件內(nèi)力、位移對(duì)比，進(jìn)而得出方案必選結(jié)果。

2.1 格構(gòu)式構(gòu)架

格構(gòu)式構(gòu)架的模型形式如圖1所示，格構(gòu)式構(gòu)架整體剛度好，受力均勻，可以充分發(fā)揮構(gòu)件的作用，組合成整體體系來抵抗溫度變形。并且單個(gè)構(gòu)件受力小、變形小，但整體變形一般較大，且構(gòu)件以軸向受力為主。

為了更準(zhǔn)確的衡量溫度對(duì)變電構(gòu)架的敏感程度，引入溫度效應(yīng)系數(shù)μ[6]。

(1)

其中，s1為溫度荷載作用下構(gòu)架溫度效應(yīng)極值;s2為對(duì)應(yīng)溫度荷載組合作用下構(gòu)架效應(yīng)極值。

通過建模分析，格構(gòu)式構(gòu)架柱頂最大側(cè)向位移的溫度效應(yīng)系數(shù)為0.87，柱最大內(nèi)力的溫度效應(yīng)系數(shù)為0.46，支座最大反力的溫度效應(yīng)系數(shù)為0.35。

2.2 人字柱構(gòu)架

人字柱構(gòu)架的模型如圖2所示，對(duì)于人字柱構(gòu)架，除了最中間柱的型式為雙人字組合柱以外，其他柱都為單人字柱型式。人字形構(gòu)架具有中部剛度大，能對(duì)外側(cè)的構(gòu)架提供有效的側(cè)向支撐的功能[7]。

經(jīng)計(jì)算可知，人字形構(gòu)架柱頂最大側(cè)向位移的溫度效應(yīng)系數(shù)為0.19，柱最大內(nèi)力的溫度效應(yīng)系數(shù)為0.16，支座最大反力的溫度效應(yīng)系數(shù)為0.17。

表1 溫度效應(yīng)系數(shù)對(duì)比

結(jié)構(gòu)型式位移內(nèi)力反力格構(gòu)式構(gòu)架0.870.460.35人字柱構(gòu)架0.190.160.17

從表1中可以看出，與格構(gòu)式構(gòu)架相比，人字柱構(gòu)件的溫度效應(yīng)有了很大的減弱，柱頂最大側(cè)向位移、柱最大內(nèi)力、支座最大反力的溫度效應(yīng)系數(shù)分別減少了78.2%，65.2%，51.4%。同時(shí)對(duì)于人字柱構(gòu)架的受力的特點(diǎn)，溫度效應(yīng)引起的軸力幾乎為零。由于內(nèi)力的增加必然導(dǎo)致材料用量的增加，從而產(chǎn)生更大的溫度作用。綜上所述，人字柱組合構(gòu)架形式更加適合本項(xiàng)目的選型要求。

3 滑移支座的應(yīng)用

通過以上布置型式的調(diào)整，人字柱構(gòu)架布置型式的溫度效應(yīng)系數(shù)得到了明顯的降低，同時(shí)構(gòu)架柱溫度效應(yīng)由軸力變成了彎矩，改變了溫度的內(nèi)力性質(zhì)，降低了溫度對(duì)構(gòu)架柱的影響。

由于不進(jìn)行伸縮縫的設(shè)置，特此引入滑移支座來進(jìn)一步降低溫度的影響?；浦ё捎玫氖亲儎偠葟椈?，在滑移行程內(nèi)時(shí)，提供較小剛度，超過滑移行程時(shí)，等效為剛接[8]?；浦ё淖饔檬轻尫艤囟刃?yīng)，設(shè)置了變形余量，可以有效地釋放溫度應(yīng)力，同時(shí)溫度區(qū)段也能滿足《變電構(gòu)架設(shè)計(jì)手冊(cè)》要求。在現(xiàn)有的實(shí)際工程中，有多種結(jié)構(gòu)通過安裝滑移支座來替代溫度伸縮縫的影響[9]。本文同樣考慮滑移支座的安裝并選取最外側(cè)柱頂位移作為分析的主要參數(shù)。

接下來從滑移支座安裝位置和滑移行程兩個(gè)方面進(jìn)行有限元結(jié)果的分析比較。分析的主要內(nèi)容為溫度效應(yīng)在使用滑移支座后的變化。此處按照規(guī)范規(guī)定，溫度取極端低溫-40 ℃，極端高溫50 ℃，計(jì)算后取不利效應(yīng)進(jìn)行比較。

3.1 滑移支座安裝位置的影響

為了更好的查看滑移支座安裝位置的影響，在此將滑移支座的行程統(tǒng)一設(shè)置為100 mm，且所選用的構(gòu)架結(jié)構(gòu)類型都為人字柱的構(gòu)架類型。同時(shí)將人字柱構(gòu)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度區(qū)段的劃分，左邊S5,S4,S3三跨為第一溫度區(qū)段，中間S2,S1,S1,S2四跨為第二溫度區(qū)段，最右邊S3,S4,S5為第三溫度區(qū)段，如圖3所示。

本文考慮兩種滑移支座安裝位置，第一種將滑移支座對(duì)稱安裝在第二跨的內(nèi)側(cè)，如圖4所示。

對(duì)于第一種情況，溫度荷載作用下滑移支座右側(cè)靠近雙柱位置的節(jié)點(diǎn)位移為65 mm，支座左側(cè)節(jié)點(diǎn)位移為62 mm，滑移支座的相對(duì)位移量為3 mm。溫度工況位移如圖5所示。

第二種將滑移支座對(duì)稱安裝在第三跨的內(nèi)側(cè)，如圖6所示。

對(duì)于第二種情況，溫度荷載作用下，滑移支座右側(cè)靠近雙柱位置的節(jié)點(diǎn)位移44 mm，支座左側(cè)節(jié)點(diǎn)位移為-4 mm，滑移支座的相對(duì)位移量約為48 mm。溫度工況位移圖如圖7所示。

表2 溫度區(qū)段變形量對(duì)比 mm

溫度作用第一溫度區(qū)段第二溫度區(qū)段第三溫度區(qū)段第一種情況47.5124.747.5第二種情況59.790.359.7

由表2可見，對(duì)于相同的溫度區(qū)段的劃分，第二種情況各區(qū)段之間的變形量更加均勻，鄰段之間的變形差值相對(duì)較小。因此將滑移支座安裝在第三跨內(nèi)側(cè)更加合理有效。

表3 滑移支座處相對(duì)位移對(duì)比 mm

由表3得出，支座兩側(cè)節(jié)點(diǎn)相對(duì)位移有所不同，第一種和第二種情況的相對(duì)位移分別為61.3 mm和57.1 mm，兩種情況相差了6.9%?；诘诙N情況下的相對(duì)位移值，對(duì)于滑移支座的滑移行程的設(shè)置不應(yīng)小于60 mm。同時(shí)考慮風(fēng)振、地震作用下，仍希望構(gòu)架結(jié)構(gòu)作為整體受力，因此在荷載作用下，滑移支座要盡快達(dá)到限位處，要求可滑移行程不應(yīng)過大。

3.2 滑移支座滑移行程的影響

為了確定較合理的滑移行程，分別設(shè)置100 mm和60 mm的滑移限值，分析在縱向風(fēng)載作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，結(jié)果如圖8，圖9所示。圖8為滑移支座行程100 mm的人字柱構(gòu)架的位移云圖，圖9為滑移行程60 mm的人字形構(gòu)架的位移云圖。

通過對(duì)比分析，滑移行程為100 mm的構(gòu)架柱頂最大位移為561 mm，如圖8所示，滑移行程為60 mm的構(gòu)架柱頂最大位移為476 mm，如圖9所示，方案四在位移上比方案三減少了15.2%。充分考慮溫度效應(yīng)作用的情況下，60 mm的支座滑移位移已能夠滿足要求，加上滑移行程為60 mm時(shí)，構(gòu)架柱頂?shù)奈灰朴钟兴鶞p小。綜合以上分析，滑移支座的滑移行程選取60 mm最為合理。

4 結(jié)論

通過以上對(duì)750 kV變電站構(gòu)架的選型和滑移支座安裝位置及滑移距離的對(duì)比分析得出以下結(jié)論：

1)通過對(duì)格構(gòu)式構(gòu)架和人字柱構(gòu)架計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，人字柱構(gòu)架的溫度效應(yīng)有了很大的減弱，柱頂側(cè)向位移、柱內(nèi)力、柱腳反力的溫度效應(yīng)系數(shù)分別減少了78.2%,65.2%,51.4%。同時(shí)對(duì)于人字柱構(gòu)架受力的特點(diǎn)，溫度效應(yīng)引起的軸力幾乎為零。綜合以上兩點(diǎn)，人字柱構(gòu)架形式更加適合本項(xiàng)目的選型；

2)在確定選型的基礎(chǔ)上，將滑移支座安裝在第三跨內(nèi)側(cè)處，各溫度區(qū)段之間的變形量更加均勻，鄰段之間的變形差值相對(duì)較小。同時(shí)滿足設(shè)置滑移支座的滑移行程應(yīng)不小于60 mm；

3)通過對(duì)比分析，滑移行程為60 mm的構(gòu)架柱頂最大位移相對(duì)于滑移行程為100 mm的構(gòu)架柱頂最大位移減少了15.2%。再次印證了滑移行程選取60 mm時(shí)更為合理有效。

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