变电站出线构架标准计算书.docx

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变电站出线构架标准计算书

开关站进出线构架结构计算及其基础设计

1.计算说明

1.1计算目的

本计算书为XXXXXXX扩建220kV开关站进出线构架进行结构计算及其基础设计。

1.2基本资料

互提资料卡：

；

参考资料：

《变电架构设计手册》（电力工业部中南电力设计院）、《水工钢结构》（武汉水力电力大学等合编第3版）、《电力工程高压送电线路设计手册》（中国电力出版社第2版）、《钢结构设计手册》（中国建筑工业出版社第2版）。

2.计算结果

出线构架横梁弦杆和腹杆拟采用角钢，弦杆和腹杆夹角为o，截面为一正三角形；格构架柱采用角钢，所有钢材均用Q235钢。

钢构架结构设计满足规范要求，截面见计算简图。

地基应力及基础抗拔抗倾满足要求，截面见计算简图。

3.计算过程

3.1构架横梁计算

桁架弦初步选用L80×7的角钢，腹杆选用L70×7的角钢

3.1.1横梁计算简图

横梁按简支梁计算，如下图所示。

3.1.2计算工况

出线构架按终端构架计算，根据互提资料运行工况、安装工况和检修工况单根导线荷载见下表。

状态水平拉力单位垂直荷载单位

HRARB

最大荷载7872.166N255.712224.415kgf

最大风速7746.296N243.600212.117kgf

最低温度8833.393N297.973266.688kgf

施工安装7707.179N255.712224.415kgf

三相上人12799.909N305.712274.415kgf

单相上人15248.137N330.712299.415kgf

3.1.3横梁荷载

3.1.3.1恒荷载计算

1）自重计算，恒载系数1.2,

q=1.2*（4*12.3*16+44*1.05*9.42+40*1.95*9.42+22*1.5*9.42）*10-4*78.5/16=1.34KN/m

垂直面每榀框架自重近似为q＝1/2*1.34＝0.67KN/m

2）活荷载计算，活载系数1.4

a.单根导线最大水平拉力

单根导线最大水平拉力S＝1.4×15.25=21.35KN

b.导线垂直荷载

单根导线垂直荷载为P=1.4×3.5=4.90KN

c.风荷载

根据《电力工程高压送电线路设计手册》P326风荷载计算：

风速V0=32m/s,初步估算基本风压ω0＝0.65kN/m2

风压高度变化系数μz按13m高，取为1.1

风载体型系数μS，μS＝1.3

单榀桁架体型系数为μSt=ΨμS，

桁架杆件及节点挡风的静投影面积约为：

An=2*0.08*16+11*1.05*0.07+10*1.95*0.07=4.74m2

桁架轮廓面积约为：

A=（1.05+0.08）*16=18.08m2

有桁架挡风系数Ψ：

Ψ=An/A=4.74/18.08=0.26

μSt=ΨμS=0.26*1.3=0.34

风振调整系数为1.0

则风荷载设计值为：

w=μStμz*μt*W0=0.34*1.1*1*1=0.374kN/m2

那么，梁上线荷载为：

qw=0.374*（1.05+0.08）*1.4=0.60kN/m

3.1.3内力计算

根据《变电架构设计手册》P46~47，横梁按简支梁进行计算

梁自重产生的跨中最大弯矩

Mq=

导线张力及风荷载产生的跨中最大弯矩

全部垂直荷载产生的跨中最大弯矩

（P1为绝缘子串重量，由于缺乏资料，其设计值据类似工程取为0.5KN）

支座处水平桁架平面内的剪力

QH=1.5S+1/2*q1*l=1.5×21.35+0.5*0.6*16=36.83KN

支座处垂直面桁架平面内的剪力

梁按正三角形布置

上弦杆内力

下弦杆内力

其中h为截面高度，为636mm；b为截面宽度，为900mm。

斜材内力

水平桁架的斜材

倾斜桁架的内力由于QV值较小，不以计算。

3.1.4截面特性计算

横梁主材拟采用φ108×6钢管，斜材拟采用L56X5。

截面特性通过计算，结果如下：

☆截面：

三根钢管组合格构式截面

钢管截面D*T=108*6

截面高：

636，截面宽：

900

☆截面材料：

钢

☆　截面特性

◎下肢截面特性

A=3.845e-003;Xc=0.0000e+000;

◎上肢截面特性

A=1.923e-003;Xc=0.0000e+000;

◎单个钢管截面特性

A=1.923e-003;

Ix=2.509e-006;Iy=3.2.509e-006;

ix=33.612e-002;iy=3.612e-002;

Wx=4.646e-005;

◎整体截面特性（对形心）

利用惯性轴平移轴公式计算在进行叠加：

A=5.769e-003;Xc=0.000e-000;Yc=2.120e-001;

Ix=0.526e-003;Iy=0.786e-003;

ix=3.020e-001;iy=3.691e-001;

整个构件对X及Y轴的长细比为：

格构式构件的换算长细比为：

查《变电构件设计手册》附录IV，偏于安全取Ψ=0.888

对单肢的长细比为：

单角钢：

查附录IV，对上弦杆偏于安全取

＝0.888；其中1600mm为两腹杆节点间距离。

3.1.5应力计算

按轴心构件计算主材、斜材的应力

受拉：

受压：

单根钢管截面积为2513mm2,单根角钢截面积为541mm2

上弦杆

下弦杆

斜材

3.1.6梁挠度计算

Bg=0.9EI（采用较小刚度进行计算，偏于安全）

=0.9×206000×0.786×109=1.457×1014

将自重及出线荷载按同一方向计算，偏于安全。

3.2构架计算

进线构架为二至七跨连续构架，边跨简化为单跨进行计算，计算构架尺寸如下图所示

R1=2.95KN，H1=9.41KN，H2=4*1.4=5.6KN

R2=2*1.4+3*1.2=6.4KN,

根据前面计算，横梁自重按1.2KN/m

为简化计算，将梁自重的均布荷载转化为集中荷载加入到导线垂直荷载中计算。

梁自重转化为垂直荷载每个点的集中力为：

1.2×13÷3=5.2KN

所以R1=5.2+2.95=8.15KN

计算风荷载

风荷载体型系数ω0d2=1×0.32=0.09μs=1.2

风压调整系数及风压高度系数均为1

设计值为p=1.2×1×1×0.3×1.4=0.50KN/m

计算参考《变电架构设计手册》

3.2.1截面特性计算

根据前面所算，横梁的惯性矩（门型钢架平面内）I1为：

5.26×108mm4；

主材截面积为1.923×103mm2；

人字架采用Ф300×8钢管，惯性矩I2为7.75×107mm4

截面积为7.314×103mm2

横梁的惯性矩修正系数为ξ：

3.2.2构架内力计算

（1）作用于门型刚架及人字柱节点上的外力

由于无法提供出线与横梁水平方向角度，故认为导线出线在水平方向与横梁垂直

（2）门型刚架内力计算

F1A=

0.944

F1B=

0.207

a）水平力WBX、p及M产生的弯矩

b）垂直力R1产生的弯矩：

c）在水平力WBX、弯矩M、水平力p及垂直力R1共同作用下产生的弯矩

（3）字柱在水平力WCY及WBY作用下的内力计算

H=14.5m

取i＝1/10

b=0.3mФ300等径杆

查附录III-表3

tab=8.61

Kbw=0.646

Kbm=0.431

Kaw=0.369

Kam=0.246

W=WCY+WBY=5.6+14.12=19.72kN

M=WCY*h2=5.6*4.5=25.2kN

MB1A1Y=kbw·W-kbm·M

=0.646×19.72-0.431×25.2

=1.88kN·m

MA1B1Y=-kaw·W+kam·M

=-0.369×19.72+0.246×25.2

=-－1.08kN·m

（4）人字柱轴力和弯矩计算

a）人字柱顶部的垂直荷载计算

横梁重按q=1.2kN/m计算

P1=ql=0.5*1.2*13=7.8kN

梁间垂直荷载

P2=3/2×R1=3/2*2.95=4.43kN

地线柱及避雷针重

地线柱重约3kN

避雷针重约1kN

P3=3+1=4kN*1.2=4.8KN

避雷线垂直荷载为P4=2*1.4=2.8kN

人字柱顶垂直荷载P为

P=P1+P2+P3+P4

=7.8+4.43+4.8+2.8=19.83kN

b）人字柱自重G0=0.58*14.5=8.41kN

设计值为G＝8.41×1.2＝10.09

（5）综合构架XY两个方向的内力及垂直荷载：

拉杆：

NB1=NA1B1-P=96.57-19.83=76.74KN（拉）

NA1=NB1-G0=76.74-10.09=66.65KN（拉）

压杆：

NB1’=NA1’B1’-P=-96.57-19.83=-116.4KN（压）

NA1’=NB1’-G0=-116.4-10.09=-126.49KN（压）

压杆柱顶MBx=0.5×MB1X=0.5×43.96=21.98kN·m

MBY=MB1A1Y=1.88KN·mN=-116.4kN

柱脚MAX=0.5×MA1X=0.5×（-59.68）=-29.84kN·m

MAY=MA1B1Y=-1.08KN·mN=-126.49kN

拉杆柱顶MBx=0.5×MB1X=0.5×82.02=41.01kN·m

MBY=MB1A1Y=1.88KN·mN=76.74kN

柱脚MAX=0.5×MA1X=0.5×（-59.68）=-29.84kN·m

MAY=MA1B1Y=-1.08KN·mN=66.65kN

3.2.3应力计算

人字柱按压弯构件及拉弯构件计算

压杆柱顶

rx=ry=1.15

根据前面计算，N=-116.4KN

柱脚

rx=ry=1.15

根据前面计算，N=-126.49KN

根据前面所算内力，拉杆应力同样满足规范要求。

3.2.4挠度计算：

根据《变电所建筑结构设计技术规定》当人字柱平面外一侧或两侧设置端撑时，可将人字柱示为一端固定，一端为不动铰支承柱计算分析，所以无须计算人字柱平面外的位移。

3.3中间跨构架

3.3.1内力计算

连续多跨门型架中间跨构架按等径杆双孔门型架中间构架计算：

（简化为两跨计算）

a）在弯矩及水平力作用下：

根据前面计算

梁柱线刚度比

b）垂直力R1产生的弯矩：

中间跨人字柱在垂直集中力作用下弯矩为0。

c）人字柱在水平力WCY及WBY作用下的内力计算

H=14.5m

取i＝1/10

b=0.3mФ300等径杆

查附录III-表3

tab=8.61

Kbw=0.646

Kbm=0.431

Kaw=0.369

Kam=0.246

W=WCY+WBY=11.2+28.23=39.43kN

M=WCY*h2=11.2*4.5=50.4kN

MB1A1Y=kbw·W-kbm·M

=0.646×39.43-0.431×50.4

=3.75kN·m

MA1B1Y=-kaw·W+kam·M

=-0.369×39.43+0.246×50.4

=-2.15kN·m

d）人字柱顶部荷载及人字柱重与前计算方法相同：

人字柱顶部的垂直荷载计算

横梁重按q=1.2kN/m计算

P1=ql=1.2*13=15.6kN

梁间垂直荷载

P2=3×R1=3*2.95=8.85kN

地线柱及避雷针重

地线柱重约3kN

避雷针重约1kN

P3=3+1=4kN*1.2=4.8KN

避雷线垂直荷载为P4=2*1.4=2.8kN

人字柱顶垂直荷载P为

P=P1+P2+P3+P4

=15.6+8.85+4.8+2.8=32.05kN

人字柱自重G0=0.58*14.5=8.41kN

设计值为G＝8.41×1.2＝10.09

E）综合内力

拉杆：

NB1=NA1B1-P=193.10-32.05=161.05KN（拉）

NA1=NB1-G0=161.05-10.09=150.96KN（拉）

根据前面的计算结果：

压杆：

NB1’=NA1’B1’-P=-193.1032.05=-225.15KN（压）

NA1’=NB1’-G0=-225.15-10.09=-235.24KN（压）

压杆柱顶MB1=MBx=37.76kN·m

MB1A1Y＝MBY=3.75KN·mN=-225.15kN

柱脚MA1=MAX=-56.37kN·m

MAY=MA1B1Y=-2.15KN·mN=-235.24kN

拉杆柱顶MBx=37.76kN·m

MBY=3.75KN·mN=161.05kN

柱脚MAX=-56.37kN·m

MAY=MA1B1Y=-2.15KN·mN=150.96kN

3.3.2应力计算

人字柱按压弯构件及拉弯构件计算

压杆柱顶

rx=ry=1.15

根据前面计算，N=-225.15KN

柱脚

rx=ry=1.15

根据前面计算，N=-235.24KN

根据前面所算内力，拉杆应力同样满足规范要求。

3.3.3挠度计算：

根据《变电架构设计手册》计算刚架的挠度时，略去梁的变形对挠度的影响：

单根钢管刚度为：

B=EI=2.06×106×7.75×107=1.6×1014

构架柱挠度计算：

计算挠度满足规范要求。

3.4基础设计

本变电站进出线构架边跨均设有端支撑，本计算书只对中跨人字架基础进行计算，基础截面拟采用下图形式：

3.4.1地基承载力验算

按双偏心受压计算地基最大压应力。

计算条件：

土的容重为19.5KN/m3

地基承载力R＝220Kpa

荷载：

作用于基础上的垂直荷载：

N＝P+2G＝32.05+2×10.09＝52.23KN

基础及土重（包括200mm混凝土护面）：

G’=（2.0*5.0*0.5+1.4*5.0*1.3）*23+2.0*5.0*0.2*23

+0.6*5.0*1.3*19.5=446.35KN

作用在基础上的人字架平面外弯矩：

MX=MAX=-55.52kN·m

作用在基础上的人字架平面内弯矩：

MY=MAX=WCy（14.5+4.5）+WBy*14.5

=11.2*19+28.23*14.5

=622.14kN·m

地基最大应力计算如下：

ex=

Cx=B/2-ex=5.0/2-1.248=1.252

ey=

Cx=A/2-ey=2.0/2-0.111=0.889

Pmax=0.35×

＝0.35×

＝156.8Kpa<220Kpa

以上各式符号意义同前。

基础尺寸选择满足要求。

3.4.2基础抗拔安全系数与抗倾覆安全系数验算

本工程按重力基础进行基础抗拔安全系数与抗倾覆安全系数验算。

1、基础抗拔安全系数验算

2.96>1.3

其中Ny为上拔力垂直分量，这里用拉杆方向力，偏于安全。

基础抗拔安全系数满足要求。

2、基础抗倾安全系数验算

基础抗倾安全系数满足要求。

4.计算成果分析

本次计算为xxxxxxx工程外江水电站220KV开关站中进出线构架进行结构计算及基础设计，连接焊缝没有计算，其余构架及支架及其基础图纸参考xxxxxxx220KV变电所和xxxxxxx500KV变电所工程220KV间隔进出线构架及其基础设计。

认为本次计算符合规范及本阶段设计的精度要求，可作为施工图依据使用。

5.附表及附图