某水電站出線門形架結(jié)構(gòu)設(shè)計

楊建東

（中國水電顧問集團(tuán) 西北勘測設(shè)計研究院，陜西西安 710065）

1 工程概況

該水電站位于青海省尖扎縣與化隆縣交界的黃河干流上，上距李家峽水電站約17 km，下距公伯峽水電站約53 km。樞紐建筑物由左岸及河床土石壩，右岸灘地泄洪閘、混凝土重力壩、電站廠房壩段、右岸副壩等建筑物組成。正常蓄水位2 033.0m，總庫容2 880萬m3，總裝機(jī)容量283.5 MW，多年平均發(fā)電量9.92億kW·h，年利用小時數(shù)3 500 h。工程的主要任務(wù)是發(fā)電[1]。

電站廠房安裝7臺貫流式機(jī)組，單機(jī)容量為40.5 MW，電站設(shè)計水頭18.7 m。廠房壩段總長127.50m，安裝間壩段長42m，最大擋水壩高46.50m。根據(jù)《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，工程屬Ⅲ等中型工程，電站廠房為3級建筑物，廠房結(jié)構(gòu)安全級別為Ⅱ級。地震基本烈度為7度，設(shè)防烈度為7度[2]。

GIS開關(guān)站布置在2 023.30m高程尾水平臺上，內(nèi)設(shè)10 t橋機(jī)，出線門形架布置在與GIS開關(guān)站位置相應(yīng)的廠房排架柱的頂部。GIS開關(guān)站進(jìn)線四回，出線兩回，出線經(jīng)GIS室出線平臺挑至出線門形架送出，接入輸電系統(tǒng)。

2 出線門形架結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)布置及設(shè)計原則

出線門形架布置在與開關(guān)站位置相應(yīng)的廠房排架柱頂部，為4跨門式鋼架結(jié)構(gòu)，門形架最大高度17.5m，單跨最大跨度8.15m，總長度29.4m。鋼柱為格構(gòu)柱，布置在廠房排架柱上，斷面尺寸為780mm×780mm，主材由4根等肢角鋼構(gòu)成，主材之間由綴條連接。鋼梁斷面尺寸為b×h=823 mm×800 mm，斷面形式與鋼柱相同。

排架簡化為縱、橫2個方向進(jìn)行計算，結(jié)合出線角度，將導(dǎo)線及避雷線張力分解至縱、橫方向?？v向為門式鋼排架結(jié)構(gòu)，見圖1。橫向計算時，每根鋼柱簡化為一獨立懸臂柱結(jié)構(gòu)。

主要設(shè)計原則如下：

1）結(jié)合工程所在地情況，按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》考慮風(fēng)荷載、雪荷載[3]。

2）根據(jù)《110～500 kV架空送電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程》，可不進(jìn)行抗震驗算[4]。

3）水工鋼結(jié)構(gòu)按照容許應(yīng)力法計算：

式中，Ni為根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)荷載求得的內(nèi)力；S為構(gòu)件的幾何特性；[σ]為鋼材的容許應(yīng)力。

4）根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，驗算構(gòu)件的整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定性。

5）容許位移值。根據(jù)《35～110 kV變電所設(shè)計規(guī)范》，[△]＝L/200，L為柱高[5]。

圖1 門形架縱向立面簡圖

2.2 荷載計算

出線門形架主要承受的荷載包括：自重、導(dǎo)線及避雷線張力、風(fēng)荷載、雪荷載、操作人員及工具荷載。

1）自重。包括所有構(gòu)件的自重荷載。

2）導(dǎo)線及避雷線張力。根據(jù)電氣一次專業(yè)提供的技術(shù)接口資料確定。接口資料應(yīng)包括門形架布置位置，導(dǎo)線及避雷線布置方式、出線角度、掛點位置、最大張力，以及所選擇的掛線金具的規(guī)格型號等資料。導(dǎo)線布置在橫梁上，避雷線布置在柱頂。最大張力相應(yīng)地按照出線角度分解到縱、橫2個方向，分別施加到縱向排架和橫向懸臂柱上。本計算中，導(dǎo)線及避雷線張力是在考慮覆冰、最大風(fēng)速等情況下可能出現(xiàn)的最大張力。

3）風(fēng)荷載。結(jié)構(gòu)縱向及橫向都承受風(fēng)荷載，荷載值根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》確定。其中基本風(fēng)壓根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》附錄D附表D.4規(guī)定的50年一遇風(fēng)壓確定。

4）雪荷載。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定計算，其中，框架按積雪全跨均勻分布考慮，基本雪壓根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》附錄D附表D.4規(guī)定的50年一遇雪壓確定。

5）施工期或檢修期操作人員及工具荷載。按4 kN/m均布荷載考慮。

2.3 內(nèi)力、構(gòu)件設(shè)計及連接的計算

1）結(jié)構(gòu)縱向簡化為鋼排架結(jié)構(gòu)，采用PKPM程序進(jìn)行計算。限于篇幅關(guān)系，僅列出彎矩包絡(luò)圖和位移圖分別見圖2，圖3。

圖2 彎矩包絡(luò)圖

圖3 節(jié)點位移圖

2）橫向為獨立懸臂柱結(jié)構(gòu)，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進(jìn)行計算。

3）鋼架橫梁簡化為單榀桁架，采用理正軟件進(jìn)行計算。

結(jié)合相關(guān)資料或工程經(jīng)驗，先初步選定構(gòu)件主材型號，然后建立模型并計算內(nèi)力，驗算排架的位移，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定驗算構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。最終確定各構(gòu)件的鋼材型號。其中，在計算鋼柱時，縱、橫兩個方向的計算內(nèi)力值應(yīng)疊加，按疊加后的內(nèi)力值計算主材[6]。

梁和柱的連接、柱與基礎(chǔ)的連接均采用螺栓連接，按照規(guī)范要求對螺栓連接進(jìn)行計算，選取合適型號的螺栓，計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

作為安全儲備措施，在門形架上游側(cè)設(shè)置打拉線，打拉線為鋼絞線，一端掛在鋼柱上，一端掛在廠房另一側(cè)排架柱頂部預(yù)埋的掛環(huán)上，并且在安裝時控制一定的預(yù)張拉力。

3 結(jié)語

出線門形架一般采用門式鋼架結(jié)構(gòu)，構(gòu)件截面通常采用格構(gòu)式。計算中應(yīng)該注意幾點問題：

1）出線架通常布置在排架柱頂部，由于排架柱尺寸有限，所以限制了門形e架的構(gòu)件尺寸，計算時應(yīng)注意鋼柱基礎(chǔ)與排架柱的連接的計算和構(gòu)造要求，同時應(yīng)復(fù)核廠房排架柱是否安全。

2）布置需要結(jié)合電氣專業(yè)的出線形式等綜合考慮，做好專業(yè)間的配合工作，才能做到結(jié)構(gòu)布置安全合理。盡量減小鋼架的高度和跨度，可以降低設(shè)計難度。

計算表明該結(jié)構(gòu)設(shè)計是安全合理的。隨著該水電站的建成發(fā)電，該門形架已經(jīng)投入正常使用。

[1]中國水電顧問集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院.黃河康揚(yáng)水電站工程廠房、安裝間、右副壩單位工程驗收報告[R].2006.

[2]DL5077-1997水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范[S].

[3]GB50009-2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[4]DL/T5092-1999 110～500 kV架空送電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程[S].

[5]GB50059-92 35～110 kV變電所設(shè)計規(guī)范[S].

[6]GB50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].