750k V变电站为国家电网的特大型变电站, 在特高压主网架中的地位非常重要。其中, 750k V构架作为变电站的主要构筑物, 占地面积大、用工量大, 对全站平面布置、工程造价有重大影响。在变电工程中, 构架的主要结构形式有人字柱结构和塔架式结构, 其中纯钢管人字柱结构形式清晰、受力明确、技术成熟、构件数量较少、安装速度较快、制作和运输方便;钢管混凝土人字柱结构 (图1 (a) ) 可以有效减小自身体积, 对优化站区平面布置、节约占地和工程造价有良好效益;塔架式结构 (图1 (b) ) 单件自身质量较小, 加工制作和安装、组立难度小^[1]。

　　 本文以新疆地区某变电工程为背景, 采用SAP2000作为计算分析软件, 参照工程实际导线荷载、当地风压及地震情况进行有限元建模分析, 在承载力及位移满足规范要求的情况下, 就纯钢管人字柱结构、钢管混凝土人字柱结构及塔架式结构3种方案进行对比, 通过经济性比较提出较为合理的750k V联合构架结构形式。

　　 该750k V联合构架相关尺寸信息见表1。参照相关资料确定较优根开组合^[2], 人字柱结构选用进出线根开8m、母线根开6m;塔架式结构选用长向根开9m, 短向根开4m。纯钢管人字柱结构方案及塔架式结构方案的全部构件采用圆钢管, 而钢管混凝土人字柱结构方案的构架柱 (含进出线构架柱和母线构架柱) 主杆则采用钢管混凝土。

　　 联合构架的整体建模一般有实际建模法和简化建模法两种方法:实际建模法是按真实情况建立构架梁、构架柱及地线柱模型;简化建模法是把梁简化为一根杆件, 简化的原则是等刚度、等重原则, 然后对构架梁进行单独建模计算。为了使计算模型更接近实际受力情况, 本文在SAP2000程序中采用实际建模法进行建模。所有构件均为梁单元, 梁柱连接位置采用铰接。不同结构形式联合构架计算模型见图2。

　　 各方案的材料与截面选择见表2, 3, 所有杆件和材料均满足钢结构相关规定。

　　 导线荷载集中作用在进出线及母线梁的3个挂线点处, 其中两侧母线梁采用单侧挂线。R取R_A, R_B两者中的较大值 (R为垂直于构架梁的导线荷载) , 导线荷载示意图见图3, 电气专业所提供的导线荷载见表4, 5。

　　 根据《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) ^[3] (简称荷载规范) , 风荷载标准值按下式计算:

　　 式中:w_k为风荷载标准值, k N/m²;β_z为风振系数;μ_z为风压高度变化系数;μ_s为风荷载体型系数;w₀为基本风压, k N/m²。

　　 考虑到计算时风速种类较多, 荷载规范规定基本风压可近似按下式计算:

　　 式中υ为风速, m/s。

　　 参照文献[4], 小风工况取与风速10m/s对应的基本风压, 即0.063k N/m²;大风工况取该地区50年一遇的风压值, 但不得小于0.3k N/m², 查荷载规范知该工程所在地50年一遇基本风压值为0.85k N/m²。

　　 对于人字柱及格构式柱、构架梁, 可根据杆件和节点挡风净投影面积与轮廓线面积计算其挡风系数, 再由文献[4]表3-3及3-4查得风荷载体型系数, 人字柱结构地线柱风荷载体型系数查文献[4]表3-2可知。风振系数的取值参照荷载规范4.4.2中第5条的规定:对于人字柱结构风振系数取1.2, 格构式塔架结构风振系数取1.5, 单钢管柱 (高度为8m) 取2, 钢管混凝土单柱取1.7。对于风压高度变化系数, 考虑变电站所处的地理环境, 可按A类地面 (沙漠) 取值。具体参照文献[4]表3~5。

　　 作用在构架柱上的风荷载为各柱段风荷载标准值乘以其杆件直径, 得到的线荷载值在SAP2000软件中以均布线荷载形式施加;作用在母线梁上的风荷载为挡风面积乘以标准值, 经挡风系数折减后, 对称分配到桁架梁的上下弦杆上, 最终以桁架梁上下弦杆的均布线荷载形式施加。风荷载施加效果图见图4, 5。

　　 根据《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[5] (局部修订) , 该工程所在地抗震设防烈度为8度, 基本设计地震加速度为0.2g, 设计分组为第二组。

　　 图6为由SAP2000计算得到的各结构形式应力比云图, 可知应力比最大值均出现在进出线柱底端, 构架梁相对而言应力比较小。3种结构方案最大应力比及控制工况见表6, 可见3种结构方案均满足承载力要求。

　　 750k V联合构架的位移采用正常使用极限状态荷载组合进行计算, 对人字构架柱柱顶、构架横梁位移进行分析。经程序计算的柱顶位移与梁跨中最大挠度见表7, 8。

　　 参照相关资料^[1], 根据实地调研, 750k V联合构架普通强度钢材考虑材料和运输的费用约为8 800元/t, 钢材现场吊装费用为7 800元/t, 合计1.66万元/t, 钢管混凝土中C30混凝土考虑材料、施工的工料费用总计约1 800元/m³, 钢管混凝土施工及其他费用为3.68万元。就整个计算模型而言, 在构架的承载力和位移均满足要求的情况下, 塔架式结构方案实现了较为可观的经济效益。3种结构方案的经济性比较见表9, 塔架式结构方案与纯钢管人字柱结构方案及钢管混凝土人字柱结构方案相比, 其总费用分别节省了140.48, 29.12万元, 降低造价约28.4%, 7.6%。可见, 采用塔架式结构方案方案具有一定的经济效益。

　　 本文以某750k V联合构架为算例, 分别采用了纯钢管人字柱结构、钢管混凝土人字柱结构及塔架式结构3种方案进行了试算。分析表明, 在承载力和位移满足要求的情况下, 塔架式方案为最优方案。采用该方案具有很好的经济效益, 为以后750k V变电构架工程建设提供了一定依据, 对带动区域经济发展和西电东送工程具有重要意义。同时, 塔架式结构单根杆件重量小, 方便运输及安装, 可以极大地提高施工效率。