构支架及避雷针设计注意事项.docx

1、构支架及避雷针设计注意事项构支架及避雷针设计注意事项 张玉明2011-12-161 一般规定或基本原则1.0.1 变电构支架及避雷针应因地制宜地采用成熟的结构型式，不断总结经验，依靠技术进步，配合工艺布置和施工条件，积极慎重地采用国内外新技术、新布置、新结构和新材料，在安全经济的前提下鼓励设计人员进行技术创新。新结构、新材料的构架原则上应经过足尺或缩尺真型试验验证。【如：750kV示范站1:1足尺真型试验；1000kV试验示范站1:2缩尺真型试验；浙西1000kV构架采用A字柱三角形梁1:1足尺真型试验；银川东接地极线路20多米高玻璃钢复合材料塔1:1真型试验等，实际应用两级塔。】1.0.2

2、500kV及以下变电站构架柱宜采用人字柱，750kV及以上变电站构架柱宜采用格构式柱；220kV及以下变电站宜采用单钢管梁或者矩形断面梁、三角形断面梁，330kV变电站宜采用单钢管梁或者三角形断面格构式梁，500kV及以上变电站宜三角形或矩形断面格构式梁。1.0.3 变电构支架及避雷针应同时满足承载能力极限状态和正常使用极限状态的设计规定。特别要重视杆件稳定和构支架节点的设计，应遵循“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强连接（节点）弱构件”的抗震基本设计原则。1.0.4 变电构架的温度区段长度（伸缩缝的间距）不宜超过相应规范的规定，否则在进行结构选材时，必须计算温度作用效应组合或采取其他可靠措施减少

3、构架超长产生的温度应力。1.0.5 变电构支架及避雷针杆件之间的连接应尽量采用螺栓连接，避免或者减少现场焊接工作量，同时考虑施工安装、检修维护等要求，应设置必要的安全挂环、柱上爬梯、梁上走道及栏杆等。1.0.6 应核实确认电气专业提出的大风、覆冰有风、最高最低气温等三种气象条件以及安装、检修等工况的导线荷载。1.0.7 构支架及避雷针结构安全等级1 根据结构破坏可能产生的后果（危及人的生命、造成经济损失、产生社会影响等）的严重性，采用不同的安全等级。2 变电构支架及避雷针安全等级一般为二级。对安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构件，结构重要性系数0不应小于1.0。3 构支架及避雷针中各

4、类结构构件的安全等级，宜与整个结构的安全等级相同。对其中部分结构构件的安全等级可进行调整，但不得低于三级。对安全等级为三级或设计使用年限为5年的结构构件，不应小于0.9。【现行国家标准钢结构设计规范GB50017第3.1.3条（强条）：一般工业与民用建筑钢结构的安全等级应取为二级，其他特殊建筑钢结构的安全等级应根据具体情况另行确定。1000kV构支架为钢结构，考虑到变电站在系统中的作用和地位、设计使用年限等，其安全等级可定为一级。】1.0.8 结构设计使用年限 结构设计使用年限是国务院建设工程质量管理条例规定的在设计时考虑施工完成后正常使用、正常维护情况下不需要大修仍可完成预定功能的保修年限，

5、国内外的一般建筑结构均取50年。 工程结构可靠度设计统一标准GB50153-2008第2.1.5条、建筑结构可靠度设计统一标准GB50068-2001第2.1.7条、建筑结构荷载规范GB50009-201X（征求意见稿）第2.1.6条：设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按预定目的使用的年限。1.0.9设计基准期工程结构可靠度设计统一标准GB50153-2008第2.1.49条：为确定可变作用等的取值而选用的时间参数；建筑结构可靠度设计统一标准GB50068-2001第2.1.6条：为确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数;建筑结构荷载规范GB50009-2001/201

6、X（征求意见稿）第2.1.5条:为确定可变荷载代表值而选用的时间参数。1.0.10结构抗震设计基准期 结构抗震设计的基准期是抗震规范确定地震作用取值时选用的统计时间参数，也取50年，即地震发生的超越概率是按50年统计的。对于设计使用年限不同于50年的结构，其地震作用需要做适当调整，取值经专门研究提出并按规定的权限批准后确定。当缺乏当地的相关资料时，可参考建筑工程抗震设计性形态通则（试用）的附录A，其调整系数的范围大体是：设计使用年限70年，取1.151.2；100年，取1.31.4。1.0.11 抗震设防目标抗震设防目标分为基本目标和性能化目标两大类“小震不坏，中震可修，大震不倒”是抗震设防的

7、三个水准目标，也是最基本的抗震性能化设计目标。即一般情况下（不是所有情况下）具有以下性能：小震不坏指遭遇多遇地震影响时，建筑仍处于可基本正常使用状态，其损坏属于日常维修范围内，从结构抗震分析角度，可以视为弹性体系，采用弹性反应谱进行弹性分析；中震可修指遭遇设防抗震影响时，结构进入非弹性工作阶段，但非弹性变形或结构体系的损坏控制在可修复的范围；大震不倒指遭遇罕遇地震影响时，结构有较大的非弹性变形，但能控制在规定的范围内，使结构不致倒塌。抗震性能化目标是针对每个工程的具体情况，包括技术和经济的可能条件，设计上提出的比基本目标更为具体的、灵活的、明确的、定量的、切实可行的设防目标设计指标。该目标不得

8、低于基本设防目标，适用于对使用功能或其他方面有专门要求的建筑工程。建筑抗震设计规范GB50011-2010依然采用二阶段设计实现上述三个水准的基本设防目标：第一阶段设计是承载力验算，取多遇地震的地震动参数计算结构的弹性地震作用标准值和相应的地震作用效应。对大多数的结构，可只进行第一阶段设计，而通过概念设计和抗震构造措施定性地实现罕遇地震下的设防要求。第二阶段设计是弹塑性变形演算，对地震时易倒塌的结构、有明显薄弱层的不规则结构以及有专门要求的建筑，除进行第一阶段设计外，还要进行结构薄弱部位的弹塑性层间变形演算并采取相应的抗震构造措施，定量地实现罕遇地震下的设防要求。地震发生及其强度的随机性很强，

9、现阶段采用概率的统计分析来估计本地区可能遭受的地震影响，小震、中震和大震有相对明确的概率含义。在建筑结构设计基准期50年内，对当地可能发生的对建筑结构有影响的各种强度（即大致为有感地震及更强烈的地震）的地震次数进行概率统计分析：“小震”为超越概率约63%的地震烈度，对应的重现期约50年，是出现概率最大（统计上成为“众值”）的地震影响，规范称为“多遇地震”；“中震”为超越概率约10%的地震烈度，对应的重现期约475年，规范称为“设防地震”；“大震”为超越概率2%3%（基本烈度7度为3%，9度为2%）的地震烈度，对应的重现期约24001600年，规范称为“罕遇地震”。因此，小震、中震、大震均是相对

10、与本地区抗震设防烈度而言的地震强弱程度。鉴于现有的地震科研水平，对于未来地震的估计存在很大的不确定性，小震、中震、大震的概率含义只是在现有认识水平上的概率，超出罕遇地震强度的地震仍然可能发生。1.0.12 抗震概念设计和性能化设计所谓“概念设计”，指根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程。建筑结构抗震性能的决定因素，是良好的概念设计。抗震性能化设计是以现有的抗震科学水平和经济条件为前提，一般需要综合考虑使用功能、设防烈度、结构的规则程度和类型、结构发挥延性变形的能力、造价、震后的各种损失及修复难度等等因素。不同的抗震设防类别，其性能设

11、计要求也有所不同。鉴于目前强烈地震下结构的非线性分析方法的计算模型和计算参数的选用尚存在不少经验因素，缺少从强震记录、设计施工资料到实际震害的详细验证，对结构性能的判断难以十分准确，因此在性能化设计指标的选用中宜偏于安全一些。注意：1 针对性和灵活性如楼梯间可作为“抗震安全岛”2 可供选择的性能目标抗震性能设计，要尽可能达到可操作性相对定量的预期地震水准、结构破坏状态和使用功能保持程度。1.0.13 抗震结构的多道防线 对于结构在强震下的安全性，多道防线的设计是很重要的。所谓多道防线，通常是指：第一，整个抗震结构体系由若干个延性较好的分体系组成，并由延性较好的结构构件连接起来协同工作。如框架抗

12、震墙体系是由延性框架和抗震墙两个系统组成；双肢或多肢抗震墙体系由若干个单肢墙分系统组成；框架支撑体系由延性框架和支撑框架两个系统组成；框架筒体体系由延性框架和筒体两个系统组成。第二，抗震结构体系具有最大可能数量的内部、外部赘余度，有意识地建立起一系列分布的较易于修复的塑性屈服区，以使结构能吸收和耗散大量的地震能量。例如，框架结构中，根据强柱弱梁的概念，地震时框架梁先于框架柱屈服，可吸收地震能量并实现内力重分布，从而提高结构的抗震能力。1.0.14 抗震设防类别和抗震设防标准 根据建筑工程抗震设防分类标准GB 50223的规定，变电构架抗震设防标准为标准设防类（简称丙类），即应按本地区抗震设防烈

13、度确定其抗震措施和地震作用，达到在遭遇高于当地抗震设防烈度的预估罕遇地震影响时不致倒塌或发生危及生命安全的严重破坏的抗震设防目标。1.0.15 抗震措施和抗震构造措施抗震设计和抗震措施是两个不可分割的组成部分；抗震措施和抗震构造措施是两个既有联系又有区别的概念。1“抗震措施”是除了地震作用计算和构件抗力计算以外的抗震设计内容，包括建筑总体布置、结构的选型、地基抗液化措施、考虑概念设计对地震作用标准值的计算，不包括地震作用效应（内力和变形）设计值的计算，不等同于抗震设计。2 “抗震构造措施”是指根据抗震概念设计的原则，一般不需要计算而对结构和非结构各部分必须采取的各种细部构造，如构件尺寸、高厚比

14、、轴压比、长细比、板件宽厚比，构造柱和圈梁的布置和配筋，纵筋配筋率、箍筋配箍率、钢筋直径、间距等构造和连接要求等等。在抗震规范的目录章节名称中，可以看到一般规定、计算要点、抗震构造措施、设计要求等等。这里，“一般规定”中，除“适用范围”外的内容属于抗震措施；“计算要点”中的地震作用效应（内力和变形）调整的规定也属于抗震措施。而“设计要求”中的规定，可能包含抗震措施和抗震构造措施，需按规范第二章术语的有关定义加以区分。不同抗震设防类别的建筑，其抗震措施的提高和降低，应包括规范各章中除地震作用计算和抗力计算外的所有规定，与场地条件无关；而抗震构造措施只是抗震措施的一部分，其提高和降低的规定仅涉及到

15、抗震设防标准的部分调整问题，在I类场地及0.15g和0.30g的、类场地条件下，还需要做局部调整（详见抗规第3.3.2及3.3.3条），下表汇总了乙、丙类建筑与场地相关的抗震构造措施的调整要求，是规范第3.3.2及3.3.3条条文的具体体现。乙、丙类建筑的抗震措施和抗震构造措施类别设防烈度67（0.10g）7（0.15g）8（0.2g）8（0.3g）9场地类别II,I,I乙类抗震措施778889999*9*抗震构造措施66788*899*99*丙类抗震措施6677788899抗震构造措施6667878989注：8*、9*表示适当提高而不是提高一度的要求。3.3.2 建筑场地为I 类时，对甲、乙

16、类的建筑应允许仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施;对丙类的建筑应允许按本地区抗震设防烈度降低一度的要求采取抗震构造措施，但抗震设防烈度为6 度时仍应按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施。（强条）3.3.3 建筑场地为、 类时，对设计基本地震加速度为0.l5g 和0.3 g的地区，除本规范另有规定外，宜分别按抗震设防烈度8度（0.2g） 和9 度（0.4g） 时各抗震设防类别建筑的要求采取抗震构造措施。1.0.16 关于防震缝 体型复杂的建筑并不一概提倡设置防震缝。由于是否设置防震缝各有利弊，历来有不同的观点，总体倾向是： 1 可设缝、不可设缝时，不设缝。 设置防震缝可使结构抗震

17、分析模型较为简单，容易估算其地震作用和采取抗震措施，但需要考虑可能的扭转地震效应，并按抗规各章的规定确定缝宽，使防震缝两侧在预期的地震（如中震）下不发生碰撞或采取措施减轻碰撞引起的局部损坏。 2 当不设置防震缝时，结构分析模型复杂，连接处局部应力集中需要加强，而且需仔细估计地震扭转效应等可能导致的不利影响。1.0.17 材料1 钢材一般采用Q235B、Q345B钢可以同时满足构支架强度和变形设计要求。必要时局部杆件或节点板可采用更高等级的高强钢。在不增加用钢量的前提下，材料种类、规格应适当归类合并。2 螺栓（普通螺栓）根据使用部位不同，连接螺栓可采用4.6级、4.8级、5.8级、6.8级、8.

18、8级、10.9级等不同等级的C级普通镀锌螺栓。一般常用4.8级、6.8级和局部采用8.8级可以满足工程设计要求。【钢结构设计规范GB50017-2003表3.4.1-4：C级普通螺栓4.6级、4.8级；A、B级普通螺栓5.6级、8.8级；架空送电线路杆塔结构设计技术规定DL/T 5154-2002表6.2-6：镀锌粗制螺栓4.8级、5.8级、6.8级、8.8级、10.9级】3 涂装材料户外变电构支架优先采用镀锌、喷锌（铝）及其合金防腐，由于运输和现场施焊破坏的锌层，宜采用相同的喷锌（铝）工艺或者环氧富锌底漆、面漆各两道补充防腐。 【从国家长远环保政策看，热镀锌将会逐步受到限制，类似于粘土实心砖

19、】1.0.18 柱脚型式选择变电构支架柱脚型式应与计算假定一致相符、方便柱安装。可以分为刚性柱脚、铰接柱脚两大类。铰接柱脚只可传递竖向和水平荷载，刚性柱脚除传递竖向和水平荷载外，还可以传递弯矩。杯口插入式柱脚二次灌浆、设置柱靴板的地脚螺栓柱脚为刚性柱脚；未设置柱靴板的地脚螺栓柱脚为铰接柱脚。变电构支架一般采用杯口插入式柱脚，方便现场安装构支架，此种连接方式为铰接；也可以采用出露式柱脚，采用地脚螺栓与上部构架柱连接，构架柱底部法兰设置加紧板，可以避免冬季柱脚二次灌浆，但对基础预埋地脚螺栓施工定位及上部钢结构加工精度都要求比较高，此种连接方式为铰接。 2 分析计算2.1 结构分析软件变电构架不仅杆

20、件数量多，格构式结构属于超静定结构，计算工作量也相当大，尤其在设计过程中出现反复的情况下，如果没有合适的设计软件工具，联合构架的计算工作量将异常繁重。目前，变电构架结构分析与计算可采用阿依艾工程软件（大连）有限公司（REI Engineering Software Co. Ltd.）的STAAD/CHINA（2006版）空间杆系分析与设计软件，增加了SSDD中国钢结构设计软件功能。STAAD Pro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。2.2 结构分析计算控制条件2.2.1 风荷载是构支架受力的最基本、最重要的荷载之一，风荷载标准值：Wk=zsz wo1 风

21、压高度变化系数z 按照建筑结构荷载规范GB 50009及高耸结构设计规范GB 50135 选取。2 风载体形系数s按照建筑结构荷载规范GB 50009及高耸结构设计规范GB 50135 选取。3 风振系数z风振系数z是影响作用于变电构架上的风荷载的一个重要系数，根据建筑结构荷载规范GB50009-2001（2006版）规定，对于基本自振周期T1大于0.25s的各种高耸结构，由风引起的结构振动比较明显，应考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响，而且随着结构自振周期的增长，因此在设计中应考虑风振的影响，而且在原则上还用考虑多个振型的影响。【对于一般悬臂结构（如避雷针）的风振系数计算，见建筑结构荷载

22、规范GB 50009-2001（2006版）第7.4.2条、高耸结构设计规范GB 50135-2006第4.2.8条，二者公式稍有差别】【对于杆塔风荷载调整系数计算，见架空送电线路杆塔结构设计技术规定DL/T 5154-2002第5.7节关于z的解释，高度不超过60m时按表5.7.2选用，高度超过60m时，应按建筑结构荷载规范GB 50009采用由下到上逐步增大的数值，一般取不小于1.6】4 基本风压wo 按建筑结构荷载规范GB 50009附录选用给出的50年一遇（其中交流1000kV构支架和直流800kV构支架基本风压按照100年一遇的风压）的风压采用，但不得小于0.3kn/m2。2.2.2

23、 构架杆件容许长细比1 钢结构构件的长细比不应超过以下限制：受压杆： 弦杆 150斜杆、横杆 180辅助杆（横隔杆 ） 200受拉杆： 3502 钢筋混凝土环形杆受压、离心钢管混凝土受压柱的长细比不宜超过180.2.2.2 格构式梁或柱间隔划分时，应使斜杆受力较好，斜材倾角宜为350550。 3 构支架荷载及荷载组合3.1 构架及其基础宜根据实际受力条件分别按终端或中间架构设计。下列四种荷载工况应作为承载能力极限状态的四种基本组合，其中运行时的大风工况、覆冰有风工况和温度作用工况宜作为正常使用极限状态的条件对变形及裂缝进行校验。3.1.1 运行工况：取50年一遇的设计最大风荷载（其中交流100

24、0kV构支架和直流800kV构支架基本风压按照100年一遇的风压）、覆冰有风、最高及最低气温四种情况及其相应的导线拉力、自重等；连续构架跨度大于120m一般应计算温度应力。3.1.2 安装工况：指导线及避雷线架设时，构架梁上同时作用2kN人和工具重以及相应的风荷载、导线拉力、自重等；3.1.3 检修工况：导线三相同时上人停电检修（作用在每相导线的绝缘子根部的人和工具重，500kV及以上采用2.0kN，其它电压等级采用1.0kN）和单相跨中上人带电检修（人及工具重，500kV及以上采用3.5kN，其它电压等级采用1.5kN）两种情况及其相应的风荷载、导线拉力及自重等，对档距内无引下线的情况，可不

25、计及跨中上人。3.1.4 地震工况：水平地震作用及相应的风荷载、导线拉力、自重等。 3.2 设备支架及其基础应以下列三种荷载情况作为承载能力极限状态的基本组合，其中最大风工况条件下的准永久值(标准值乘0.5准永久值系数)宜作为正常使用极限状态变形验算的荷载条件。3.2.1 最大风工况：取50年一遇（其中交流1000kV构支架和直流800kV构支架基本风压按照100年一遇的风压）的设计最大风荷载及相应的引线张力、自重等；3.2.2 操作荷载工况：取最大操作荷载及相应的风荷载条件下相应的引线张力及自重等；3.2.3 地震工况：水平地震作用及相应的风荷载、引线张力、自重等。3.3 短路电动力：对软导

26、线一般可不计及短路电动力对构支架的影响，但对组合导线挂线板和节点的强度应满足短路电动力的要求，一般可取3倍导线张力作为挂线板和节点的验算条件，荷载分项系数取1.0；对硬管母线应根据电气提供的资料进行计算。3.4 作用在构架及设备支架上的荷载及作用分类、荷载分项系数及组合值系数、地震作用3.4.1 作用在构架上的荷载及作用分类见表3.4.1。表3.4.3 作用在构架上的荷载及作用分类代号荷载的取值和计算原则1永久荷载SGK含结构自重标准值、构架上设备自重标准值及非紧线相导线张力标准值的垂直分量2可变荷载2.1构架及导线上的风荷载（应分别考虑900风和00风）900风是指风向与导线垂直，风荷载作用

27、在构架平面内；00风是指风向与导线平行，风荷载作用在构架平面外（注2）。SWM ax大风气象条件下作用于构架和导线上风荷载效应标准值SW10 对应风速为V=10m/s时作用于构架和导线上风荷载效应标准值2.2导线荷载SQ11K大风气象条件下的导线荷载效应标准值，对应结构风压取SWM ax SQ12K 覆冰有风气象条件下的导线荷载效应标准值，对应结构风压取SW10 SQ21K安装气象条件下的紧线相导线荷载效应标准值，对应结构风压取SW10 SQ22K安装气象条件下的非紧线相导线荷载效应标准值，对应结构风压取SW10 SQ31K三相导线同时上人停电检修时的导线（仅考虑母线）荷载效应标准值，对应结构

28、风压取SW10 SQ32K单相导线上人检修时的导线荷载效应标准值，对应结构风压取SW10 2.3温度作用St计算温差：1） 夏季安装，最底日计算平均气温运行：t-40 =-402） 冬季安装，最高日计算平均气温运行：t50=+503）夏季或冬季安装，最大风运行：t35=+35或t-30=-30SQ41K 最低温度气象条件下的导线荷载效应标准值，对应结构风压取SW10 。SQ42K最高温度气象条件下的导线荷载效应标准值，对应结构风压取SW10 。3地震作用SGE重力荷载代表值=永久荷载标准值+各可变荷载组合值系数x正常运行工况下各可变荷载组合值1） SGE= SGK +ci X SQiKSQiK

29、 分别对应正常运行工况时大风、覆冰有风、最底气温、最高气温等四种气象条件下导线荷载垂直分量扣除导线自重标准值后的可变荷载标准值。导线自重标准值可取非紧线相导线荷载垂直分量后的荷载效应标准值。2） 各可变荷载的组合值系数ci =0.5（注：3）。注：1 符号及术语与建筑结构荷载规范GB50009及建筑抗震设计规范GB50011相一致。2 当风向与导线平行（00风），即风荷载作用在构架平面外时，作用在构架上的可变荷载应为构架平面外的结构风压标准值、安装气象条件下非紧线的导线荷载效应标准值（也可作为永久荷载考虑），可不考虑作用在导线上的风荷载效应值。3 参照现行国家标准建筑抗震设计规范GB50011

30、规定，重力荷载代表值中构架的可变荷载组合值系数一般取ci =0.5。3.4.2 导线、地线、避雷线荷载分项系数按表3.4.2采用。 表3.4.2 导线地线、避雷线荷载的分项系数项次荷载名称最大风工况覆冰工况检修安装工况1水平张力1.31.31.22垂直荷重1.31.31.23侧向风压1.41.41.44温度作用1.01.01.0注：垂直荷重效应对结构有利时其荷载分项系数应取1.03.4.3 荷载组合值系数1 现行国家标准建筑结构荷载规范GB50009规定，风荷载组合值系数一般取0.6。2 现行国家标准建筑抗震设计规范GB50011还规定，风荷载与地震作用效应组合时，风荷载起控制作用的高层建筑，风荷载组合值系数w应采用0.2，构架也属于风荷载起控制作用的构筑物。3 建筑结构设计技术规程规定：多跨连续变电构架，当温度作用与最大风工况的风荷载组合时，荷载组合值系数取0.85，在其它情况下荷载组合值系数均取1.0。3.4.4地震作用说明1计算地震作用时，构架的重力荷载代表值应取结构自重标准值及设备自重标准值(包括导线、绝缘子串、金具、阻波器及其他电气设备自重标准值) 和正常运行时各可变荷载组合值之和。SGE= SGK +ci x SQiK式中 SGE重力荷载代表值；SGK结构自重标准值、设备自重标准值及导线自重标