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750kv格构式构架杆系结构设计优化

750kV格构式构架杆系结构设计优化

750kV格构式构架杆系结构设计优化*750kV格构式构架杆系结构设计优化*常伟张玉明雷晓标胡丰应捷（中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，西安710075）摘要：

750kV配电装置构架是750kV变电站土建设计的重点、难点。

从750kV输变电示范工程开始，借鉴国内外变电构架的成功设计经验，研究出适用于750kV户外配电装置的构架形式:

钢管格构式构架。

钢管格构式构架目前已成为国内750kV和1000kV构架设计的首选结构形式。

为了使钢管格构式构架的建造更加经济、合理，以哈密南750kV变电站工程为背景，对750kV格构式构架从柱腹杆、横隔、零杆等杆系布置进行结构设计优化及技术经济比较，研究结果表明：

优化后的结构形式安全可靠，简化了构架立面，降低了构架用钢量，取得显著的经济效果，设计优化方案已经在工程设计中得以应用，可为后续750kV和1000kV钢管格构式构架设计提供指导和借鉴。

关键词：

750kV变电站；钢管格构式构架；杆系布置；设计优化750kV配电装置构架是750kV变电站土建设计的重点、难点，从官亭至兰州东750kV输变电示范工程开始，借鉴国内外类似工程变电构架的成功设计经验，对750kV构架合理选型，研究出适合750kV配电装置需要的构架形式:

钢管格构式构架[1]。

该结构形式具有承载力高、整体稳定性好、形式新颖、经济合理、安全可靠等优点，在当时为国内首次设计使用，并且整体通过1∶1超载真型试验，满足工程设计和安全运行的要求。

钢管格构式构架目前已成为国内750kV和1000kV构架设计的首选结构形式。

一方面，格构式结构受力明确，节点构造简单[2]，大部分构件属于拉压杆，加工、运输和安装也很方便。

另一方面，格构式构架为超静定结构，一旦某个杆件出现问题，可以通过内力重分布进行调节，从结构类型的选取上确保构架具有一定的安全储备。

目前，我国已经有近30余座750kV变电站成功的设计、施工和运行经验。

但对750kV变电构架结构设计方面的研究都集中在节点设计上[3-7]，关于750kV变电构架杆系布置形式优化的相关研究很少，文献[8]也仅是从经济的角度分析比较用钢量。

随着特高压交流输变电工程建设步伐的加快，对变电构架结构设计提出更高的要求，不仅要考虑其结构本身强度、稳定性要求，还要考虑造价和观感轻巧。

为使变电构架的建造更加经济、合理，有必要对750kV钢管格构式构架从构架柱腹杆布置、横隔设置、零杆设置、梁柱节点区柱交叉斜腹杆布置、梁挂线点设置、梁柱弦杆与腹杆连接采用相贯焊等杆系布置进行优化，通过结构分析及技术经济比较，验证其可行性。

为后续750kV和1000kV钢管格构式构架设计提供指导和借鉴。

1750kV变电构架结构选型750kV变电构架一般有如下3种结构形式。

1）角钢格构结构：

构架柱采用矩形变断面角钢自立柱，角钢主材、角钢腹杆、螺栓连接的格构式柱；构架梁采用矩形等断面、角钢弦杆、角钢腹杆、螺栓连接的格构式钢梁。

梁柱采用螺栓连接，柱、梁弦杆拼接接头采用角钢拼接连接。

该结构形式在西北地区750kV变电站中尚无工程实例。

2）钢管人字柱结构：

构架柱采用A型普通直缝焊接圆形钢管；构架梁采用三角形变断面、钢管弦杆、角钢腹杆、螺栓连接的格构式钢梁。

梁柱采用螺栓连接，柱、梁弦杆拼接接头采用法兰连接，如图1所示。

图1750kV钢管人字柱构架钢管人字柱构架（尤其是柱头处）工厂焊接工作量大、薄弱环节多，焊接及镀锌变形都很大，柱头结构受力复杂、计算假定与实际差别较大，一旦某个杆件出现问题，将无多余的安全储备。

另外，柱头与顶板采用相贯焊，相贯线处的焊缝密集且交错，应力集中严重，节点的实际受力状态以及极限承载力更加难以确定。

3）钢管格构结构：

构架柱采用矩形变断面钢管自立柱，钢管主材、钢管腹杆、螺栓连接的格构式柱；构架梁采用矩形等断面、钢管弦杆、钢管腹杆、螺栓连接的格构式梁。

梁柱采用螺栓连接，柱、梁弦杆拼接接头采用法兰连接，如图2所示。

图2750kV钢管格构式构架钢管格构式构架已经在西北750kV电网建设中广泛应用，该结构形式取材方便，用钢量节省，技术经济指标优良。

目前，除新疆东郊750kV变电站、甘肃沙洲750kV变电站中的750kV构架采用钢管人字柱结构外，其余已建成的30余座750kV变电站750kV构架均采用了钢管格构式结构。

2750kV格构式构架杆系结构设计优化2.1优化的主要原则1）在满足构件强度、刚度及整体稳定性的同时有效降低构架用钢量。

2）在满足工艺专业使用功能和结构构造要求的前提下，结构杆系布置合理，传力路线清晰、节点处理简单，充分发挥构件的承载能力。

按照上述原则，从构架柱的腹杆布置、横隔设置、零杆设置、梁柱节点区柱交叉斜腹杆布置、梁挂线点设置、梁柱弦杆与腹杆采用相贯焊等方面对其进行结构设计优化。

2.2腹杆布置形式优化对于750kV格构柱的宽面，柱斜腹杆一般采用W形即“双斜”布置，如图3a所示。

横腹杆一端为T形节点，另一端为“K+T”形组合节点形式，如图3b所示。

a-宽面斜腹杆W形布置;b-“K+T”形节点。

图3构架柱斜腹杆布置柱斜腹杆受力一般远大于横腹杆，计算所需的“K+T”形节点的节点板厚度比单T形节点板厚度大。

若同一横腹杆两端节点板采用不同厚度，横腹杆将产生偏心，不利于横腹杆受力，若采用相同的节点板厚度（取较厚的节点板），对T形节点来说，节点板比较浪费，不能充分发挥板材的强度。

斜腹杆W形布置时，因两斜腹杆的布置角度过大，导致K形节点的节点板竖向尺寸很大（最长达1m），这对节点板的稳定性很不利，要通过加厚节点板或者增设节点板的加劲肋板来增强节点板的稳定性，造成了用钢量的增大。

横腹杆另一端的T形节点板尺寸则相对较小，不是很对称。

将构架柱宽面斜腹杆由W形布置改为\\形布置，即“双斜”改为“单斜”布置，如图4所示，则构架柱宽面所有节点板均采用了同一种不规则的K形。

这样可有效地避免上述W形布置的缺点，使同一横腹杆两端可以采用相同板厚的节点板,简化了立面，节约了用钢量，且不会使横腹杆产生偏心受力。

a-W形布置;b-\\形布置。

图4宽面布置优化W形布置时相交的斜腹杆一根受压，则相交的另一根受拉，中间的水平横腹杆可视为零杆。

采用\\形布置时，斜腹杆之间不相交，水平横腹杆被充分利用起来。

对于格构柱的窄面，为宽度2m或2.5m的等截面形式，现行国家标准GB50017-2003《钢结构设计规范》中关于斜腹杆与主材有30°～60°的角度要求，柱宽面一根斜腹杆对应柱窄面两根斜腹杆。

不同于1000kV构架宽面一根斜腹杆对应窄面一根斜腹杆，这也是750kV构架不同于1000kV构架的自身特点。

因此，750kV格构柱窄面斜腹杆一般采用W形布置，如图5a所示,若两根斜腹杆也采用\\形布置，如图5b所示，将造成斜腹杆有一端既没有水平横腹杆也没有斜腹杆与之相交，不能在一个节点中通过腹杆自身来实现拉压平衡，一般不采用这种结构布置形式。

所以格构柱的窄面不能与宽面一样采用\\形布置。

a-W形布置;b-\\形布置。

图5窄面布置优化2.3减少横隔及零杆设置根据电力行业标准DL/T5154-2012《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》第10.1.1条第11款,在铁塔塔身坡度变化的断面处、直接受扭力的断面处和塔顶及塔腿顶部断面处应设置横隔面。

塔身坡度不变段内，横隔面设置的间距一般不大于平均宽度（宽面）的5倍，也不宜大于4个主材分段。

根据GB50135—2006《高耸结构设计规范》第5.10.6条，应按结构计算要求设置横隔。

当塔柱及其连接抗弯刚度较大时，可按构造要求设置横隔，宜每2～3节设置一道横隔。

以往工程在构架柱主材的每个分段处均设置横隔（水平横腹杆下有虚线代表设置有横隔），如图6a所示，750kV构架柱平均宽度（宽面）为5m，所以按照上述两个规范都可以仅在底部设置一道横隔，在梁柱接头的地方对应于梁的上下弦杆各设置一道横隔，如图6b所示。

a-多余横隔、零杆设置;b-减少横隔、零杆设置。

1-多余零杆；2-多余横隔。

图6横隔和零杆布置优化关于横隔的设置方式，电力行业标准DL/T5154—2012第10.1.1条第11款要求受力横隔面必须是一个几何不变的体系，可由刚性或柔性杆件组成。

GB50135-2006第5.10.6条要求横隔必须具有良好的刚度。

设计中在水平面内设置交叉角钢,可以很好地满足横隔刚度的要求。

对于格构柱的窄面，斜腹杆采用W形布置，每隔两根斜腹杆就设有一根水平横腹杆，在中间还设有一根水平横腹杆，如图6a所示。

此杆受力不大，对柱主材的计算长度没有贡献（柱主材的另一个平面没有相应的支撑），视为零杆，所以可取消此杆件，如图6b所示。

通过以上对杆系布置分析，对单根750kV构架柱，一般可取消多余横隔面5个，多余零杆8根，优化后的构架立面更加简捷、轻巧。

2.4梁柱节点区交叉角钢改为交叉钢管位于梁柱节点区（接头处）的柱交叉斜腹杆受力较大，以往工程一般采用┕160×12单角钢背靠背放置，如图7所示。

根据GB50017-2003第3.4.2条，对于单面连接的单角钢，其强度设计值应相应折减。

图7单角钢背靠背交叉布置将交叉角钢改为交叉圆钢管，如图8所示，经计算，φ152×6即可满足设计要求，且可以充分利用钢材的强度。

但每一交叉面内需要额外增加两对法兰盘。

图8圆钢管交叉放置笔者对梁柱节点区构架柱交叉斜腹杆分别采用┖160×12和φ152×6两种不同截面时的用钢量进行了对比分析，详见表1。

表1两种不同交叉布置形式用钢量对比布置形式截面类型斜腹杆/t插板/t法兰盘/t合计t角钢交叉布置┗160×120.35000.35圆钢管交叉布置?

152×60.20.030.110.34由表1得知：

与交叉角钢相比，采用圆钢管交叉布置虽然每根柱用钢量仅节约10kg，但梁柱节点区的刚度大大增强，有利于结构承载力的提高。

2.5梁挂线点布置优化矩形格构式钢梁挂线点布置一般有2种方案：

方案1。

挂线点设置在梁跨中竖腹杆上，如图9a所示。

方案2。

挂线点设置在梁下弦杆节点上，如图9b所示。

a-挂线点设置在竖腹杆上;b-挂线点设置在下弦杆上。

图9两种布置方案采用方案1，导线拉力直接作用到竖腹杆上，竖腹杆受很大的集中力，属于拉压弯构件，竖腹杆与梁上下弦杆采用相贯焊连接，计算所需截面尺寸为φ219×8，而梁上、下弦杆的计算所需截面尺寸为φ180×6，竖腹杆截面比梁上下弦杆还大。

根据GB50017-2003第10.2.1条第1款：

主管的外部尺寸不应小于支管的外部尺寸，主管的壁厚不应小于支管壁厚。

为了保证梁上下弦杆与挂线点所在竖腹杆相贯焊连接的要求，梁上下弦杆截面应不小于竖腹杆截面，则必须将梁上下弦杆截面加大至φ219×8，造成浪费。

同时，方案1中每根挂线点所在的竖腹杆均设置两对法兰盘，额外增加了用钢量。

采用方案2，导线拉力直接作用在梁下弦杆节点上，经计算得知，梁下弦杆截面采用φ180×6即可满足设计要求。

梁竖腹杆不再直接承受导线拉力，计算所需截面为φ102×6，杆件截面明显变小。

与方案1相比，在相同梁高的条件下，方案2将挂线点布置在梁下弦杆时，挂线点的高度相对方案1降低了梁高的一半，为此增加半个梁高的每根柱的用钢量将增加约0.4t。

总的来说，用钢量还是节省的。

利用空间分析软件对上述2种方案分别进行空间结构计算，结果见表2。

因梁挂线点下移至梁下弦杆，仅对梁上下弦杆、挂线点所在竖腹杆有影响，对其他腹杆受力影响很小，所以，表2仅列出了采用2种不同挂线点布置方式时梁上下弦杆、挂线点所在竖腹杆的用钢量。

表2单根构架梁部分用钢量对比构件计算所需截面方案1方案2长度/m数量/个用钢量/t方案1方案2上下弦杆?

219×8?

180×641.546.94.3竖腹杆?

219×8?

102×62.5121.20.4法兰盘?

422——481.1—合计9.24.7由表2得知：

以单根梁计算，方案2相对方案1有效地减小了梁上下弦杆及竖腹杆的截面尺寸，节约用钢量约4.5t，且每个挂线点所在竖腹杆不再设置法兰盘，简化了构架立面。

2.6格构梁及柱窄面弦杆与腹杆采用相贯焊750kV和1000kV钢管格构式构架节点的连接方式主要有2种：

相贯焊连接和插板连接。

两种节点形式有各自的优缺点，因而适合于不同的结构形式。

目前，国内的750kV和1000kV钢管格构式构架梁、柱腹材和主材均采用节点板螺栓连接。

每个节点处设置节点板和加劲肋，如图10所示。

该连接方式的缺点：

梁、柱腹材与主材的连接节点板、加劲板及连接螺栓占构架整体用钢量约30%。

图10弦杆与腹杆螺栓连接方案为节省钢管格构式构架梁柱节点板用钢量、降低工程造价，同时满足镀锌、运输和安装要求，在750kV钢管格构式构架柱节点中引入一种新型的柱节点形式：

钢管格构柱，在等宽度的窄面节点采用相贯焊、变宽度的宽面节点仍然采用节点板螺栓连接；同时引入一种新型的梁节点形式：

梁前后片平面节点，采用相贯焊、上下片平面节点仍然采用节点板螺栓连接，反之亦然。

对于矩形格构柱，将两个等宽度的窄面相贯连接成整体运至现场，然后与柱变宽度宽面采用节点板螺栓连接进行组装，如图11所示。

a-窄面相贯连接;b-宽面插板连接;c-整体效果。

图11柱弦杆与腹杆相贯焊连接方案对于矩形格构梁，将格构梁四个面中的前、后两面主腹杆分别进行相贯连接，然后将梁前、后两个整体平面通过梁上、下面的腹杆用节点板螺栓连接组装在一起；或者将梁上、下两面主腹杆分别进行相贯连接，然后将梁上、下面两个整体平面通过梁前、后面的腹杆用节点板螺栓连接组装在一起。

梁前后两面相贯连接如图12所示。

图12梁弦杆与腹杆相贯焊连接方案钢管直接相贯焊连接具有传力路径明确,构造简单,建筑效果美观等优点[9]。

将构架梁腹杆直接相贯焊接于弦杆上，格构梁某一平面的节点板改为相贯线工厂焊接、整片运至现场进行组装，现场无焊接工作量，减少了构架梁节点板的用钢量、降低了工程造价、加快了施工组装进度。

该优化方案将应用在青海省佑宁750kV变电站工程。

3经济技术指标分析3.1技术指标优化后的构架形式安全可靠，简化了结构构造，减少了杆件数量，结构荷载传递方式更加合理。

3.2经济指标通过上述结构设计优化措施，可有效节约用钢量，降低工程造价，验证了其优化的可行性。

在相同的设计条件下，对单根柱及单根梁在优化前与优化后的经济技术指标进行对比分析，详见表3及表4（钢材价格按0.9万元/t计算）。

表3单根构架柱优化前后经济性比较序号优化方案节省的用钢量/t节省材料费/万元1柱斜腹杆布置0.350.3152柱横隔面布置0.550.4953柱零杆设置0.890.8004梁柱节点区布置0.010.009合计1.801.619表4单根构架梁优化前后经济性比较序号优化方案节省的用钢量/t节省材料费/万元1挂线点设置4.54.02弦杆与腹杆相贯焊2.01.8合计6.55.8由表3、表4可知，优化后的格构式构架能显著降低用钢量，与优化前相比，具有明显的经济优势。

以敞开式布置的哈密南750kV变电站为例，出线构架共计有30根柱、20根梁，优化后的结构设计方案可节省用钢量184t，节约工程造价约165万元。

4结束语本文对750kV格构式构架从构架柱腹杆布置、横隔设置、零杆设置、梁柱节点区交叉斜腹杆布置、构架梁挂线点设置、弦杆与腹杆连接方式等进行结构设计优化。

研究结果表明：

优化后的结构形式安全可靠，技术经济指标优良，除格构梁及柱窄面弦杆与腹杆采用相贯焊这一优化措施外，其余方案都已经在实际工程设计中得以应用，为后续750kV和1000kV钢管格构式构架设计提供指导和借鉴作用，对提高变电构架的设计水平具有重要的促进作用。

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兰州大学，2013．[9]赵必大，赵滇生，郭亮．圆钢管相贯节点静力单调与滞回性能研究进展综述[J]．钢结构，2013，28

（1）：

1-6.OPTIMIZATIONDESIGNFORBARSYSTEMSTRUCTUREOF750KVLATTICEGANTRYChangWeiZhangYumingLeiXiaobiaoHuFengYingJie（NorthWestElectricPowerDesignInstituteCo.Ltd,ChinaPowerEngineeringConsultingGroup，Xi’an710075，China）ABSTRACT：

750kVdistributiondeviceforgantrywastheemphasisanddifficultiesofcivildesigningofsubstation.Startingwithsomeprojectslike750kVtransmissionandtransformationproject,steeltubelatticegantrywasthesuitablestructuralformfor750kVoutdoordistributiondevicethroughthereferencetotheexperienceofthedesignofdomesticandforeigngantries,atpresentinourcountry,steeltubelatticegantryhasbeenthepreferredstructuralformfor750kVand1000kVgantry.Inordertomaketheconstructionofsteeltubelatticegantrymoreeconomicandreasonable,onthebackgroundofHaminan750kVsubstationproject，structuraloptimizationandanalysisoftechnicalandeconomiccomparisonwerecarriedoutfromlayoutofmembersof750kVlatticegantryintermsoflayoutofcolumn-webmembers,diaphragmandzero-forcemembersandsoon.Thestudiesshowedthattheoptimizedstructurewassafeandreliable,elevationofgantrywassimplifiedandengineeringamountwasreduced,andsignificanteconomicbenefitwasachieved.Optimizationdesignhasbeenappliedinengineeringdesign,whichcanbeusedasaguidanceandreferenceforthestructuraldesignof750kVand1000kVgantry.KEYWORDS：

750kVsubstation;steeltubelatticegantry;layoutofmembers;optimizationdesign*中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司科技项目（XB1-DK06-2012）。

第一作者：

常伟，男，1982年出生，硕士，工程师。

Email：

changwei2765@收稿日期：

2014-12-30DOI：

10.13206/j.gjg201506016