1000kV變電設(shè)備支架風(fēng)振系數(shù)的研究

吳晟

摘 要：該文根據(jù)工程實(shí)際情況，對(duì)1000 kV設(shè)備支架風(fēng)振系數(shù)進(jìn)行研究，按照建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范計(jì)算設(shè)備支架的風(fēng)振系數(shù)，并與基于準(zhǔn)定常理論以及Davenport譜的有限元分析所得的設(shè)備支架風(fēng)振系數(shù)進(jìn)行比較，結(jié)果表明按照建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范計(jì)算的結(jié)果偏于保守。

關(guān)鍵詞：準(zhǔn)定常理論 Davenport譜 1000 kV變電支架 風(fēng)振系數(shù)

中圖分類號(hào)：TU317 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）04（c）-0035-02

變電設(shè)備支架是一種高柔性的構(gòu)筑物，其高柔的特性使得它對(duì)水平荷載尤其敏感，設(shè)備和支架本身以承受風(fēng)荷載為主，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮風(fēng)壓脈動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的順風(fēng)風(fēng)振的影響，其最重要的體現(xiàn)是結(jié)構(gòu)的風(fēng)振系數(shù)，1000 kV設(shè)備支架（包括設(shè)備）總高度約在19 m左右，而支架底部最大根開(kāi)一般為1.2 m，相比500～750 kV設(shè)備支架對(duì)風(fēng)荷載更為敏感，而現(xiàn)行的《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》DL/T 5457-2012僅對(duì)500～750 kV設(shè)備支架風(fēng)振系數(shù)進(jìn)行規(guī)定，因此對(duì)1000 kV設(shè)備支架風(fēng)振的研究是十分關(guān)鍵。該文將基于準(zhǔn)定常假設(shè)，根據(jù)隨機(jī)振動(dòng)理論來(lái)計(jì)算1000 kV多跨變電構(gòu)架順風(fēng)向風(fēng)振系數(shù)，并于規(guī)范計(jì)算所得值進(jìn)行比較。

1 基于Davenport譜的有限元分析理論

我國(guó)風(fēng)荷載規(guī)范采用加拿大學(xué)者Davenport提出的順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速功率譜密度函數(shù)來(lái)推導(dǎo)脈動(dòng)風(fēng)荷載功率譜密度函數(shù)，結(jié)合隨機(jī)振動(dòng)理論，將變電設(shè)備支架沿高劃分成若干段，可得第i段脈動(dòng)風(fēng)荷載譜計(jì)算式如下：

（1）

將上式計(jì)算所得脈動(dòng)風(fēng)荷載譜輸入通用有限元分析軟件SAP2000進(jìn)行功率譜分析，進(jìn)而得到其設(shè)備支架第i段風(fēng)荷載所引起的桿件總的內(nèi)力值。構(gòu)架第i段風(fēng)振系數(shù)為：

（2）

2 工程算例

某1000 kV交流變電站中1000 kV配電裝置區(qū)的變電支架有電壓互感器支架5組15個(gè)，避雷器支架5組15個(gè)，本文將分別以電壓互感器支架和避雷器支架為例，對(duì)其風(fēng)振系數(shù)進(jìn)行研究。電壓互感器支架高度為6365 mm，設(shè)備高度為12357 mm，總高度18722 mm；避雷器支架高度為6790 mm，設(shè)備高度為12200 mm，總高度18990 mm，其中支架采用矩形變截面全鋼管格構(gòu)式結(jié)構(gòu)（底部根開(kāi)1200 mm）。

《荷載規(guī)范》對(duì)風(fēng)振系數(shù)計(jì)算引入了峰值因子g和10 m高度名義湍流強(qiáng)度I10，兩個(gè)因子都是常量，風(fēng)振系數(shù)計(jì)算公式如下：

通過(guò)計(jì)算可知風(fēng)振系數(shù)變化的規(guī)律是隨著高度的增加而增大，電壓互感器支架和避雷器支架風(fēng)振系數(shù)在各高度基本相等，對(duì)4個(gè)高度的風(fēng)振系數(shù)求加權(quán)平均，電壓互感器支架風(fēng)振系數(shù)為1.98，避雷器支架風(fēng)振系數(shù)為1.97，兩支架風(fēng)振系數(shù)基本相等。

應(yīng)用有限元計(jì)算軟件SAP2000，基于上述順風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)隨機(jī)振動(dòng)理論對(duì)1000 kV設(shè)備支架的風(fēng)振系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，模型如圖1，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

通過(guò)上表可以看出風(fēng)振系數(shù)規(guī)律同規(guī)范計(jì)算的一致，隨著高度的增加而增大，對(duì)4個(gè)高度的風(fēng)振系數(shù)求加權(quán)平均，電壓互感器支架風(fēng)振系數(shù)為1.72，避雷器支架風(fēng)振系數(shù)為1.70。

按照《荷載規(guī)范》計(jì)算所得的風(fēng)振系數(shù)與有限元分析所得的結(jié)果統(tǒng)計(jì)于圖4、圖5中。

從上圖中可以看出，有限元計(jì)算的結(jié)果比規(guī)范公式計(jì)算的結(jié)果偏小，且隨著高度的增加誤差越大，在支架頂部處相差5%，在最高點(diǎn)處相差17%。整個(gè)設(shè)備支架的風(fēng)振系數(shù)統(tǒng)計(jì)于表5。

電壓互感器支架和避雷器支架風(fēng)振系數(shù)基本一致，有限元計(jì)算出的結(jié)果與按《荷載規(guī)范》計(jì)算出的結(jié)果相差13%，可見(jiàn)按規(guī)范計(jì)算的風(fēng)振系數(shù)對(duì)于設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是偏保守的。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，該文可以得出以下結(jié)論：風(fēng)振系數(shù)是隨著結(jié)構(gòu)的高度增加而增大的。通過(guò)有限元計(jì)算軟件計(jì)算結(jié)果比規(guī)范公式計(jì)算結(jié)果都偏小，且隨著高度的增加相差更大。通過(guò)對(duì)比表明，按荷載規(guī)范計(jì)算的風(fēng)振系數(shù)偏于保守，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更偏安全。

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