格构式联合构架结构分析与设计

鲍立华 马福雷

(山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013)



格构式联合构架结构分析与设计

鲍立华 马福雷

(山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013)

以某115 kV变电站中的115 kV母线构架为例，分析了格构式联合构架结构动力特性、荷载及工况组合，并探讨了节点设计与基础设计方法，梳理了格构式构架的特点，为此类构架设计提供参考。

联合构架结构，动力特性，荷载，节点设计，基础设计

0 引言

根据变电站电气总平面的布置要求，一些母线构架往往采用格构式联合构架，随着社会对电能需求越来越大，母线构架纵向长度亦越来越大(见图1)，结构长度超出了规范中[1,2]150 m的限值，需考虑温度的影响。

以下从5个方面对此类结构进行详细分析与设计。

1 结构动力特性分析[3]

文章以某115 kV母线构架为研究对象(见图1)，结构形式为格构式联合构架，纵向为15孔连续门型构架(每孔构架跨度×高度=11 m×11 m)，横向为8组等间距2孔连续门型构架(每孔构架跨度×高度=10.5 m×7.5 m)；构架柱采用格构式正方形断面角钢塔柱，纵向塔柱根开为1.2 m，横向塔柱根开为0.8 m；构架梁为格构式矩形断面桁架梁；塔柱主材采用L125×10和L100×10，构架梁主材采用L100×10。

对此结构分别采用ABAQUS软件和STAAD软件进行建模，得到构架的前6阶频率如表1所示，前6阶模态如图2所示。由表1可知，两种有限元软件选择两种不同的计算模式，得到结构的前6阶频率是相当接近的，说明计算是正确的。

通过对结构自振频率以及振型的分析可知，该结构有以下特点：

1)构架从结构形式上为空间桁架结构，该结构前6阶模态图中均表现为单跨梁的竖向振动，频率比较密集。

2)构架前6阶模态未呈现明显的横向变形，说明该结构横向刚度较大，远远大于纵向刚度，这是由于横向门型架对结构横向提供了较强的支撑，增大了结构的横向刚度。

表1 构架前6阶频率 Hz

2 荷载组合

作用于构架的力主要有导线荷载，风荷载，温度荷载等。

2.1 导线荷载

导线挂在构架梁柱上，产生水平力、竖向力以及侧向力，此类荷载随着大风、覆冰、高温、低温等各种工况的不同而不同。

2.2 风荷载

构架结构风荷载标准值按下式计算[4]：

wk=βzμsμzw0。

基本风压w0按《水文气象报告书》取值。根据规范[4]，塔架结构体型系数μs=2.6，矩形断面桁架梁体型系数μs=2.0，风压高度系数μz亦按照规范[4]选取。从模态分析结果可知，构架的基本自振周期T<0.25 s，风振系数取βz=1.0。

2.3 温度作用

构架纵向长度165 m，超过了规程[2]规定的限值，应考虑温度作用效应的影响。

本工程构架梁柱均采用角钢格构式结构，杆件之间均采用粗制螺栓连接，螺栓与螺栓孔之间的空隙可以释放掉部分温度应力，设计时可考虑将温度作用进行25%的折减。

2.4 荷载效应组合

架构设计时应根据使用过程中结构上可能同时出现的荷载，分别进行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主要用来计算构件或连接破坏时的强度和稳定。按照规程[2]要求，通常采用组合工况有“大风工况，覆冰工况，温度工况，安装工况，检修工况”。

正常使用极限状态组合主要用来计算杆件的变形。按照规程[2]规定，构架正常使用极限状态可取安装工况作为变形验算的荷载条件。

3 内力分析及构件设计

3.1 内力分析及设计

格构式联合构架采用STAAD软件进行分析设计，各主要受力杆件位置如图3所示,杆件最不利组合下的内力结果见表2(轴力负值为受拉，正值为受压)，从表2可以看出，各杆件均受大风工况与覆冰工况控制。构架塔柱主材和桁架梁的上、下弦杆按照拉(压)弯构件进行规范检验，塔柱腹材和桁架梁腹材按照轴心受力构件进行规范检验，最终选定塔柱下部主材采用L125×10角钢，塔柱上部主材采用L100×10角钢，桁架梁主材采用L100×10角钢。由于桁架梁腹杆与弦杆采用螺栓单面连接，腹杆截面为单截面等边角钢，设计时应按文献[1]对腹杆强度设计值折减。

表2 主要受力构件控制工况组合下的内力结果

杆件工况轴力kN剪力YkN剪力ZkN扭转弯矩YkN·m弯矩ZkN·m①1,2108-0.4-0.30-0.10.2②1,282-0.1-2.100.2-0.1③1,2120-0.5-0.30-0.10.4④1,289-0.3-0.400.1-0.2⑤1,21010.8-0.200.40.2⑥1,290-0.30.50-0.1-0.1⑦1,292-0.40.10-0.10.1⑧1,2720.40.20-0.20.1

3.2 变形验算[2]

构架变形验算应采用荷载的标准组合，各主要变形点(避雷针支架顶点、横梁跨中)位移限值应满足规程[2]6.5节的要求。

4 构架节点设计

节点是连接各杆件的中枢，起着传递荷载的作用，对保证结构的整体性和可靠性有着直接的影响。以下对母线构架主要节点的设计进行简单介绍。

4.1 梁柱节点设计

节点承受设计剪力V=54×2 kN，采用L100×10(Q235B)，节点构造见图4。

螺栓验算：

局部承压：2×10×20×405=162.0kN>54kN。

4.2 法兰连接设计

为方便构架结构的加工运输与安装，避免施工现场焊接作业，提高结构工厂化水平。本工程避雷针各段之间以及避雷针与塔柱之间均采用刚性法兰连接。法兰节点设计主要需注意验算以下三方面内容：

1)法兰螺栓受力验算。2)法兰加劲板及加劲角焊缝的验算。3)法兰底板的验算。法兰盘连接详细计算过程可参见文献[5]。

5 基础设计

基础设计之前应首先获取地质勘察及水文气象报告，并根据作用在地基上荷载的大小和性质，以及当地施工条件、工程造价等因素综合确定。

本工程构架基础采用露出式柱脚，采用预埋螺栓与上部结构连接，设计时应注意验算以下方面：

1)地基承载力验算。此处荷载效应取标准组合，地基承载力应为修正后的地基承载力特征值。当地基受力层范围内有软弱下卧层时，应按文献[5]进行软弱下卧层地基承载力验算及变形验算。

2)基础抗拔和抗倾覆稳定验算。构架受水平荷载较大，基础设计大多由基础抗拔或抗倾覆控制。应按文献[5][6]进行基础抗拔和抗倾覆稳定验算。

3)预埋螺栓的验算。预埋螺栓单弯钩的锚入长度应满足构造要求，不小于30d；另外需对预埋螺栓进行强度验算。

4)刚性基础设计要求。混凝土刚性基础的台阶宽高比在基础底面尺寸满足地基承载力、变形、稳定、基础抗拔和抗倾覆稳定情况下，应符合表3要求[6]。

表3 混凝土刚性基础台阶宽高比的允许值

6 结论

文章分别使用ABAQUS和STAAD有限元软件建立了构架结构的模型，并进行了详细分析设计，得到以下结论：

1)由于该联合架构横向每组为等间距2孔连续门型构架，使得横向刚度明显大于纵向刚度。

2)构架结构设计应全面分析各种工况下的承载内力。一般来说，联合构架各主要杆件均受大风与覆冰工况的控制。

3)节点连接设计是联合构架结构设计中的重中之重，应选取传力较为明确的节点形式，对其充分验算后方可采用。

4)格构式构架塔柱基础多采用露出式柱脚，采用预埋螺栓与上部结构连接，设计时需注意构造要求并对预埋螺栓进行强度验算，以及对基础进行抗拔和抗倾覆稳定验算。

[1] GB 50017—2003,钢结构设计规范[S].

[2] DL/T 5457—2012，变电站建筑结构设计技术规程[S].

[3] 吴伟康.应用STAAD CHINA设计变电构架[J].电力建设,2008,29(2):44-45.

[4] GB 50009—2012，建筑结构荷载规范[S].

[5] 中南电力设计院.变电构架设计手册[M].武汉：湖北科学技术出版社，2006.

[6] GB 50007—2011,建筑地基基础设计规范[S].

Analysis and design of lattice-style united frame structure

Bao Lihua Ma Fulei

(ShandongPowerEngineeringConsultingInstituteCo.,Ltd,Jinan250013,China)

Taking 115 kV busbar frame of the 115 kV substation as an example, the paper analyzes structural dynamic properties, load and working conditions of lattice-style united frame structure, explores joint design and foundation design methods, and illustrates lattice-style united structure features, which has provided some guidance for similar structure design.

united frame structure, dynamic property, load, joint design, foundation design

1009-6825(2017)10-0063-03

2017-01-22

鲍立华(1977- )，男，工程师； 马福雷(1981- )，男，工程师

TU318

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