轻巧型管桁构架设计探讨

胡小平

珠海华成电力设计院股份有限公司广东珠海519000

摘要：由于电网设计技术的发展，变电工程电气接线形式与设备追求紧凑合理布置，节能降耗、绿色环保、节省资源等的呼声越来越高，使得与之相应的变电构架设计倍受关注。合理优化构架布置，采用STAAD空间分析软件，使构架结构受力更接近于其实际受力状态，从而提高了整个结构设计的安全度；同时采用轻巧性刚接管桁结构，优化构架结构布置及杆件断面，有效地节省了钢材，降低工程造价。

关键词：变电站；节约资源；钢管桁架；STAADPro

1钢管桁架的优点和应用

1.1钢管桁架的优点

圆钢管桁架的构架连接一般不需要节点板而直接连接，即相贯节点。随着钢材轧制、冷热成型、焊接技术及切割技术的发展，管结构可以不用节点板和其他复杂的构造形式，就能很方便地直接焊接。

目前，国内的设计将管桁架结构大量用于大跨度空间结构，如：上海虹桥高铁站管桁架结构、南京国际会展中心屋面管桁架结构、宁波国际会展中心屋盖管桁架结构、武汉国际会展中心及广州国际会展中心的圆钢管桁架结构等等。但目前国内电力建设中使用的桁架梁还是通过节点板连接腹杆和弦杆，腹杆的材料以角钢为主，直接焊接的管桁架结构应用很少。

钢结构主要研究的就是压杆的稳定性问题，而受压构件的计算长度系数主要由节点的刚度决定。对于钢管桁架结构，节点刚度大，当处于最不利状态的压杆失稳时，其他杆件也将会随同弯曲，从而对失稳构件起到约束作用。我国规范对受压弦杆在节点处按照铰接处理，显然过于保守。因此在钢结构中合理的使用管桁架结构，可以提高结构的整体稳定性。同时钢管桁架具有以下优点：

（1）接点形式简单。结构外形简洁、流畅，可适用于多种结构外形。

（2）刚度大，几何性能好。钢管的管壁一般较薄，较同等截面的角钢，钢管截面回转半径较大，且各个方向回转半径相等，抗压和抗扭性能更优越。

（3）施工简单，节省材料。钢管桁架结构由于在节点处摒弃了传统的连接构件，而将各杆直接焊接，因而具有施工简单，节省材料的优点。

（4）有利于防锈与清洁维护。钢管和大气接触表面积小，易于防护。在节点处各杆直接焊接，没有难于清刷、油漆、积留湿气及大量灰尘的死角和凹槽的缺点，维护更为方便。构件在全长及端部封闭后，其内部不易生锈。

（5）圆管截面的管桁架结构流体动力性好。承受风力荷载作用时，荷载对圆管结构的作用效应比其他截面形式结构的效应要低许多，更符合设计计算模型。

图1管桁架构架轴侧图

1.2STAADPro钢结构计算软件的应用

构架计算采用Bentley公司的STAAD/CHINA空间杆系分析与设计软件进行设计计算。STAADPro空间杆系分析软件在国际上较为通用，在国内电力设计行业中也有多年的使用经验。多年的工程实践表明：采用空间分析方法，使结构受力更接近于其实际受力状态，从而提高了整个结构的安全度；同时优化结构布置及杆件断面，有效地节省了钢材，降低工程造价。

传统的平面分析方法，在分析时引入很多计算假定，因此无法精确反映空间结构构件的真实受力状态。为了考虑一些次要因素的影响，有时不得不将计算结果放大，造成某些构件受力不足安全度过于富裕，而另一些构件则接近于满应力甚至超应力工作状态。另传统的分析方法都是假定结构为理想桁架结构，杆件只承受轴向力，杆件横剖面上应力均匀分布，因此，传统的平面分析方法可能带来结构安全性差，造成虽然构件用钢量高，但是各杆件内力分布不均匀，材料性能不能得到充分利用，构架整体安全度并不高的结果。

采用空间分析方法后，由于可以对所有的构件依照设定的应力控制指标进行满应力设计，所有的构件的安全度都是接近的，构架的整体可靠度指标也就等同于任一构件的可靠度指标。假设条件较少，模型更接近真实情况，所以空间计算有着非常好的优越性，可以有效降低用钢量。

2220kV刚接管桁构架设计

2.1构架梁柱设计选型

目前，在工程上采用的Ａ型钢管构架柱主要有三种类型：螺旋焊接钢管柱、直缝焊接圆形钢管柱、直缝焊接多边形钢管柱。此种结构型式其受力合理、加工制作及安装均十分方便。当柱接头采用法兰连接且分段合理时，运输方便。在制作及安装方面，国内许多施工安装企业都积累了丰富的经验。因此，此种结构成为目前使用最广泛的一种结构型式。

本工程推荐采用A字钢管结构，沿用以往220kV工程经验，A字柱根开按1/10柱高考虑，端撑根开按1/5柱高考虑。

2.2构架梁设计选型

根据以往工程经验，220kV构架梁设计主要采用格构式钢梁，型式一般有格构式钢梁和正多边型钢管梁。500kV正多边型钢管梁在国内的变电站已经有所使用，其采用的材料是高强钢材，新颖别致，加工制造简单，但根据已有的工程资料显示综合用钢量要比格构式钢梁变电构架增加，工程造价较高，不符合“经济合理”的指导方针和“资源节约”的精神，且现场安装后，会出现构架微风振动现象，需采取一定的减震措施。因此，本工程中构架梁推荐考虑采用格构式钢梁。

220kV格构式构架梁断面型式有三角形和矩形两种形式。钢管构架柱的挂线梁适合使用三角形断面格构式钢梁。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。

本工程采用三角形格构梁，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，本工程构架梁推荐考虑采用固接连续管桁架梁。

由于220kV格构式构架梁断面较大，为变断面梁，虽然需要主材火曲工艺，比等断面梁设计和加工工艺稍有复杂，但具有受力合理，减小了柱头尺寸，节省用钢量等优点。

2.3构架结构的拼接和吊装

管桁架梁与A字柱采用刚接连接，梁的上主材采用连续杆件结构。分段管桁架梁之间通过主材的法兰拼接在一起，24m管桁架梁在现场可以分三段（弯折管和中间平直段）拼接完成。管桁架的端头变截面弯折段与A字柱柱头通过焊接刚接在一起，这部分焊接安装均在工厂内完成，能充分利用工厂的现代化流程，减少现场的操作，连接节点见详图2-4。

图4现场拼接示意简图

现场拼接吊装，如图所示①和③构件中的管桁架梁和A字柱头在工厂焊接组装完成，在现场构件①③与构件②通过法兰连接，然后把拼装好的①②③构件作为一个整体吊装到A字柱上，再把①构件的A字柱头与④构件的A字柱身用法兰盘螺栓接。

对于端部处的管桁架连接，A字柱头与管桁架仍然整体焊接组装；为了防止悬臂桁架梁造成A字柱平面外不稳定，安装期在A字柱上加设临时组装支撑杆件，提高安装的稳定性和可靠性。

3220kV构架布置及计算

220kV屋外配电装置采用户外GIS布置型式，详见220kV布置图5。

3.1.2风荷载

结构风压应该是对应工况的风速产生的，大风工况时，结构风压取最大风速作用下的结构风压；覆冰工况时，结构风压计算风速取10m/s，不考虑其他附加荷载。

3.1.3温度荷载

根据《变电所建筑结构设计技术规定》（NDGJ96-92）的规定：两端设有刚性端撑的连续刚架，当其总长超过100m时，应考虑温度作用效应。本工程220kV连续3跨构架长度为72m，小于《变电所建筑结构设计技术规定》中需计算温度作用效应的允许长度，可以不考虑温度作用效应。

3.1.4地震作用

本工程所在址区抗震设防烈度为6度，场地土类别为Ⅰ类～Ⅱ类，220kV构架属于二类抗震构筑物，可不进行地震作用计算，并按6度采取抗震措施。根据以往工程经验，由于构架较柔，质量较小，周期较长，因此地震作用对变电构架的设计往往不起控制作用。

3.2结构设计及计算

3.2.1荷载组合

根据《220kV～500kV变电所设计技术规程》（DL/T5218-2005）的规定：构架应按不同的工况分别进行组合，并取其对构件的最不利者进行设计。构架设计中需要考虑的荷载组合工况，除了大风、覆冰等运行工况之外，必须对构架安装、电气安装过程中和检修时可能出现的随机情况以及构架梁温度变形进行全面的分析判断，避免因为考虑不周而漏掉最不利组合工况。本工程计算时各种工况下荷载的分项系数见表3，多跨刚接连续构架模型详见下图6。

表3导线荷载的荷载分项系数

图7构架梁轴线展开示意图

构架梁的主材和斜材均选用圆钢管，主要是针对在一定的长度范围内，圆钢管的回转半径最大，压杆稳定性最好，承压能力变化较小；同时，圆形钢管风压最小；构架梁可以采用大节间构造，增强透视感。

3.4计算结果

3.4.1220kV出线构架设计

由于220kV出线梁为24m，且在24m宽梁上挂主变导线和出线导线。利用STAAD/CHINA进行建模和计算，首先按照常规设计的主材尺寸，改用固结管桁架结构进行建模计算。由于梁与A字柱的连接方式由铰接改为固接。

3.4.2最大位移输出值

出线构架梁断面为1.3m×1.3m，梁柱主材完全采用通常设计的主材型号，梁主材采用Ф133×6，柱主材采用Ф300×8/Ф325×8，在正常使用极限状态下各计算工况的结构变形见表4：

表4出线构架变形表单位：mm

3.4.3最大内力输出值

各工况最大内力输出值见表6和表7。

表6出线构架柱最大组合内力输出值（压为正）（单位：kN）

根据计算和选定的220kV出线构架的主材型号，通过比较上述表格中的数据，220kV出线构架单跨梁14m高24m宽，用钢量为3.19t，而常规设计方案，单跨14m高24m宽引线架用钢量为4.34t；减少用钢量1.15t，节约达27%；14m高A字柱本方案用钢量为2.4t，常规设计方案14m高A字柱用钢量3.2t，节省钢材0.8t，节约达25%。常规设计220kV出线构架总用钢量为31.45t，而本方案采用刚接连续管桁架结构的总用钢梁为24.61t，节省用钢量约6.84t，节约达21.75%。

3.4.4小结

1）220kV出线构架采用管桁架结构，梁与A字柱采用刚接连接，优化了结构形式，使出线构架整体变形减少，从而减少端撑柱的布置。

2）通过计算，可以打破梁原有节间距的布置形式，拉到节间距，以长细比来控制梁主材的应力，从而达到充分利用材料。

3）通过使用刚接管桁架结构梁，优化了构架自身结构形式，改铰接为刚接，使三角形断面梁断面尺寸减少为1.3m×1.3m，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8t，节省材料，降低投资。

4结论

通过前面的论述，220kV变电站构架设计通过工艺合理布置和采用STAAD空间分析软件，使构架结构受力更接近于其实际受力状态，从而提高了整个结构设计的安全度；同时优化结构布置及杆件断面，有效地节省了钢材，降低工程造价。主要有如下几点：

（1）目前管桁架由于其结构形式简洁、美观，在各个领域应用非常广泛。适应趋势，也是我们在变电站设计领域的指导思想。

（2）通过STAAD软件进行空间计算，验证了使用钢管桁架刚接结构能明显提高构架安全稳定性，减小构架位移，从而减小梁的断面尺寸，优化了构架自身结构；目前，使用钢管桁架结构是现在的一个流行趋势，该结构的使用，使得变电站内构架结构简洁美观，大大提高视觉通透率，彰显了结构简洁工艺一流的要求。

（3）在全站使用管桁架构架，构架结构外形简洁、流畅，钢管桁架结构由于在节点处摒弃了传统的连接构件，而将各杆直接焊接，因而具有施工简单，用料节省，进一步贯彻我国节能降耗，节省资源的指导精神。

参考文献

[1]《钢结构设计规范》中国计划出版社

[2]《钢结构设计手册》中国建筑工业出版社

[3]《变电构架设计手册》湖北科学技术出版社

作者简介

胡小平，1980.10，男，汉族，湖南，本科，研究方向为钢结构管桁架结构，从事变电站建筑结构设计