鞠洪濤 徐光彬 歐陽紅

摘 ? 要：為保證變電站750 kV構(gòu)架計(jì)算結(jié)果安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理，該文以某變電站典型多跨聯(lián)合構(gòu)架為例，選用工程上常用的3種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，即SAP2000、STAAD/CHINA、MIDAS/Gen。之后對(duì)聯(lián)合構(gòu)架進(jìn)行整體建模，對(duì)比柱頂位移、軸力、梁位移及應(yīng)力比，分析3種軟件的計(jì)算結(jié)果，為變電站聯(lián)合構(gòu)架采用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算提供了可靠依據(jù)。

關(guān)鍵詞：應(yīng)力比;有限元軟件;750 kV聯(lián)合構(gòu)架;軸力;SAP2000

中圖分類號(hào)： TP391 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

變電站作為電力運(yùn)輸?shù)臉屑~，其安全性關(guān)系到人民群眾的生產(chǎn)和生活。變電站設(shè)計(jì)的安全性顯得尤為重要，變電站750 kV聯(lián)合構(gòu)架是變電站土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心技術(shù)，相比傳統(tǒng)變電構(gòu)架，750 kV及以上特高壓變電構(gòu)架的高度、跨度及荷載水平均較高，其構(gòu)架結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確計(jì)算是保證變電站設(shè)計(jì)達(dá)到安全適用、經(jīng)濟(jì)合理的重要前提條件之一。750 kV構(gòu)架結(jié)構(gòu)通過計(jì)算分析，合理選型，可以有效減少占地面積、節(jié)省用鋼量、節(jié)約土地資源和降低工程造價(jià)，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 3種軟件簡介

1.1 ?SAP2000簡介及構(gòu)架模型建立

SAP2000是一個(gè)集成化的通用結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)軟件。具備友好的用戶界面，它可以對(duì)包括橋梁、體育場館、高塔、工業(yè)廠房、近海結(jié)構(gòu)、管道系統(tǒng)、建筑結(jié)構(gòu)、大壩、土壤、機(jī)械等不同體系類型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，也可以根據(jù)需要完成世界大多數(shù)國家和地區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

SAP2000進(jìn)行構(gòu)架模型建立的方法及主要步驟有4個(gè)。1）導(dǎo)入CAD塔架模型，定義組及框架屬性，將框架屬性賦予于塔架構(gòu)件。2）定義約束。主材采用剛接，其余桿件采用鉸接，同時(shí)梁柱采用鉸接。塔架結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)采用剛接。3）根據(jù)塔架所受荷載進(jìn)行荷載定義與賦予，然后進(jìn)行荷載組合。4）運(yùn)行分析及后處理。

1.2 STAAD/CHINA簡介及構(gòu)架模型建立

STAAD/CHINA是全球首屈一指的三維結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)工程軟件，包含STAAD.Pro和SSDD 2個(gè)部分?？赏ㄟ^其靈活的建模環(huán)境、高級(jí)的功能和流暢的數(shù)據(jù)協(xié)同進(jìn)行電力、涵洞、石化工廠、隧道、橋梁、橋墩等幾乎任何設(shè)施的鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、鋁結(jié)構(gòu)和冷彎型鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

STAAD/CHINA進(jìn)行構(gòu)架模型建立的方法及主要步驟有4個(gè)。1）輸入結(jié)構(gòu)的幾何模型，可在CAD中畫好三維圖后直接在程序中調(diào)出。定義桿件截面特性，輸入桿件的材料特性和幾何常數(shù)。2）支座及桿件特性定義。支座處采用剛接，主材之間采用剛接，其余桿件采用鉸接。3）輸入各工況的基本荷載及荷載組合。4）運(yùn)行分析及后處理。

1.3 ?MIDAS/Gen簡介及構(gòu)架模型建立

MIDAS/Gen是為了能夠迅速完成對(duì)結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)而開發(fā)的，建筑及土木結(jié)構(gòu)通用的結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，MIDAS/Gen全面強(qiáng)化了實(shí)際工作中，結(jié)構(gòu)分析時(shí)所需要的分析功能，從而計(jì)算出更加準(zhǔn)確的、切合實(shí)際的分析結(jié)果。

MIDAS/Gen進(jìn)行構(gòu)架模型建立的方法及主要步驟有4個(gè)。1）定義框架截面，導(dǎo)入CAD文件，并將截面屬性賦予構(gòu)架桿件上。2）支座及桿件特性定義。支座處采用剛接，主材之間采用剛接，其余桿件采用鉸接。3）荷載定義與荷載組合，并將荷載施加在構(gòu)架上。4）運(yùn)行分析，查看分析結(jié)果。

2 ?荷載及荷載組合

2.1 ?風(fēng)荷載

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按公式（1）計(jì)算：

ωk =βz μz μsω0 ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：ω0—基本風(fēng)壓，可按照ω0=υ2/1600近似計(jì)算，小風(fēng)工況取與風(fēng)速10 m/s對(duì)應(yīng)的基本風(fēng)壓，即0.063 kN/m2。大風(fēng)工況取該地區(qū)50年一遇的風(fēng)壓值，但不得小于0.3 kN/m2。μs—體形系數(shù)，可根據(jù)桿件和節(jié)點(diǎn)擋風(fēng)的凈投影面積與輪廓線面積計(jì)算其擋風(fēng)系數(shù)，再根據(jù)《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》得到風(fēng)荷載體形系數(shù)。βz—風(fēng)振系數(shù)，風(fēng)振系數(shù)的取值參照《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》[1]，格構(gòu)式塔架結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù)取1.5。μz—風(fēng)壓高度變化系數(shù)，根據(jù)變電站所處的地理環(huán)境取值。

作用在構(gòu)架柱上的風(fēng)荷載等于各柱段風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以其桿件直徑，得到的線荷載值在軟件中以均布線荷載形式施加。作用在母線梁上的風(fēng)荷載等于擋風(fēng)面積乘以標(biāo)準(zhǔn)值，經(jīng)擋風(fēng)系數(shù)折減后，對(duì)稱分配到桁架梁的上下弦桿上，最終以桁架梁上下弦桿的均布線荷載形式施加。X方向風(fēng)荷載施加效果圖如圖1所示。

2.2 ?導(dǎo)線荷載

進(jìn)、出線和母線梁除承受風(fēng)荷載以外，還承受導(dǎo)線荷載，其作用集中在3個(gè)掛線點(diǎn)處，電氣專業(yè)所提的導(dǎo)線荷載見表1。

2.3 ?荷載組合

構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)使用過程中在結(jié)構(gòu)上可能同時(shí)出現(xiàn)的荷載，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，并根據(jù)各自的最不利的效應(yīng)組合進(jìn)行設(shè)計(jì)[1-2]。

荷載組合時(shí)，各荷載的分項(xiàng)系數(shù)按以下4項(xiàng)規(guī)定選取。1） 對(duì)于永久荷載，當(dāng)其效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)不利時(shí)，由可變荷載效應(yīng)控制的組合應(yīng)取1.2，由永久荷載效應(yīng)控制的組合應(yīng)取1.35。當(dāng)其效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)有利時(shí)，一般情況下應(yīng)取1.0，對(duì)結(jié)構(gòu)的傾覆、抗拔計(jì)算應(yīng)取0.9。2） 對(duì)于可變荷載，一般情況下應(yīng)取1.4，對(duì)溫度變化作用應(yīng)取1.0，對(duì)地震作用應(yīng)取1.3。3） 偶然荷載作用的分項(xiàng)系數(shù)取1.0。4） 導(dǎo)線荷載的分項(xiàng)系數(shù)一般情況下應(yīng)取1.3。

根據(jù)《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》，按照承載能力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)選擇荷載組合。荷載效應(yīng)基本組合主要有運(yùn)行工況、安裝工況、檢修工況、地震作用效應(yīng)組合和荷載效應(yīng)的偶然組合。其中運(yùn)行工況包括大風(fēng)工況、覆冰有風(fēng)工況、溫度作用工況。

3 ?截面和材料選擇

考慮到進(jìn)出線柱、母線柱、進(jìn)出線構(gòu)架柱橫桿及進(jìn)出線構(gòu)架梁弦桿受力較大，選用強(qiáng)度較高的Q345（Q355）鋼材，其余部位構(gòu)件由于受力較小，選用Q235鋼材[3]。在截面選擇中，先預(yù)先根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)選擇各類桿件的截面尺寸，再反復(fù)調(diào)整其截面尺寸大小，使其控制應(yīng)力比大小在合理范圍。該部分較為煩瑣，主要工作在建模過程中體現(xiàn)，在此不做過多贅述。

4 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

4.1 ?柱頂位移、梁跨中位移對(duì)比

在各種工況數(shù)據(jù)中，根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，其中大風(fēng)不利工況下對(duì)應(yīng)X方向柱頂位移最大，其組合形式為

1.2GK+1.3D11K+1.4WK （2）

式中：GK—結(jié)構(gòu)自重及其他橫荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值。D11K— 大風(fēng)氣象條件下導(dǎo)線荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值。WK— 大風(fēng)氣象條件下作用于構(gòu)架和導(dǎo)線上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值。

圖2為分析所得的構(gòu)架的沿X方向位移變形圖，表2為大風(fēng)不利工況下地線柱端節(jié)點(diǎn)位移對(duì)比。

在各種工況數(shù)據(jù)中，溫度作用工況下對(duì)應(yīng)梁跨中Z向位移最大，其組合形式為

1.2GK+1.3D13K+1.4W10K+1.0Δt-40 （3）

式中：Gk—結(jié)構(gòu)自重及其他橫荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值，D13k— 最低氣溫氣象條件下導(dǎo)線荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值，W10k— 對(duì)應(yīng)風(fēng)速10 m/s 的作用于構(gòu)架和導(dǎo)線上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，Δt-40—夏季安裝，最低日計(jì)算平均氣溫下運(yùn)行時(shí)的溫度作用效應(yīng)，計(jì)算溫差t=-40℃。

該工況下對(duì)比結(jié)果見表3。

4.2 ?軸力、應(yīng)力比對(duì)比

在各種工況數(shù)據(jù)中，其中X方向大風(fēng)有利工況下對(duì)應(yīng)進(jìn)出線柱軸力最大，其組合形式為

1.0GK+1.3D11K+1.4WK （4）

其效果圖如圖3所示，表4為進(jìn)出線柱在該工況下軸力對(duì)比。圖中1-8為構(gòu)架柱柱段編號(hào)，A為支座節(jié)點(diǎn)。

應(yīng)力比云圖如圖4所示。取進(jìn)出線構(gòu)架柱編號(hào)部分進(jìn)行應(yīng)力比對(duì)比，結(jié)果見表5。

5 ?結(jié)語

根據(jù)以上柱頂位移、梁跨中位移、軸力及應(yīng)力比的對(duì)比，可知3種軟件分析差異較小，結(jié)果計(jì)算差異值對(duì)比均在10%以內(nèi)，證明3種軟件計(jì)算結(jié)果的一致性，為變電站聯(lián)合構(gòu)架采用有限元軟件進(jìn)行對(duì)比計(jì)算提供可靠依據(jù)，保證了計(jì)算結(jié)果的安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理有效性。

參考文獻(xiàn)

[1]電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程：DL/T 5457—2012 [S].北京：中國計(jì)劃出版社，2012：9-11.

[2] 中南電力設(shè)計(jì)院.變電構(gòu)架設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：GB50017—2017[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2017：16-23.