变电构架优化设计研究

变电构架结构优化设计研究2012-06-12I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 .19变电构架结构优化设计研究 11. 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、变电构架结构优化设计研究 2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 750kV 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 (POSCO E&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。PKPM 是一个系列软件，除了建筑、结构、设备（给排水、采变电构架结构优化设计研究 3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 Wilson 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 SAP2000。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，对应结构风压取 W10kt-40夏季安装，最低日平均气温运行，计算温差 t=40C变电构架结构优化设计研究 4t35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+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+1.0 t-40+1.4W10k1.2Gk+1.3D13k+1.0 t-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变电构架结构优化设计研究 5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、 1595 2198柱腹杆 2457、 1595、 1805、 835、 1215、 685、 14051805、 1145、 685、 895、 1405、 835梁弦杆 21981467梁腹杆 896 835、 735变电构架结构优化设计研究 6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）柱弦杆 0.818大风工况进出线构架柱 桁架支撑0.826覆冰工况X 向：9456300/200=281.5Y 向：8756300/200=281.5柱弦杆 0.792大风工况母线构架柱 桁架支撑0.639大风工况X 向：2528300/200=141.5Y 向：2428300/150=188.7弦杆 0.173大风工况进出线梁 桁架支撑0.734大风工况竖向：2042000/300=140水平：1442000/300=140弦杆 0.11覆冰工况6m母线梁 桁架支撑0.597覆冰工况竖向：2441000/300=137水平：2041000/300=137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Q235 149Q345 63合计 212变电构架结构优化设计研究 75.3 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的强度等级，并对截面进行优化计算。采用各种高强钢材时杆件的规格分别见表 5表 8。表 5 Q420 强度钢管格构式构架材料表构架类型 进出线构架 母线构架柱弦杆 35112、 35110、 2456、 14051806柱腹杆 2196、 1524.5、 1594.5、 833、 1215、 683、 1404.5 1594.5、 1144、 683、893.5、 1404.5、 833梁弦杆 1806 1404.5梁腹杆 895833、 63.53.5表 6 Q460 强度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 35110、 3257.5、 2036、 13351945柱腹杆 2036、 1464.5、 833.5、 1215、 603、 1335 1464.5、 1144、 603、894、 1335、 833.5梁弦杆 19451214梁腹杆 895 833.5、 683表 7 Q500 强度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 35110、 3257.5、 1946、 11441806柱腹杆 2196、 1405、 1464.5、 833.5、 1215、 503.5、 1335 1464.5、 1144、 503.5、 835、 1335、 833.5梁弦杆 1525 1023.5梁腹杆 895833.5、 603表 8 Q550 强度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 35110、 3257.5、 1945、 9551945柱腹杆 2196、 1336、 1524.5、 833、1215、 603、 14051524.5、 1024、 603、895、 1404.5、 833、梁弦杆 1525 953.5梁腹杆 895 833、 683变电构架结构优化设计研究 8（2）主要计算结果钢