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1、变电构架结构优化设计研究2012-06-12目录1.工程背景12.主要研究内容13.结构计算软件24.变电构架所受荷载类型及荷载组合35.变电站构架的格构式钢结构方案45.1格构式钢结构方案的计算模型45.2主要计算结果65.3采用高强钢材计算66.变电站构架的人字柱钢结构方案106.1 人字柱钢结构方案的计算模型106.2 钢管人字柱构架体系建模分析107.计算结果汇总178.主要研究结论189.推荐方案19I变电构架结构优化设计研究 1. 工程背景电力传输工程是国防、工农业生产和人民生活中的生命线工程，变电站构架是电力传输工程的基础设施之一，它对保证电力传输的安全运行起着非常重要的作用。和
2、传统的变电站相比，750kV特高压变电构架的高度、跨度及荷载水平均比较高，其构架结构的合理选型是保证变电站设计达到安全适用、经济合理的重要前提条件之一。目前国内外500kV及以上电压等级变电构架的结构型式主要采用格构式钢结构和人字柱钢结构两种型式。格构式钢结构至今仍在国外变电构架设计中被广泛采用，该结构由矩形断面格构式柱和矩形断面格构式钢梁组成，梁柱铰接或刚接。梁、柱弦杆通常采用圆钢管，腹杆采用钢管或角钢。格构式钢结构的优点在于其整个结构均由较小钢管或角钢组成，节点采用螺栓或焊接连接，构件尺寸小、自重轻，制作、运输及防腐处理方便，但杆件种类和数量较多，现场拼装工作量较大，防腐维护费用高。人字柱
3、钢结构是国内500kV变电构架中应用最为广泛的一种结构型式，该结构由人字形普通钢管构架柱和三角形断面格构式钢梁组成，梁柱采用铰接。构架柱弦杆和钢梁弦杆均采用普通钢管，柱、钢梁弦杆拼接接头采用刚性法兰，钢梁腹杆采用螺栓连接，安装、制作和运输较方便。2. 主要研究内容本设计以金昌750kV变电站为工程背景，针对该750kV变电站构架进行结构选型和优化设计。主要内容包括：（1）提出4个优化初步方案，然后和甘肃省电力设计院共同研究初步方案的可行性，确定2个优选方案进行优化工作。（2）对2个优选方案建立有限元分析模型，并对其进行优化设计，确定最终推荐方案，给出结构布置和构件尺寸，最后计算经济指标。具体方
4、案是：（1）建立750kV变电站构架的格构式钢结构计算模型，分别采用普通（强度）钢材和高强钢材两种方案进行对比计算，对两种方案的钢构件应力比、结构位移、用钢量及造价进行对比分析。（2）建立750kV变电站的人字柱-三角形格构式梁钢结构构架计算模型，对人字柱构架的进出线构架柱和母线构架柱的根开尺寸和构件截面高度、进出线梁和母线梁的截面高度进行优化设计。结合格构式钢结构方案，对钢构件应力比、结构位移、用钢量及造价进行对比分析。（3）应用高强钢材建立750kV变电站的人字柱-三角形格构式梁钢结构构架模型，对比分析采用高强钢材和普通钢材两种情况下的构件应力比、结构位移、钢材用量和结构造价。（4）建立7
5、50kV变电站构架的钢管混凝土人字柱-三角形格构式梁构架结构计算模型，分析对比钢管混凝土柱和空钢管柱两种方案的构件应力比、结构位移、用钢量及造价。3. 结构计算软件目前，针对工程设计的有限元软件层出不穷，建模灵活性越来越好，计算精度越来越高。在我国的建筑设计领域，SAP2000，Midas，STAAD/CHINA，PMSAP等软件占据了大部分市场。MIDAS软件是1989年由韩国浦项制铁开发公司(POSCOE&C)集团的专门研究机构进行开发的，以2002年11月成立北京迈达斯技术有限公司为标志，MIDAS软件正式进入了中国。该软件针对土木工程结构，在分析像预应力箱型桥梁、悬索桥、斜拉桥等的桥梁
6、结构时有一定优势，也具有非线性边界分析、水化热分析、材料非线性分析、静力弹塑性分析和动力弹塑性分析等功能。但该软件开发时间较短，工程实例相对较少，其计算准确性的验证资料有限，在国际上也缺乏影响力。STAAD/CHINA软件是由1995年成立的阿依艾工程软件(大连)有限公司开发的，该软件拥有强大的三维图形建模与可视化前后处理功能，较适用大中型设计单位和承担大型钢结构建筑的加工与安装企业使用。可对钢、木、铝、混凝土等各种材料构成的框架、塔架、桁架、网架、悬索等各类结构进行线性、非线性静力、反应谱及时程反应分析。PMSAP是中国建筑科学研院建筑工程软件研究所开发的PKPM系列软件中的一个模块。PKP
7、M是一个系列软件，除了建筑、结构、设备（给排水、采暖、通风空调、电气）设计于一体的集成化CAD系统以外，目前PKPM还有建筑概预算系列软件（钢筋计算、工程量计算、工程计价）、施工系列软件（投标系列、安全计算系列、施工技术系列）和施工企业信息化（目前全国很多特级资质的企业都在用PKPM的信息化系统）。PMSAP模块是针对复杂高层的分析和设计软件，但PKPM的层概念一直扣的很紧，不利于计算一些没有层概念的建筑，制约了软件系列运用的灵活性。另外，该软件在国际上的知名度也不高。与MIDAS、PMSAP、STAAD/CHINA等软件不同，SAP2000程序是由国际著名结构工程大师Edwards Wils
8、on由20世纪70年代初开发完成的，该软件于80年代初进入中国。创始的SAP(Structure Analysis Program)程序一直不断发展，至今已经出现许多版本，SAP2000是这些新一代程序中最新也是最成熟的产品。SAP2000保持了原有产品的传统，具有完善、直观和灵活的界面，为在交通运输、工业、公共事业、运动和其它领域工作的工程师提供了优秀的分析引擎和设计工具。该软件符合我国建筑结构设计规范的要求，能够处理各种复杂的结构体系，可以更好地提升我国结构设计的效率和水平。该软件开发时间早，建模准确，计算的准确度高，是国际上公认的著名结构分析和设计软件之一。因此，本次优化计算软件采用SA
9、P2000。4. 变电构架所受荷载类型及荷载组合本设计中变电构架承受的荷载主要包括结构自重、风荷载、温度作用、检修荷载、覆冰荷载等，采用kN、m、C国际单位制。各种荷载的符号及其说明如表1所示。挂线点示意图见附图1。表1 750kV构架设计荷载（kN、m、C）荷载符号荷载符号说明Gk结构自重及其他恒载效应标准值Wk大风气象条件下作用于构架上的风荷载效应标准值W10k对应风速为10m/s时作用于构架上的风荷载效应标准值D11k大风气象条件下导线荷载效应标准值，对应结构风压取WkD12k覆冰有风气象条件下导线荷载效应标准值，对应结构风压取W10kD13k最低温气象条件下的导线荷载效应标准值，对应结
10、构风压取W10kt-40夏季安装，最低日平均气温运行，计算温差t=40Ct35夏季或冬季安装，最大风运行，计算温差t=35CD31k三相同时上人停电检修导线荷载效应标准值（仅考虑母线），对应结构风压取W10k变电构架的荷载组合分为承载能力极限状态组合和正常使用极限状态组合。承载能力极限状态组合用于可能导致结构破坏的构件和连接的强度、稳定等计算，应考虑荷载效应的基本组合。正常使用极限状态组合用于影响结构正常使用和耐久性的如构件的变形、裂缝等计算，应根据不同的设计要求，采用荷载效应的标准组合。承载能力极限状态组合如下：（1）大风工况：1.0Gk+1.3D11k+1.4Wk1.2Gk+1.3D11k
11、+1.4Wk（2）覆冰有风工况：1.0Gk+1.3D12k+1.4W10k1.2Gk+1.3D12k+1.4W10k（3）温度作用工况：1.0Gk+1.3D13k+1.0t-40+1.4W10k1.2Gk+1.3D13k+1.0t-40+1.4W10k1.0Gk+t35+0.85(1.3D11k+1.4Wk)1.2Gk+t35+0.85(1.3D11k+1.4Wk)（4）检修工况1.0Gk+1.2D31k+1.4W10k(仅考虑母线)1.2Gk+1.2D31k+1.4W10k(仅考虑母线)（5）正常使用极限状态组合Gk+D11k+0.5Wk5. 变电站构架的格构式钢结构方案5.1格构式钢结构方
12、案的计算模型格构式钢结构方案的整体计算模型见图1，进出线构架和母线构架的立面图分别见附图2和附图3。图1 750kV变电站构架格构式钢结构方案整体模型钢管格构柱采用矩形断面，弦杆和腹杆采用圆钢管，进出线构架柱的根开尺寸为2.50m7.54m，基础顶面到进出线梁底的距离为40.55m，进出线梁采用格构式矩形断面，高度和宽度均为2.50m。母线构架柱的根开尺寸为2.00m4.02m，基础顶面到母线梁底距离为26.30m，母线梁也采用格构式矩形断面，母线梁高度和宽度为2.0m和2.5m。进出线梁为沿X轴方向，母线梁为沿Y方向。进出线塔架的总高度为56.30m、母线塔架总高度为28.30m。进出线梁和
13、母线梁的跨度分别为42.00m和41.00m。普通格构式钢结构方案所采用的主要材料的强度等级为Q235和Q345级，规格及尺寸见表2。表2普通钢管格构式塔架材料表构架类型进出线构架母线构架柱弦杆35112(Q345)、35110(Q345)、2738、15952198柱腹杆2457、1595、1805、835、1215、685、14051805、1145、685、895、1405、835梁弦杆21981467梁腹杆896835、735注：表中除注明外，其它均采用Q235级钢材。变电站构架柱和构架梁的弦杆采用法兰连接方式，因此在该模型中简化为固接形式；构架柱和构架梁内部的腹杆与弦杆连接采用铰接方
14、式；构架梁和构架柱的连接采用铰接方式；构架柱的底部与基础相连的节点全部采用固接方式。5.2主要计算结果普通格构式钢结构方案的计算结果见表3。杆件应力比基本满足小于0.8的设计要求，柱顶位移和梁跨中挠度也满足规范的限值要求。表3钢管格构式构架的杆件应力比、构架柱和构架梁的位移 结果根开尺寸构件类型最大应力比及控制工况柱顶最大位移及限值（mm）梁跨中最大挠度及限值（mm）6m进出线构架柱柱弦杆0.818大风工况X向：9456300/200=281.5Y向：8756300/200=281.5桁架支撑0.826覆冰工况母线构架柱柱弦杆0.792大风工况X向：2528300/200=141.5Y向：2428300/150=188.7桁架支撑0.639大风工况进出线梁弦杆0.173大风工况竖向：2042000/300=140水平：1442000/300=140桁架支撑0.734大风工况母线梁弦杆0.11覆冰工况竖向：2441000/300=137水平：2041000/300=137桁架支撑0.597覆冰工况普通格构式钢结构方案的材料用量统计见表4。表4钢管格构柱构架材料统计（单位：t）材料强度等级用量Q235149Q34563合计2125.3采用高强钢材计算（1）计算模型本优化主要针对材料用量，主要钢材分别采用Q420、Q460、Q500、Q550的强度等
