220kV交叉端撑变电构架设计分析及节点优化选型论文_陈云瑶

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摘要:现如今,我国的城市发展十分迅速,在城市用地日益紧张的条件下,为了提高土地利用效率,提出了将端撑两端布置改进为交叉布置于构架中部的变电构架。文章通过有限元软件对交叉端撑变电构架整体模型和交叉端撑节点进行力学分析计算,结果表明:构架柱、构架梁、交叉端撑、地线柱、避雷针的应力比、挠度值均符合规范要求;C型插板、U型插板、十字型插板和相贯连接四种形式的交叉端撑节点,均满足强度设计要求且具备较好的应力储备;交叉端撑变电构架传力可靠且占地面积小,值得在工程中推广应用。

关键词:交叉端撑;变电构架;节点选型;有限元分析

引言

在户外变电站中,户外配电装置场地面积约占整个变电站面积的50%左右,而变电构架又起着承上启下的作用,因而在输电线路架空进出线过程中发挥着十分重要的作用。在当前变电构架体系中,钢构架相对于传统预制高强混凝土构架具有自重轻、强度高、耐久性好和施工速度快等优点,在大量变电站工程中得到广泛运用。

1工程概况

1.1模型尺寸

220kV交叉端撑构架轴测图如图1所示,其中构架柱为“人”字形等截面圆形钢管杆,构架梁采用三角形断面钢桁架结构,柱下基础采用钢筋混凝土杯口基础。构架梁双层布置,竖向间距6m,标高分别为19.5m和13.5m,构架柱根开5m,单跨长度19m,共四跨。地线柱标高25m,避雷针顶标高35m,交叉端撑根开4m,共分3层交叉布置,层高由下至上分别为7m、6.5m、6m,如图2所示。

确定构架整体型式后,采用三维有限元分析软件STAAD PRO进行结构计算分析得出,方案一:采用两跨合一,可以达到减少构架柱及基础数量的目的,相较方案三(常规方案)可充分利用构架柱平面外整体抗压强度,结构平面内外稳定性、位移和挠度等参数均满足规范限值要求,用钢量整体减少20%左右,优化后的构架柱结构受力简单、传力明确、安全可靠;方案二:因采用联合受力型式,较传统A字型柱柱脚轴力小很多,达到了减少构架柱及基础数量的目的,且结构平面内外稳定性、位移和挠度等参数均满足规范限值要求,优化后的构件数量减少30%,但整体综合用钢量明显增加。

1.3设计工况及荷载资料

变电构架设计条件分为承载能力极限状态和正常使用极限状态。承载能力极限状态设计按照运行工况、安装工况、检修工况进行强度设计,其中运行工况又分为最大覆冰、最大风速、最低气温三种工况;正常使用极限状态设计采用安装工况设计,对变形进行荷载校验。横梁自重按1.2kN/m计算,出线垂直荷载2.4kN,导线荷载资料见表1。

表1导线荷载资料

2结构受力分析计算

2.1有限元模型

通过结构分析及设计软件Midas/Gen,建立变电站构架有限元分析模型。其中:采用梁单元模拟钢管结构柱;采用桁架单元模拟格构式钢梁辅材;采用板单元模拟格构式钢梁与人字柱连接处的节点板。边界条件方面,螺栓连接处设置为铰接,焊接处设置为固接,构架柱基础均采用固接形式。对应的截面尺寸如表2所示。

2.2计算结果

(1)构件验算。使用Midas/Gen进行钢构件验算分析,得出构架柱、构架梁各个杆件在控制工况下的最大应力比。计算结果如表3所示。构架柱和构架梁的弦杆、腹杆主要受轴力作用,剪力与弯矩较小,符合圆形钢管和角钢的受力特点。(2)位移验算。为保证结构安全合理,取各工况作用下结构构件的最大位移值与规范进行比较验算,结构的变形情况如表4所示。

表2构件截面尺寸一览表

3交叉端撑节点优化选型

3.1平面简化计算模型

构架横梁一般采用格构式结构,常用断面形状有三角形和矩形两种,三角形断面横梁主材一般采用角钢、钢管,斜材采用角钢、圆钢。三角横梁为空间结构,为简化计算可按平面桁架计算杆件内力,构架横梁荷载一般不大,桁架平面内的杆件截面高度与其几何长度之比不大于规范要求数值,计算时可不考虑节点刚性引起的次弯矩,假定节点铰接即可满足计算精度。

3.2应力分析

(1)C型插板。对于C型插板连接而言,应力最大部位出现在下部主管,下部主管一端与贯通肋板和半圆肋板焊接,另一端与基础固接,如图7(a)所示下部主管应力最大部位为钢管开槽末端,最大Mises组合应力为64.1MPa;(2)U型插板。对于U型插板连接而言,应力最大部位出现在上部主管,上部主管一端与人字柱相连,另一端与U型板和半圆肋板焊接,如图3(b)所示上部主管应力最大部位为钢管与半圆肋板焊接处,最大Mises组合应力为78.9MPa。

图7交叉节点应力图

结语

(1)在控制工况的荷载条件下,构架柱最大应力比为0.535,构架梁最大应力比为0.349,可知交叉端撑变电构架满足承载力设计要求;(2)在控制工况的荷载条件下,交叉端撑变电构架的构架柱、构架梁、地线柱和避雷针挠度均满足《变电站建筑结构设计技术规程》要求;(3)220kV交叉端撑变电构架传力可靠且占地面积小,值得在工程中推广应用。

参考文献:

[1]DL/T5218-2012.220kV~750kV变电站设计技术规程[S].2012.

[2]GB50009-2012.建筑结构荷载规范[S].2012.

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[5]陈震,陈辉,王春光.现浇钢筋混凝土结构裂缝诊断专家系统[J].施工技术,1999,28(11): 24-25.

论文作者:陈云瑶

论文发表刊物:《电力设备》2019年第2期

论文发表时间:2019/6/5

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