（1 中国能源建设集团浙江省电力设计院 杭州市 310012；2 国家电网浙江省电力公司 杭州市 310007）
摘要：随着电力工业和钢结构加工能力的飞速发展，刚接管桁构架在变电站构架中的应用，改善构件的变形条件，同时通过梁整体截面减少、斜材采用小截面圆钢管、取消梁节点板等措施，提高通视率，强化构架简洁美观的特点，符合智能化变电站的发展趋势。
关键词：刚接管桁架 变电站构架
0.研究背景
随着电力工业的飞速发展，变电站建设数量逐年递增，而变电构架的形式多年未变。目前，在常规220kV变电站工程上采用的Ａ型钢管构架柱和三角形格构梁；目前普遍使用的三角形格构梁主材采用钢管，斜材采用角钢，通过节点板把角钢与钢管连接在一起，三角形格构梁与钢管A字柱通过螺栓铰接。
而将220kV变电站中各构架由以往的铰接体优化成将梁与A字柱、梁腹杆与弦杆均为刚接体系的现代钢管桁架结构，从优化结构体系的原理出发，提高构架的整体稳定性和可靠性，改善构件的变形条件，从减少梁控制截面的控制弯矩值从而减小梁的断面等措施节省用钢量；同时通过梁整体截面减少、斜材采用小截面圆钢管、取消梁节点板等措施，提高通视率，强化构架简洁美观的特点，符合智能化变电站的发展趋势。本研究针对于国网220kV通用设计A1-1方案变电站，提出了220kV出线构架采用刚接管桁架的新型结构形式。
1.构架方案
本文研究的变电构架为三角形格构梁体系。针对原有的构架连接形式，提出了三角形格构梁主材、斜材均采用钢管，即钢管桁架结构，且梁与钢管A字柱采用固接，梁的上主材钢管全部贯通，结构为固接多跨连续梁。
从受力上分析，固接梁较铰接梁，在同等垂直方向受力条件下，梁跨中弯矩明显减少，最大可减少50%；另一方面，由于两端固接，梁两端要承受弯矩，对上主材不利；但由于导线的荷载主要以水平张力为主，而水平张力主要由下主材承担，所以固接连接能很好的减少下主材的截面。三角形梁的上主材主要承受的是垂直向的力，导线的垂直力仅为水平力的1/3～1/5,所以垂直力产生的负弯矩对上主材影响较少。且截面面积等同的钢管较角钢回转半径增大40%，斜材的刚度明显增大，使压杆更加稳定，对梁的整体稳定更有利。因此，结合现代钢结构加工能力的发展，推荐考虑采用固接连续管桁架梁体系。
2.刚接桁构架节点分析
针对刚接管桁构架的特点，构架的主要节点为管桁架相贯节点（空间KK型、TT型、XX型）。通过ABAQUS建立各相贯节点的详细分析模型，并将STAAD Pro中计算得到的构件内力作为外荷载施加于与节点相连的相应构件，并进行计算分析。
管桁构架k型节点选取于第二跨跨中，其连接的杆件最多，梁柱连接点节点选取于中间的A字柱。分析中钢材采用弹性本构关系，弹性模量E取为2.05X105N/mm2，泊松比0.3，采用实体单元C3D4进行分析计算。经过计算分析，三个节点处的应力分布的计算结果如下图1所示。
图1 应力分布图
可以发现在外荷载作用下，两个节点处最大应力分别为49.7N/mm2，186.9 N/mm2和271.2 N/mm2，其中b和c模型的最大应力较大，但是经过检查可以发现最大应力均发生在杆件连接处，属于应力集中现象，在节点绝大部分位置应力水平都较低，在各杆件连接处也没有明显塑性变形发生，因此该三节点都是安全可靠的。
3.真型试验
为验证新结构体系的实际效果与正常工作，需要做工程实际试验，取得可靠真型数据。
试验采用变电构架运行的最不利的二种工况进行加载试验：双侧挂线（覆冰工况）和单侧挂线（覆冰工况）；
3.1双侧挂线（覆冰工况）
工况一采用如下荷载加载，详见表1。H为水平荷载，R为垂直荷载。构架梁强度试验采用承载力极限荷载，为试验设计初始荷载的1.3倍。
试验结果如图2、图3：
由图可发现在荷载达到变形试验荷载即初始设计荷载时，水平位移和竖向位移分别为12.20mm和8.19mm。在荷载达到强度试验荷载即130%初始设计荷载时，水平位移和竖向位移分别为16.60mm和11.06mm。在变形试验及强度试验中，跨中位置出线侧的水平位移值和竖向位移都很小，满足行业规范使用要求。整个试验过程中，位移线性发展，整体构件基本处于弹性范围内，在卸载后，位移基本完全消除，基本无塑性变形产生。
由图4发现在整个加载过程中，构件的应变发展水平都较低。在端部下弦杆中应变水平最大，是受压的，在跨中下弦杆中应变水平也较高，为拉应变，其余区域应变发展相对较小。
3.2 单侧挂线（覆冰工况）
工况二变形试验采用如下荷载加载，详见表2。H为水平荷载，R为垂直荷载。构架梁强度试验采用承载力极限荷载，为试验设计初始荷载的1.3倍。待结构承载力极限荷载试验结束后，进行结构破坏性试验，以承载力极限荷载为基础超载30%直至某杆件出现屈服即停止试验。
试验结果如图5、图6：
可以发现，在荷载达到变形试验荷载即初始设计荷载时，水平位移和竖向位移分别为19.77mm和6.14mm。在荷载达到强度试验荷载即130%初始设计荷载时，水平位移和竖向位移分别为27.96mm和8.17mm。在荷载达到破坏性试验荷载即170%初始设计荷载时，水平位移和竖向位移分别为38.43mm和11.32mm。在整个试验过程中，跨中位置出线侧的水平位移值和竖向位移都很小，满足行业规范使用要求。位移线性发展，整体构件基本处于弹性范围内，在卸载后，位移基本完全消除，基本无塑性变形产生。在此工况下，竖向变形与工况一相差不大，但水平变行要远大于工况一。
由图7可发现在整个加载过程中，构件的应变发展水平都较低。与加载工况一不同的是，在跨中下弦杆中应变水平最大，为压应变，在端部下弦杆中应变水平也较高，为拉应变，其余区域应变发展相对较小，构件中应变发展都处于较低的水平，远小于屈服强度235MPa，是处于弹性范围的。
通过构架的真型试验，研究发现在变电构架两个最不利工况下，整个构架梁中变形发展小，变形发展符合要求，应力水平低，远小于钢材屈服强度，故整个构架梁体系在此两种工况下是安全可靠的。
4.工程应用
本研究成果在国网浙江省电力公司某220kV变电站出线构架得以应用，通过工程实践，220kV出线构架通过减少梁整体截面、取消梁节点板、斜材采用小截面圆钢管等技术措施，使三角形断面梁断面尺寸减少为1.1m×1.1m，梁斜材用量大大减少，使得整个220kV配电场地构架总体用钢量节省了约10.1t，节省材料，降低投资节省用钢25%以上，并提高构架的整体稳定性和可靠性，具有外观简洁美观。
作者简介：
周毅（1983），男，硕士，高级工程师，主要从事电力系统变电站土建设计与建设研究工作，E-mail：15957168960@163.com；
吴亮（1968），男；本科，高级工程师，主要从事电力系统变电站土建设计与建设研究工作；
傅剑鸣（1958），男，本科，高级工程师，主要从事电力系统变电站电气工程建设研究工作；
论文作者:周毅,吴亮,傅剑鸣
论文发表刊物:《电力设备》2016年第14期
论文发表时间:2016/10/13
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