黃 佳，尹小剛，許戰(zhàn)軍

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

1 工程概況

德爾西(Delsi)水電站位于厄瓜多爾Zamora Chinchipe省Zamora河上，流域面積1 105 km2，多年平均流量44.5 m3/s。電站為引水式電站，開發(fā)任務為發(fā)電，庫容42萬m3，可利用庫容27萬m3。電站裝機容量180 MW，多年平均發(fā)電量12.18億kWh。安裝3臺沖擊式水輪發(fā)電機組，單機容量60 MW，額定水頭495 m[1-2]。

樞紐建筑物主要由首部樞紐、電站進水口、沉沙池、引水隧洞、調壓井、壓力鋼管和地面廠房、開關站組成。德爾西水電站開關站采用戶外布置方式，布置在廠區(qū)右側，地面高程965.00 m、面積為37 m×73 m，開關站內布置有138 kV GIS和出線設備[1-2]。

開關站出線架為鋼桁架結構，由4跨組成，跨度為4×12 m、高20 m，其體型布置見圖1、2。

2 結構設計基本參數

根據《水電站壓力鋼管設計規(guī)范》[3]及《110 kV～750 kV架空輸電線路設計標準》[4]選用Q345鋼材，鋼材特性見表1。對開關站出線架進行設計，計算工況及荷載組合見表2，出線荷載取值見表3。

表1 鋼材特性表

表2 計算工況與荷載組合表

表3 最大出線荷載表

圖1 開關站出線架平面布置圖 單位：mm

圖2 開關站出線架正視圖 單位：mm

3 結構分析

3.1 結構分析模型

開關站出線架布置見圖1、2，建立開關站出線架三維分析模型，見圖3。

3.2 內力計算結果

德爾西水電站設計采用美國規(guī)范AISC-Load And Resistance Factor Design Specification For Structural Steel Buildings[5](以下簡稱“AISC-LRFD”)，經計算，開關站出線架各桿件控制內力見表4。

根據美國規(guī)范“AISC-LRFD”穩(wěn)定計算公式(詳見4.2節(jié))，考慮抗力分項系數后，材料屈服強度取345 N/mm2，分析并選取滿足要求的各桿件截面參數見表5。

表4 出線架各桿件控制內力表

表5 斷面選擇表

圖3 開關站出線架sap2000計算模型圖

4 結構穩(wěn)定性評價

針對開關站出線架設計，分別采用中國規(guī)范、美國規(guī)范進行設計，并對中美鋼結構設計規(guī)范中強度計算公式進行比較分析[6-7]。

4.1 中國規(guī)范

根據中國規(guī)范《架空送電線路桿塔結構設計技術規(guī)定》[8]及《鋼結構設計規(guī)范[9]，計算公式如下。

(1) 軸心受力構件

(1)

式中：σ為正應力，N/m2；N為軸心拉力或軸心壓力設計值，N；An為構件凈截面面積,m2；m為構件強度折減系數，依據規(guī)范取值；f為鋼材的強度設計值, N/m2；

(2) 壓彎構件

(2)

式中：M為彎矩設計值,N.m；N為軸心壓力設計值,N；A為構件毛截面面積，m2；W為截面抵抗矩，m3；φ為軸心受壓構件穩(wěn)定系數，依據規(guī)范取值；f為鋼材的強度設計值，N/m2；

采用中國規(guī)范進行穩(wěn)定分析，開關站出線架各桿件的斷面選擇見表6。

4.2 美國規(guī)范

根據美國規(guī)范“AISC-LRFD”，計算公式如下。

(1) 受拉構件

受拉構件的設計強度φtPn，取毛截面屈服強度和凈截面抗拉強度2種計算結果的較小值。

表6 斷面選擇表

1) 毛截面屈服強度

φt=0.9

Pn=FyAg

2) 凈截面抗拉強度

φt=0.75

Pn=FuAe

式中：Fy為鋼材屈服強度，N/m2；Fu為鋼材抗拉強度，N/m2；Ag為構件毛截面面積，m2；Ae為構件凈截面面積，m2。

(2) 受壓構件

受壓構件的設計強度φcPn，計算式如下：

φc=0.85

Pn=AgFcr

1) 當λc≤1.5時

2) 當λc>1.5時

式中：Fcr為臨界應力，N/m2；Ag為構件毛截面面積，m2；Fy為鋼材屈服強度，N/m2；λc為構件長細比；Pn為標稱軸向強度，N。

構件毛截面面積，m2；Fy為鋼材屈服強度，N/m2；

(3) 受彎構件

對于T形截面和角鋼，抗彎設計強度為φbMn,計算式如下：

φb=0.9

式中：E為鋼材的彈性模量，N/m2；Iy為繞y軸的截面慣性矩，m4；G為鋼材的剪切模量，N/m2；J為截面的極慣性矩，m4；Mn≤1.5My時，為拉桿，B取正值；Mn≤1.0My時，為壓桿，B取負值。

采用美國規(guī)范進行穩(wěn)定分析，開關站出線架各桿件的斷面選擇見表7。

表7 斷面選擇表

4.3 差異性分析

(1) 受拉構件，美國規(guī)范“AISC-LRFD”取毛截面屈服強度和凈截面抗拉強度2種計算結果的較小值；而中國規(guī)范《架空送電線路桿塔結構設計技術規(guī)定》則按凈截面屈服強度進行計算，中國規(guī)范計算結果偏于安全[10-16]。

(2) 壓彎構件，中國規(guī)范主要是依據邊緣纖維屈服準則并考慮壓彎構件二階效應[10]，即以截面應力最大的邊緣開始屈服的臨界荷載作為壓彎構件的穩(wěn)定承載力；而美國規(guī)范采用含折減系數的實用公式進行驗算。

(3) 受壓構件的穩(wěn)定計算方面，中國規(guī)范對構件的長細比和寬厚比按2個系數分別計算，長細比的大小影響穩(wěn)定系數，寬厚比的大小影響折減系數；美國規(guī)范對計算寬厚比超過限定值的構件要進行強度修正[15]。

(4) 荷載組合系數上，美國規(guī)范“AISC-LRFD”通常取恒載1.2、活載1.6；中國規(guī)范通常取恒載1.2、活載1.4(可變荷載控制)[13]。

(5) 材料設計強度方面，美國規(guī)范“AISC-LRFD”采用材料的名義屈服強度值；中國規(guī)范采用材料強度設計值，即材料強度標準值除以分項系數[12]。

5 結 語

本文采用美國鋼結構規(guī)范“AISC-LRFD”對德爾西水電站開關站出線架進行了設計，并對中美規(guī)范關于鋼結構出線架的計算公式進行了比較與分析。由于中美鋼結構規(guī)范都結合了各自的國情與設計習慣，二者在設計理論和計算方法上存在較大差異。

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