德爾西水電站開關(guān)站出線架結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

黃 佳，尹小剛，許戰(zhàn)軍

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安 710065)

1 工程概況

德爾西(Delsi)水電站位于厄瓜多爾Zamora Chinchipe省Zamora河上，流域面積1 105 km2，多年平均流量44.5 m3/s。電站為引水式電站，開發(fā)任務(wù)為發(fā)電，庫容42萬m3，可利用庫容27萬m3。電站裝機容量180 MW，多年平均發(fā)電量12.18億kWh。安裝3臺沖擊式水輪發(fā)電機組，單機容量60 MW，額定水頭495 m[1-2]。

樞紐建筑物主要由首部樞紐、電站進水口、沉沙池、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力鋼管和地面廠房、開關(guān)站組成。德爾西水電站開關(guān)站采用戶外布置方式，布置在廠區(qū)右側(cè)，地面高程965.00 m、面積為37 m×73 m，開關(guān)站內(nèi)布置有138 kV GIS和出線設(shè)備[1-2]。

開關(guān)站出線架為鋼桁架結(jié)構(gòu)，由4跨組成，跨度為4×12 m、高20 m，其體型布置見圖1、2。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計基本參數(shù)

根據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》[3]及《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[4]選用Q345鋼材，鋼材特性見表1。對開關(guān)站出線架進行設(shè)計，計算工況及荷載組合見表2，出線荷載取值見表3。

表1 鋼材特性表

表2 計算工況與荷載組合表

表3 最大出線荷載表

圖1 開關(guān)站出線架平面布置圖 單位：mm

圖2 開關(guān)站出線架正視圖 單位：mm

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 結(jié)構(gòu)分析模型

開關(guān)站出線架布置見圖1、2，建立開關(guān)站出線架三維分析模型，見圖3。

3.2 內(nèi)力計算結(jié)果

德爾西水電站設(shè)計采用美國規(guī)范AISC-Load And Resistance Factor Design Specification For Structural Steel Buildings[5](以下簡稱“AISC-LRFD”)，經(jīng)計算，開關(guān)站出線架各桿件控制內(nèi)力見表4。

根據(jù)美國規(guī)范“AISC-LRFD”穩(wěn)定計算公式(詳見4.2節(jié))，考慮抗力分項系數(shù)后，材料屈服強度取345 N/mm2，分析并選取滿足要求的各桿件截面參數(shù)見表5。

表4 出線架各桿件控制內(nèi)力表

表5 斷面選擇表

圖3 開關(guān)站出線架sap2000計算模型圖

4 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評價

針對開關(guān)站出線架設(shè)計，分別采用中國規(guī)范、美國規(guī)范進行設(shè)計，并對中美鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中強度計算公式進行比較分析[6-7]。

4.1 中國規(guī)范

根據(jù)中國規(guī)范《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》[8]及《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[9]，計算公式如下。

(1) 軸心受力構(gòu)件

(1)

式中：σ為正應(yīng)力，N/m2；N為軸心拉力或軸心壓力設(shè)計值，N；An為構(gòu)件凈截面面積,m2；m為構(gòu)件強度折減系數(shù)，依據(jù)規(guī)范取值；f為鋼材的強度設(shè)計值, N/m2；

(2) 壓彎構(gòu)件

(2)

式中：M為彎矩設(shè)計值,N.m；N為軸心壓力設(shè)計值,N；A為構(gòu)件毛截面面積，m2；W為截面抵抗矩，m3；φ為軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，依據(jù)規(guī)范取值；f為鋼材的強度設(shè)計值，N/m2；

采用中國規(guī)范進行穩(wěn)定分析，開關(guān)站出線架各桿件的斷面選擇見表6。

4.2 美國規(guī)范

根據(jù)美國規(guī)范“AISC-LRFD”，計算公式如下。

(1) 受拉構(gòu)件

受拉構(gòu)件的設(shè)計強度φtPn，取毛截面屈服強度和凈截面抗拉強度2種計算結(jié)果的較小值。

表6 斷面選擇表

1) 毛截面屈服強度

φt=0.9

Pn=FyAg

2) 凈截面抗拉強度

φt=0.75

Pn=FuAe

式中：Fy為鋼材屈服強度，N/m2；Fu為鋼材抗拉強度，N/m2；Ag為構(gòu)件毛截面面積，m2；Ae為構(gòu)件凈截面面積，m2。

(2) 受壓構(gòu)件

受壓構(gòu)件的設(shè)計強度φcPn，計算式如下：

φc=0.85

Pn=AgFcr

1) 當(dāng)λc≤1.5時

2) 當(dāng)λc>1.5時

式中：Fcr為臨界應(yīng)力，N/m2；Ag為構(gòu)件毛截面面積，m2；Fy為鋼材屈服強度，N/m2；λc為構(gòu)件長細比；Pn為標(biāo)稱軸向強度，N。

構(gòu)件毛截面面積，m2；Fy為鋼材屈服強度，N/m2；

(3) 受彎構(gòu)件

對于T形截面和角鋼，抗彎設(shè)計強度為φbMn,計算式如下：

φb=0.9

式中：E為鋼材的彈性模量，N/m2；Iy為繞y軸的截面慣性矩，m4；G為鋼材的剪切模量，N/m2；J為截面的極慣性矩，m4；Mn≤1.5My時，為拉桿，B取正值；Mn≤1.0My時，為壓桿，B取負值。

采用美國規(guī)范進行穩(wěn)定分析，開關(guān)站出線架各桿件的斷面選擇見表7。

表7 斷面選擇表

4.3 差異性分析

(1) 受拉構(gòu)件，美國規(guī)范“AISC-LRFD”取毛截面屈服強度和凈截面抗拉強度2種計算結(jié)果的較小值；而中國規(guī)范《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》則按凈截面屈服強度進行計算，中國規(guī)范計算結(jié)果偏于安全[10-16]。

(2) 壓彎構(gòu)件，中國規(guī)范主要是依據(jù)邊緣纖維屈服準(zhǔn)則并考慮壓彎構(gòu)件二階效應(yīng)[10]，即以截面應(yīng)力最大的邊緣開始屈服的臨界荷載作為壓彎構(gòu)件的穩(wěn)定承載力；而美國規(guī)范采用含折減系數(shù)的實用公式進行驗算。

(3) 受壓構(gòu)件的穩(wěn)定計算方面，中國規(guī)范對構(gòu)件的長細比和寬厚比按2個系數(shù)分別計算，長細比的大小影響穩(wěn)定系數(shù)，寬厚比的大小影響折減系數(shù)；美國規(guī)范對計算寬厚比超過限定值的構(gòu)件要進行強度修正[15]。

(4) 荷載組合系數(shù)上，美國規(guī)范“AISC-LRFD”通常取恒載1.2、活載1.6；中國規(guī)范通常取恒載1.2、活載1.4(可變荷載控制)[13]。

(5) 材料設(shè)計強度方面，美國規(guī)范“AISC-LRFD”采用材料的名義屈服強度值；中國規(guī)范采用材料強度設(shè)計值，即材料強度標(biāo)準(zhǔn)值除以分項系數(shù)[12]。

5 結(jié) 語

本文采用美國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范“AISC-LRFD”對德爾西水電站開關(guān)站出線架進行了設(shè)計，并對中美規(guī)范關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)出線架的計算公式進行了比較與分析。由于中美鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范都結(jié)合了各自的國情與設(shè)計習(xí)慣，二者在設(shè)計理論和計算方法上存在較大差異。

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