索風(fēng)營(yíng)水電站窯洞式出線方式改造工程220kV高壓出線鋼構(gòu)架的設(shè)計(jì)

雷小平 馮德才 王 宏

(1.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081； 2.貴州烏江水電開發(fā)有限責(zé)任公司索風(fēng)營(yíng)發(fā)電廠，貴州 貴陽 550215)

1 工程概況

索風(fēng)營(yíng)水電站位于貴州省黔西縣和修文縣交界的烏江中游六廣河段，電站總裝機(jī)容量3×200MW，多年平均發(fā)電量20.11億kW·h。電站于2002年7月開工建設(shè)，2006年6月初投入運(yùn)行。索風(fēng)營(yíng)水電站以220kV二回出線向貴州電網(wǎng)供電，在系統(tǒng)中主要擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用任務(wù)。原設(shè)計(jì)方案為窯洞式出線：采用220kV高壓電纜經(jīng)73m高電纜豎井和121m長(zhǎng)電纜平洞至窯洞式出線設(shè)備室，通過洞頂外壁懸掛絕緣子串架空引出。這種出線方式存在洞頂滑坡體出現(xiàn)滾石、泥石流等而砸壞外漏于洞緣的架空線耐張絕緣子串，造成架空線斷裂下墜，進(jìn)而拉壞窯洞內(nèi)與架空線相連接的設(shè)備，造成事故擴(kuò)大、停電等隱患，急需改造。

2 構(gòu)架總體布置和結(jié)構(gòu)型式

改造設(shè)計(jì)方案采用門架懸掛出線拉力絕緣子的出線方式。在窯洞內(nèi)距離洞口4m的位置設(shè)置出線構(gòu)架，將出線電纜懸掛于構(gòu)架橫梁下方。架空線路與洞頂分離，有效避免了洞頂滑坡對(duì)架空線路的影響，保證線路和設(shè)備的安全運(yùn)行。從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、資金投入和施工周期、空間尺寸等多方面因素考慮，采用鋼結(jié)構(gòu)型式的出線構(gòu)架。根據(jù)電氣和線路專業(yè)要求，構(gòu)架高度為6.9m，橫梁跨度為13.5m，橫梁為3相掛點(diǎn)，導(dǎo)線掛點(diǎn)高度為7.2m。由于場(chǎng)地空間有限，結(jié)合施工周期和運(yùn)輸要求，構(gòu)架邊柱采用不帶端撐的人字柱結(jié)構(gòu)，橫梁采用三角形截面格構(gòu)式鋼梁；柱鋼管接頭及橫梁弦桿采用法蘭連接，弦桿連接處的腹桿與弦桿連接采用螺栓連接，其余腹桿與弦桿采用焊接連接。根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合導(dǎo)線拉力值，人字柱采用φ560×12熱軋無縫鋼管，橫梁主弦桿采用φ273×10熱軋無縫鋼管，鋼管材質(zhì)均為Q345B，橫梁腹桿采用125mm×80mm×10mm角鋼，材質(zhì)為Q235B(出線構(gòu)架結(jié)構(gòu)布置見圖1)。人字柱下節(jié)長(zhǎng)3.9m，人字柱上節(jié)帶橫撐長(zhǎng)3.2m，分節(jié)處采用法蘭盤螺栓連接。主橫梁跨度13.5m，由三節(jié)組成，左右節(jié)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度均為5.035m，中間節(jié)長(zhǎng)度為3.85m。橫梁弦桿分節(jié)處采用法蘭盤螺栓連接，分節(jié)處的腹桿采用螺栓連接，其余腹桿采用焊接連接。構(gòu)架人字柱及橫梁均采用分節(jié)廠內(nèi)加工制造、現(xiàn)場(chǎng)組裝的方式，既保證了制作安裝精度要求，又解決了大尺寸零件運(yùn)輸不便的問題。

圖1 出線構(gòu)架結(jié)構(gòu)布置

3 鋼構(gòu)架荷載分析計(jì)算

出線構(gòu)架承受的荷載主要由自重荷載、風(fēng)荷載、檢修荷載、導(dǎo)線拉力荷載組成。其中，導(dǎo)線拉力荷載為100kN/相；索嵩回路導(dǎo)線掛點(diǎn)偏角為：索嵩一回水平右偏2°47′，仰角-5°，索嵩二回水平右偏6°7′，仰角5°，分析計(jì)算采用水平偏角10°，仰角5°。工程所在地50年一遇基本風(fēng)壓為0.35kN/m2，場(chǎng)地條件為B類，門架總高8.46m。由于構(gòu)架位于窯洞內(nèi)，取風(fēng)荷載強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為0.35kN/m2。

3.1 荷載組合

通過STAAD.Pro鋼結(jié)構(gòu)軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)建模分析，模型中基本荷載包括構(gòu)件自重、導(dǎo)線拉力和風(fēng)荷載。構(gòu)件自重由軟件自動(dòng)計(jì)算形成；3條導(dǎo)線拉力荷載作用于橫梁的下弦桿，導(dǎo)線拉力在X、Y、Z三個(gè)方向的分量通過導(dǎo)線偏角計(jì)算得出；不同桿件上的風(fēng)荷載由軟件根據(jù)風(fēng)壓強(qiáng)度自動(dòng)計(jì)算得出。構(gòu)架基礎(chǔ)通過地腳螺栓固定在出線平臺(tái)，構(gòu)架底部與基礎(chǔ)之間施加固定約束。根據(jù)《變電構(gòu)架設(shè)計(jì)手冊(cè)》[1]對(duì)荷載分項(xiàng)系數(shù)的規(guī)定，永久荷載構(gòu)架自重對(duì)結(jié)構(gòu)不利時(shí)取分項(xiàng)系數(shù)為1.2，抗拔計(jì)算自重分項(xiàng)系數(shù)取值0.9，導(dǎo)線荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.3，可變荷載風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)不利時(shí)取分項(xiàng)系數(shù)1.4。按以上分項(xiàng)系數(shù)分析了以下四種工況組合下構(gòu)件的受力情況。

工況1：順導(dǎo)線拉力方向風(fēng)[圖2(a)]：自重(0.9)+導(dǎo)線張力+Z方向風(fēng)荷載。

工況2：順導(dǎo)線側(cè)向拉力側(cè)風(fēng)[圖2(b)]：自重(0.9)+導(dǎo)線張力+X方向風(fēng)荷載。

工況3：順導(dǎo)線拉力方向風(fēng)[圖2(c)]：自重(1.2)+導(dǎo)線張力+Z方向風(fēng)荷載。

工況4：順導(dǎo)線側(cè)向拉力側(cè)風(fēng)[圖2(d)]：自重(1.2)+導(dǎo)線張力+X方向風(fēng)荷載。

圖2 4種組合工況施加荷載模型

3.2 內(nèi)力分析計(jì)算結(jié)果

通過STAAD.Pro鋼結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)以上四種工況下的構(gòu)件分別進(jìn)行分析計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示，基礎(chǔ)最大抗拔力發(fā)生在組合工況1(圖3為其四個(gè)支座反力)；人字柱最大軸力發(fā)生在組合工況3梁?jiǎn)卧?C，最大彎矩發(fā)生在工況4梁?jiǎn)卧?C(見圖4)；橫梁上弦桿主要受壓力，下弦桿主要受拉力，腹桿主要受壓力。

圖3 最大支座反力

圖4 人字柱單元分布

3.3 構(gòu)架的應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)各構(gòu)件的受力情況，需對(duì)各受力構(gòu)件進(jìn)行穩(wěn)定性和應(yīng)力計(jì)算。對(duì)于基礎(chǔ)需計(jì)算螺栓在工況1下的抗拔性能，對(duì)于人字柱需要計(jì)算工況3和工況4下1C及2C兩個(gè)梁?jiǎn)卧膲簭澐€(wěn)定性；對(duì)于橫梁需分別計(jì)算上弦桿、下弦桿、腹桿的穩(wěn)定性。依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]和相關(guān)手冊(cè)，人字柱平面外方向彎矩很小，按單向壓彎構(gòu)件計(jì)算平面內(nèi)、平面外穩(wěn)定性。同時(shí)還計(jì)算了構(gòu)架導(dǎo)線掛板、基礎(chǔ)螺栓的抗剪應(yīng)力和抗拔力(見表1)。計(jì)算結(jié)果表明：在各種工況下，鋼結(jié)構(gòu)出線構(gòu)件的各個(gè)構(gòu)件的設(shè)計(jì)均滿足規(guī)范要求。

表1 構(gòu)件內(nèi)力計(jì)算值

4 結(jié) 語

索風(fēng)營(yíng)水電站采用鋼結(jié)構(gòu)門架懸掛出線方式代替原洞頂外壁懸掛方式，能有效避免拉力絕緣子被砸壞，規(guī)避了窯洞內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，保證了線路和設(shè)備的安全運(yùn)行；鋼結(jié)構(gòu)出線構(gòu)架的結(jié)構(gòu)型式和布置滿足220kV高壓出線設(shè)備安全使用的要求。采用STAAD.Pro鋼結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)出線構(gòu)件進(jìn)行建模和計(jì)算分析，結(jié)果表明:鋼構(gòu)架的設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。本改造工程中門架懸掛高壓出線方式的設(shè)計(jì)和成功應(yīng)用為其他工程高壓出線方式提供了思路和方法，可供借鑒和參考。