220kV构架.doc

220kV(20kV)变电站标准化设计户外AIS方案 220kV构架及基础计算书卷册检索号TW865A1-2010-T0301计 算 书设计阶段： 施工图阶段 工程名称： 220kV(20kV)变电站标准化设计 户外AIS方案 计算书名称： 220kV构架及基础计算书 工程检索号： TW865A1-2010 卷册号： T0301 批 准 人： 审 核 人： 校 核 人： 计 算 人： 浙江省电力设计院2010年 1 月 杭州 220kV构架及基础计算书一、 设计资料1. 220kV构架资料220kV连续跨10跨构架，构架高度14.5m，构架梁跨度13m，地线柱高为4m；构架梁为3相挂点，导线挂点高度为14.5m，平面外计算时偏角按5考虑；地线挂点高度为18.5m，偏角按0考虑。详见图一、图二、图三所示： 图一：220kV构架轴测图 图二：构架梁展开图 图三：挂线点位置示意图2. 220kV构架荷载资料220kV主变间隔导线： LGJ-800/55,L=62m,v=38m/s（W=0.9kN/m）,最大弧垂2.0m。导 线构 架 导 线 荷 载(kN)备注（参考变电站出线荷载资料）荷 载 状 态水平拉力H垂直荷载 R运行工况最高温度9.772.57出线垂直荷载2.38 kN最大荷载16.042.98出线垂直荷载2.38 kN最大风速19.473.52出线垂直荷载2.38 kN最低温度13972.58出线垂直荷载3.55 kN安装工况施工安装14022.59出线垂直荷载2.38 kN检修工况三相上人2044 310出线垂直荷载2.38 kN单相上人23.913.36出线垂直荷载2.38 kN三相均挂阻波器，每相垂直荷载800+2x130kg=1060kg；最大风速时侧向风压150kg 安装时梁上人及工具重2.0kN梁自重按1.2 kN /m计算3. 场地条件地震抗震烈度6度，建筑场地类别类；地面粗糙度为B类，基本风压为0.90kN/(地面粗糙程度按B级考虑)。二、 风荷载计算1. 避雷针风荷载计算避雷针详图见图四所示，据变电构架设计手册（以下简称手册）公式3-2风荷载标准值： = （kN/） 图四：避雷针受力示意图1) 第一段计算：a) =2.0 （查手册3.1.3.5条 5.风振系数，下同）b) 中心标高H=28.5+2.5/2=29.75m ，按B类场地粗糙度查得风压高度变化系数（查手册表3-5，下同）：=1.34+=1.416c) d=1.4160.90.042=0.002；故体形系数=1.2（查手册表3-2，下同）d) =2.01.21.4160.9=3.06 kN/e) 沿高度方向线荷载：q1=d=3.060.042=0.13 kN/mf) 第一段中点处集中力：Q1=q12.5=0.33 kN2) 第二段计算：a) =2.0 b) 中心标高H=26.0+2.5/2=27.25m ，按B类场地粗糙度查得风压高度变化系数=1.34+=1.367c) d=1.3670.90.083=0.0080.002,0.015,故体形系数=1.2-=0.92d) =2.00.921.3670.9=2.26 kN/e) 沿高度方向线荷载：q2=d=2.260.083=0.19 kN/mf) 第二段中点处集中力：Q2=q22.5=0.48 kN3) 第三段计算：a) =2.0 b) 中心标高H=23.5+2.5/2=24.75m ，按B类场地粗糙度查得风压高度变化系数=1.25+=1.336c) d=1.3360.90.127=0.0190.015,故体形系数=0.6d) =2.00.61.3360.9=1.44 kN/e) 沿高度方向线荷载：q3=d=1.440.127=0.18 kN/mf) 第三段中点处集中力：Q3=q32.5=0.45 KN4) 第四段计算：a) =2.0 b) 中心标高H=21.0+2.5/2=22.25m ，按B类场地粗糙度查得风压高度变化系数： =1.25+=1.291c) d=1.2910.90.168=0.0320.015故体形系数=0.6d) =2.00.61.2910.9=1.39 kN/e) 沿高度方向线荷载：q4=d=1.390.168=0.23 kN/mf) 第四段中点处集中力：Q4=q42.5=0.58 KN5) 第五段计算：a) =2.0 b) 中心标高H=18.5+2.5/2=19.75m ，按B类场地粗糙度查得风压高度变化系数=1.20+=1.245c) d=1.2450.90.194=0.0420.015故体形系数=0.6d) =2.00.61.2450.9=1.34 kN/e) 沿高度方向线荷载：q5=d=1.340.194=0.26 kN/mf) 第四段中点处集中力：Q5=q52.5=0.65 kN6) 避雷针各段风荷载参数一览表：（kN/）（kN/）q (kN/m)Q (kN)d(mm)（cm）s第一段(2.5m)2.01.21.4160.93.060.130.33429.453第二段(2.5m)2.00.921.3670.92.260.190.488393.561第三段(2.5m)2.00.61.3360.91.440.180.45127357.14第四段(2.5m)2.00.61.2910.91.390.230.581681003.117第五段(2.5m)2.00.61.2450.91.340.260.651941800.076317) 避雷针第五段底端弯矩、轴力、剪力值(均为标准值)：M=Q111.25+ Q28.75 +Q36.25+ Q43.75+ Q51.25 =0.3311.25+ 0.488.75 +0.456.25+ 0.583.75+ 0.651.25=13.71 kN mN=2.9 kN（自重）V=Qi=0.33+ 0.48 +0.45+ 0.58+ 0.65 =2.49 kN2. 地线柱风荷载计算a) =2.0 b) 标高为14.5+4/2=16.5m ，按B类场地粗糙度查得风压高度变化系数 =1.14+=1.176c) d=1.1760.90.273=0.080.015故体形系数=0.6d) =20.61.1760.9=1.27 kN/e) 沿高度方向线荷载：q=d=1.270.273=0.35 kN/mf) V=0.354 =1.40 kN3. 人字柱风荷载计算a) =1.2 b) 标高14.5-4.5/2=12.25m ，按B类场地粗糙度查得风压高度变化系数=1.00+=1.06c) d=1.1260.90.273=0.0760.015故体形系数=0.6d) 标高10.00m以上时：=1.20.61.060.9=0.69 kN/ 标高10.00m以下时：=1.20.61 .000.9=0.65 kN/e) 沿高度方向线荷载：标高10.00m以上：q=d=0.690.273=0.19 kN/m（当为273钢杆） q=d=0.690.377=0.26 kN/m（当为377钢杆）标高10.00m以下：q=d=0.650.273=0.18 kN/m（当为273钢杆）q=d=0.650.377=0.25 kN/m（当为377钢杆）总上所述，构架10.00m以上及以下时线荷载差别不大，为方便计算均取构架10.00m以上值：q=d=0.690.273=0.19 kN/m（当为273钢杆） q=d=0.690.377=0.26 kN/m（当为377钢杆）三、 出线横梁计算1. 设计资料 计算简图及尺寸如图三所示，导线张力及竖向荷载见前页。 根据电气提供的荷载值，考虑最大荷载、单相上人两种工况下梁内力计算。 梁自重按1.2 kN /m计算,安装时梁上人及工具重2.0kN 三相均挂阻波器，每相垂直荷载800+2x130kg；最大风速时侧向风压150kG 。 本计算书型材截面特性均由“钢结构截面特性”软件算得，不再写详细计算过程。 查手册1.3.2条取=150。2. 运行工况（取最大风速工况）最大风速工况内力分析计算，按考虑主变进线侧挂线核算水平力时梁材料强度和考虑主变进线侧挂线及出线侧核算垂直力时梁材料强度。计算时假定各节点均为交接,为便于计算取阻波器挂点为各导线挂点，此时计算微偏于安全。1) 上主材图五：梁受力示意图垂直力产生的最大弯矩设计值：M= 1.4（R+2.38）13/4+（ R+2.38）2.5+1.2（qL+ R13/4+ R2.5） =1.4 (3.52+2.38)13/4+(3.52+2.38)2.5) +1.2(1.213+10.613/4+10.62.5) =151.06kN m轴力设计值：N=188.83 kN上主材采用钢管1146 ，A=20.358cm ,L=172.5cm ,i=3.824cm=L/i=172.5/3.824=45=150 查手册附录表A-4得=0.878（B类）应力=105.64N/mmf= 215 N/mm满足要求2) 下主材M=151.06kN m水平力产生的最大弯矩设计值：M=1.4(H13/4+H2.5+1.513/4)=1.4(19.4713/4+19.472.5+1.513/4)=163.56kN mN= kN下主材采用角钢1146 ，A=20.358cm ,L=172.5cm ,i=3.824cm=L/i=172.5/3.0824=45=150 查手册附录表A-4得=0.878（B类）拉应力=146.79N/mmf= 215 N/mm 满足要求压应力=62.12N/mmf= 215 N/mm 满足要求3) 水平斜材 设计轴力N=61.33 kN水平斜材采用角钢L8010 ，A=15.1cm ,L=120cm ,i=1.56cm=L/i=120/1.56=77=150 查手册附录表A-4得=0.707（B类）应力=57.45N/mmf=(0.6+0.0015)215=153.8 N/mm 满足要求4) 垂直斜材 支座反力R=1.43(R+R+2.38)+qL =1.43(3.52+10.6+2.38)+1.213 =45.57 kN 垂直斜材设计轴力 N= 30.58kN垂直斜材采用角钢L8010 ，A=15.1cm ,L=120cm ,i=1.56cm=L/i=120/1.56=77=150 查得=0.707（B类）应力=28.64N/mm f= (0.6+0.0015)215=143 N/mm 满足要求3. 检修工况（取单相上人工况） 检修工况内力分析计算，按考虑主变进线侧挂线核算水平力时梁材料强度挠度，按考虑主变进线侧挂线及出线侧核算垂直力时梁材料强度挠度。 本次计算不考虑架设及移换导线时产生的过牵引力，该力由施工单位采用适当的安装方式和措施加以解决。1) 上主材垂直力产生的最大弯矩设计值：M= 1.2 （R+2.38+2+2 R）13/4+（ R+2.38+ R）2.5+qL =1.2 (3.36+2.38+2+210.6)13/4+(2.59+2.38+10.6)2.5+1.213 =190.0kN m轴力N=237.50 kN上主材采用上主材采用钢管1146 ，A=20.358cm ,L=172.5cm ,i=3.824cm=L/i=172.5/3.824=45=150 查手册附录表A-4得=0.878（B类）应力=132.87N/mm f= 215 N/mm满足要求2) 下主材M=190.0kN m水平力产生的最大弯矩设计值：M=1.2(H+1.5)13/4+H2.5)=1.2(23.91+1.5)13/4+14.022.5)=141.2kN mN= kN下主材采用上主材采用钢管1146 ，A=20.358cm ,L=172.5cm ,i=3.824cm=L/i=172.5/3.824=45=150 查手册附录表A-4得=0.878（B类）拉应力=145.03N/mmf=215 N/mm 满足要求压应力=32.31N/mmf=215 N/mm 满足要求3) 水平斜材 设计轴力N=49.12 kN水平斜材采用角钢L8010 ，A=15.1cm ,L=113.1cm ,i=1.56cm=L/i=113.1/1.56=72.5=150 查手册附录表A-4得=0.736（B类）应力=44.2N/mmf=(0.6+0.0015)215=152.22 N/mm 满足要求4) 垂直斜材 支座反力R=1. 22(R+R+2.38)+(R+2R+2+2.38)+qL =1.22(2.59+10.6+2.38)+ (3.36+10.62+2+2.38)+1.213 =45.4kN 垂直斜材设计轴力 N=32.09 kN垂直斜材采用角钢L8010 ，A=15.1cm ,L=120cm ,i=1.56cm=L/i=120/1.56=70 =150 查得=0.751（B类）应力=28.30N/mmf= (0.6+0.0015)215=143 N/mm 满足要求4. 横梁挠度A. 梁刚度计算：B=EI查手册表2-16得：E=20610N/mm I=hA=8002035.8=8.68610 mmB= EI=206108.68610=1.78910N mmB. 根据手册3.3.4.3条规定取安装工况时变形作为横梁的挠度即P=2.59+2.38+10.6=15.57kN；查手册表4-1得：C. f= =4.37+3.98=8.35mm=65mm5. 横梁法兰计算： 构架梁下主材主要是轴心受拉构件，采用刚性法兰连接（螺栓采用6M20X80），构架梁刚性法拉所受的最大拉力为295.25kN, 详见图六： 图六：梁法兰详图A. 有加劲法兰螺栓所受的最大拉力为： N=49.21 kN =97.9kN(8.8级) 其中螺栓强度查自钢结构设计与计算（第二版）表N-3B. 法兰加劲角焊缝的计算：法兰角焊缝厚度为8mm，焊条为E43XX.法兰加劲板角焊缝正应力（由于螺栓拉力与焊缝非轴心重合引起弯矩的应力）：=6 N40/(2)=649.21401000/(280.790)=130.18 N/mm法兰加劲板角焊缝剪应力(查手册公式5-49)：= N/(2)=49.211000/(280.790)=48.82 N/mm角焊缝的折算应力(查手册公式5-50)：=117.34 N/mm=10mm.6. 材料一览表综上所述220kV构架横梁材料一览表如下：（详见220kV构架梁图纸）上主材下主材水平斜材垂直斜材端部水平斜材中间水平斜材端部垂直斜材中间垂直斜材11461146L8010L8010L8010L638四、 人字柱平面内计算1. 内力系数计算 图七：人字柱受力示意图a) 查手册4.1.13i=0.125t=7.382=3.0052. 中柱平面内内力计算1) 各荷载重(均为标准值)： 避雷针自重 G=2.90kN 地线柱自重G=2.58kN 地线自重 R=0.36kN （地线自重参考前期工程取值） 有构架横梁传来R=G+ R+R+R 中柱=14.03+(2.38+10.6+2.57)3=60.68 kN 有构架横梁传来R= R/2 边柱=60.68/2=30.34 kN（R参考“变电所出线荷载资料”取值, R为最大荷载工况下荷载值） 地线张力 H=5 kN 主变进线张力 H=(23.91+20.442)/2=32.40 kN （按照不考虑导线偏角计算）2) 作用在柱顶的荷载值为：（荷载简图见图七所示）G= G+ R+ R=2.58+0.36+60.68=63.62 kN W= H=32.40 kN 3) 内力计算（本次计算时将进线张力及地线张力分开计算）： M=(32.47.382)( 0.2+14.70.125)- (32.414.7)=-6.44 kNm(按无地线计算较有有地线时偏大) N=- N = N(进线张力所产生作用)+ N(地线张力所产生作用)=(32.47.382)+ 5-7.382+=145.77 kN 拉杆 N=N-G/2=145.77-63.62/2=113.96 kN 压杆 N=N+G/2=145.77+63.62/2=177.58 kN 3. 边柱平面内内力计算图八：人字柱受力示意图1) 查手册4.1.13i=0.125t=7.10=2.942) 作用在柱顶的荷载值为：（荷载简图见图七所示）G= G+G+ R+ R=2.9+2.58+0.36+30.34=36.18 kN W= H+ H+ H=5+32.4/2+2.49=21.2 kN3) 内力计算： M= M(进线所产生的弯矩)+ M(避雷针弯矩所产生的弯矩)=-(21.27.10)( 0.3+14.70.125)- (21.214.7)-14.7(1-7.10.125)- =-9.60 kNm N=- N = N(进线张力所产生作用)+ N(避雷针弯矩所产生作用)=(21.27.1)+ -7.1+=80.40 kN 拉杆 N=N-G/2=80.40-36.18/2=62.31 kN 压杆 N=N+G/2=80.4+36.18/2=98.49 kN五、 人字柱平面外计算1. 计算简图九：平面外受力示意图2. 人字柱柱顶弯矩、剪力计算 避雷针底部内力值： M1=M=13.71 kN m N=2.90 kN（自重）V=2.49 kN 地线柱风压值：q=0.35 kN/mM2=0.5 qL=0.50.354=2.8 kN mV=1.4 kN 人字柱风压值: q=0.19 kN/m（当为273钢杆） q=0.26 kN/m（当为377钢杆,端撑及端部人字柱均是377钢杆） 导线偏角按10考虑，主变进线及母联水平张力按最大风荷载工况计算，H=19.47kN 其余均取出线水平张力H=10 kN(参考变电所出线荷载资料) V=19.473sin10=10.1 kN V=103sin10=5.2 kN 1) 截面特征：2738 钢杆(查表2-13):EI=20610N/mm5851.71410 mm=1.20510kN mEA=20610N/mm66.60210 mm=1.37210kN3778 钢杆(查表2-13):EI=20610N/mm15791.85110 mm=3.25310kN mEA=20610N/mm92.7410 mm=1.91010kN 钢梁（计算过程见三.4）s EI=206108.68610=1.78910kN m EA=206102035.83=1.25810kN 2) 受力大小计算：M1=M=13.71 kN m M2=0.5 qL=0.50.354=2.8 kN mV1= V11= V+ V/2=2.49+10.1/2=7.54 kNV2= V4= V5= V7= V8= V9=V+ V/2+ V/2=1.4+10.1/2+5.2/2=9.05 kNV3= V10 V+ V=1.4+5.2=6.6 kNV6= V+V/2+ V/2=2.49+10.1/2+5.2/2=10.14 kN3. 平面外结构力学求解器计算1. 构架平面外计算采用结构力学求解器软件。2. 所有截面特性见五.2条。3. 计算数据及结果详见软件计算结果，下面列出几个控制内力(标准值)：M(kN m)N(kN)端撑（左侧）-13.86277.93端撑（右侧）-13.95277.51边柱（为双柱总和）-28.12271.39中柱（为双柱总和）16.000挠度17mm六、 构架内力标准值组合1. 端撑内力组合轴力N= NN=277.93(13.69972.80110/1000)= kN柱底弯矩M=-13.95 kN m2. 边柱内力组合轴力N=N+ N=62.31+271.39/2=198.01 kN轴力N=N+ N=98.49+271.39/2=234.19 kN柱底弯矩M=-9.6 kN m柱底弯矩M=-14.06kN m 3. 中柱内力组合拉杆轴力N=113.96 kN 压杆轴力N=177.58 kN平面内：柱底弯矩M=6.44 kN m 平面外：柱底弯矩M=8.00 kN m 4. 钢杆承载力计算(1) A: 端撑（采用3778钢杆）强度计算，查手册公式5-8：f=215N/mm查钢结构截面特性： A=9274 mm W= W=1000=837764 mm= = N /mmf=215N/mmB:局部稳定：查钢结构设计规范GB50017-2003第5.4.5条规定，其外径与壁厚之比不应超过100（235/f） =47.1f=100（235/f）=109C:整体稳定（见图十）：查钢结构设计规范GB50017-2003第5.2.2条：公式5.2.2-1：f=215N/mm查手册表5-2得=0.7 H=0.78700=6210mmi=13.049cm =47.5 =0.867图十：端撑尺寸示意图根据钢结构设计规范GB50017-2003第5.2.2.1.1）说明取=1.0，表5.2.1取=1.15，W=1000=837764 mm，=7599181 N= =46.55+19.33=65.88N/mmD:端撑销钉抗剪计算： 采用直径为46（Q235B）的销钉（销钉孔为50），可知销钉为双剪，销钉及端撑见详图图十一：销钉尺寸示意图图十二：销钉上节点板尺寸示意图图十三：销钉下节点板尺寸示意图销钉抗剪验算：V=2=23.14223115=382.29 kN(其中查自钢结构设计规范（GB50017-2003）表3.4.1-1)端撑上节点板抗剪验算：V=（1052-50）115（）38（厚）=699.2 kN端撑上节点板抗剪验算（双剪）：V=（1052-50）115（）32（厚）2=1177.6 kN总上所述，承载力均大于设计荷载(1.3267.96=348.35 kN)，满足要求。 (2)边柱内力计算 A: 边柱（采用3778钢杆）强度计算，查手册公式5-8：f=215N/mm查钢结构截面特性： A=9274 mm W= W=1000=837764 mm= =32.8312.9518.97= N /mmf=215N/mmB:局部稳定：查钢结构设计规范GB50017-2003第5.4.5条规定，其外径与壁厚之比不应超过100（235/f） =47.1f=100（235/f）=109C:整体稳定（见图七）：查钢结构设计规范GB50017-2003第5.2.2条：公式5.2.2-1：f=215N/mm查手册表5-2得=0.7 H=0.78700=6210mmi=13.049cm =47.5 =0.867根据钢结构设计规范GB50017-2003第5.2.2.1.1）说明取=1.0，表5.2.1取=1.15，W=1000=837764 mm，=7599181 N= =37.86+19.48=57.34N/mm(2)中柱内力计算：A: 中柱（采用2738钢杆）强度计算，查手册公式5-8：f=215N/mm查钢结构截面特性： A=6660.2 mm W= W=1000=428697 mm= =34.6616.9821.10= N /mmf=215N/mmB:局部稳定：查钢结构设计规范GB50017-2003第5.4.5条规定，其外径与壁厚之比不应超过100（235/f） =34.1f=100（235/f）=109C:整体稳定（见图七）：查钢结构设计规范GB50017-2003第5.2.2条：公式5.2.2-1：f=215N/mm查手册表5-2得=0.615+0.165（1+）+0.055（1+）=0.745 H=0.74514500=11016mmi=9.373cm =117.5150 =0.450根据钢结构设计规范GB50017-2003第5.2.2.1.1）说明取=1.0，表5.2.1取=1.15，W=1000=428697 mm，=891864 N= =77.03+25.09=102.12N/mm215 N/mm5. 结论通过计算可知上述主材均已满足设计要求。七、 避雷针挠度及法兰核算1. 构架避雷针挠度计算4) a) 根据变电站建筑结构设计技术规定（修编送审稿）表8.5.3及8.5.4条规定取最大风荷载标准值的0.5倍作为设计值。即0.5 q及0.5 Q。（查手册表2-16得E=20610N/mm）b) 本次计算时将挠度假定分为每段均布荷载作用下挠度及整体集中荷载作用（即每段荷载作为集中力传给其以下各段产生的荷载作用）下挠度5) 避雷针均布荷载下（见图四）：W= W=0.5=0.5(+)=0.5(32.60+4.81+1.20+0.54+0.34)=19.75mm6) 避雷针荷载所产生集中力对以下四段产生的挠度：W=W=0.5(+)=0.5 (=0.