浅谈单钢管柱在 500kV配电装置构架中的应用

王东晨

国核电力规划设计研究院有限公司 100095

摘要：500kV配电装置构架是变电站内的重要构筑物，其设计方案对变电站的平面布置和建造成本有着重要影响。为节约变电站用地，减少混凝土和钢材使用量，本文研究了单钢管柱在500kV配电装置构架中的应用，证明钢管人字柱和单钢管柱相结合的构架形式结构安全，与传统的钢管人字柱构架相比具有明显的经济效益。

500kV配电装置构架是500kV变电站的重要组成部分，其设计方案直接关系到变电站的建设投资和安全运行。到目前为止，国内建成投运的500kV变电站中广泛采用普通钢管人字柱联合构架。该结构形式由A型普通钢管柱和三角形断面格构式钢梁组成，安装、加工和运输均比较方便。但由于人字柱占地面积大，构架钢材和基础混凝土使用量大，用单钢管柱取代人字柱的结构形式正逐渐引起变电站建设部门和设计师的重视。

1研究方法

本文以500kV联合构架为例，使用单钢管柱替代主变进线侧及出线侧人字柱，只在中间构架设置人字柱。采用国际通用的STAAD.Pro V8i空间计算分析软件对钢管人字柱和单钢管柱相结合的构架形式进行计算与分析。

2设计条件

2.1 电气设备布置要求

上层出线构架挂点高度为26m，地线构架挂点高度为34m，构架间隔跨度为28m和27m，母线构架间隔跨度为30.5m。构架南北方向全长92m，东西方向全长61m，见图3.2-1。

2.2计算条件

基本风压取0.55kN/m2，抗震设防烈度取7度，设计基本地震加速度0.10g,场地类别为Ⅱ类。结构重要性系数取1.1。

2.3 计算荷载

作用在构架上的荷载主要有:结构自重、风荷载、覆冰荷载、上人、安装检修荷载、短路冲击力、导线张力、温度作用、地震作用。构架按本期规模和最终规模两种情况下所产生的荷载进行分析计算，考虑单侧和双侧挂线两种情况。

2.3.1导线荷载

表2.3-1 导线荷载

2.3.2风荷载

按《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）估算结构基本自振周期大于0.25s，属于高耸结构，风荷载是影响高耸结构安全的主要荷载之一。本文中构架设计采用分段计算风振系数，其加权平均值放大5%，计算取值为1.48。

2.3.3覆冰荷载

对构架进行抗冰雪验算，既考虑导线覆冰荷载，也考虑结构覆冰荷载。

2.3.4温度作用

温度作用的影响考虑夏季安装冬季变形、冬季安装夏季变形、夏季安装大风工况下运行、冬季安装大风工况下运行等情况，详见荷载列表（表2.4-1）。

2.3.5地震作用

依据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）在软件中手动定义地震反应谱。

2.4 荷载组合

表2.4-1 作用于构架的荷载列表

根据《建筑结构荷载规范》（GB50012-2012）和《变电站建筑结构设计技术规程》（DL/T5457-2012），对表2.4-1中荷载进行组合。

3 构架设计

3.1 结构体系设计

3.1.1杆件设计要求

杆件的计算长度及计算长度系数、允许长细比、允许挠度均按照《变电站建筑结构设计技术规程》（DL/T5457-2012）第6节中规定执行。

3.1.2结构体系

（1）人字柱根开的确定

人字柱根开过大,浪费材料且占地面积较大；根开过小，构架抵抗水平方向荷载的能力减弱。结合规范规定及STAAD.Pro V8i空间计算分析，中间构架人字柱根开尺寸取6.5m。

（2）节间长度的确定

确定节间长度时主要考虑主材的长细比和腹杆的支撑角度。长细比按《变电站建筑结构设计技术规定》执行；腹材的理想支撑角度为45°，考虑到实际情况，《钢结构设计规范》建议控制支撑角度在30°～60°之间，超出这个范围的支撑体系对结构的整体稳定是不利的。

（3）梁、柱断面的选择

根据带电距离、导线张力等要求，确定构架柱及构架梁主材选用Q355，构架人字柱截面选用Φ530X10，单钢管柱截面选用Φ630X12，三角形格构梁截面为2.0m（底宽）x2.0m（高）。

3.2 构架计算模型

图3.2-1 500kV配电装置构架计算模型

3.3 计算结果

经STAAD.Pro V8i计算，构架柱挠度、构架梁跨中挠度、避雷针位移均满足规范要求。经SSDD V8i计算，全部杆件计算结果均通过检验，最大应力比为0.880.

4 经济效益

500kV配电装置构架采用人字柱与单钢管柱联合布置方案与纯人字柱方案的分析对比如下：

表4 500kV配电装置构架参数比较表

通过上表可以看出，采用人字柱与单钢管联合结构后，柱用钢量可减少14.61t，混凝土使用量可减少240.17m3，用地面积可节约442.33m2,经济效益明显。

5 结论

在500kV配电装置构架的设计中，使用单钢管柱代替出线侧及主变进线侧人字柱的方案在结构上安全可靠，且经济效益明显。

参考文献：

[1]GB5017-2017，钢结构设计标准[S]

[2]DL/T 5457-2012，变电站建筑结构设计技术规程[S]

[3]GB50009-2012，建筑结构荷载规范[S]

[4]杨建江,李辰曦,刘亮亮.全联合构架单钢管柱空间作用影响系数[J].工业建筑,2016,46(12):146-151.

[5]杨国富.单钢管构架梁和柱的振动研究[J].武汉大学学报(工学版),2007(S1):196-199.

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