特高壓變電構(gòu)架風(fēng)荷載設(shè)計(jì)分析

唐浩 張智博 向本軍 張?jiān)＜?王程 張杰

1.黑龍江大學(xué)建筑工程學(xué)院，中國(guó)·黑龍江 哈爾濱 150086

2.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，中國(guó)·黑龍江 哈爾濱 150086

1 引言

特高壓變電構(gòu)架高效、安全運(yùn)行可促進(jìn)電力資源有效分配，但此類結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)荷載十分敏感，強(qiáng)風(fēng)作用下會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件或整體結(jié)構(gòu)破壞，其風(fēng)荷載動(dòng)力特性及力學(xué)特點(diǎn)的研究具有十分重要的工程實(shí)踐意義。

基于此，專家學(xué)者對(duì)特高壓變電構(gòu)架結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載進(jìn)行了一系列研究。在中國(guó)，王炎銘、路煥軍和原遷[1-3]采用諧波疊加法獲得風(fēng)荷載時(shí)程，并將其加載到輸電塔有限元模型進(jìn)行風(fēng)振響應(yīng)分析，得到了位移時(shí)程曲線。李方慧、王昊陽(yáng)和趙杰[4-6]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)1000kV特高壓變電構(gòu)架氣動(dòng)力系數(shù)、體型系數(shù)等風(fēng)荷載特性進(jìn)行研究。王振華[7]將中國(guó)和其他國(guó)家相關(guān)規(guī)范與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析體型系數(shù)和角度風(fēng)荷載系數(shù)的差異。在國(guó)際上，He Bo[8]考慮特高壓塔線耦合體系整體和動(dòng)態(tài)荷載，分析塔線體系穩(wěn)定性和風(fēng)致響應(yīng)。Kouchami-Sardo[9]利用現(xiàn)場(chǎng)性分析和風(fēng)洞試驗(yàn)制定輸電塔風(fēng)蝕的風(fēng)險(xiǎn)順序和漏洞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)。Fengli Yang[10]對(duì)500kV鋼管角鋼輸電塔進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，計(jì)算結(jié)構(gòu)的阻力系數(shù)，橫風(fēng)向和順風(fēng)向風(fēng)振系數(shù)，并通過(guò)非線性擬合分析確定偏風(fēng)荷載系數(shù)。

上述研究對(duì)特高壓變電構(gòu)架的靜力分析涉及較少，論文為了考察風(fēng)荷載作用下1000kV特高壓變電構(gòu)架的自振特性及靜力特性，采用3D3S軟件計(jì)算風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)自振頻率、自振周期、最不利桿件內(nèi)力、最大節(jié)點(diǎn)位移及最不利支座反力，并根據(jù)相關(guān)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度、整體穩(wěn)定性、抗剪性能及長(zhǎng)細(xì)比進(jìn)行驗(yàn)算，以此提高結(jié)構(gòu)安全性。

2 工程概況

論文基于中國(guó)濰坊某特高壓變電站項(xiàng)目分析特高壓變電構(gòu)架結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載。變電構(gòu)架為圓鋼管格構(gòu)式塔，寬49m，高70m，圖1為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為50年，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1，圓鋼管均采用Q345鋼材，彈性模量為2.06×105N/mm2，泊松比為0.30，線膨脹系數(shù)為1.20×10-5，質(zhì)量密度為7850kg/m3。

圖1 特高壓變電構(gòu)架簡(jiǎn)圖

3 動(dòng)力特性分析

論文采用3D3S軟件分析結(jié)構(gòu)自振特性，分別從自振周期、振型以及各振型質(zhì)量參與系數(shù)等方面展開(kāi)研究。圖2為結(jié)構(gòu)的前4階振型圖，分析可知，第1階振型為縱向平動(dòng)，第2階振型為橫向平動(dòng)，第3階振型為縱向前后擺動(dòng)，第4階振型為橫向彎曲擺動(dòng)。

圖2 特高壓變電構(gòu)架前4階振型

結(jié)構(gòu)的前8階自振特性如表1所示，結(jié)構(gòu)前4階振型自振周期分別為1.03s、0.86s、0.68s和0.35s，前8階振型中，X方向的質(zhì)量參與系數(shù)為84.27%，Y方向?yàn)?0.46%，Z方向?yàn)?0.80%，X和Y向質(zhì)量參與系數(shù)分別為Z向的2.71倍和2.61倍，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意X和Y方向的振動(dòng)特性。

表1 特高壓變電構(gòu)架前8階自振特性

4.靜力分析

4.1 荷載施加

論文對(duì)結(jié)構(gòu)僅施加結(jié)構(gòu)自重（恒載）及風(fēng)荷載，考察結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的靜力位移、支反力及內(nèi)力。結(jié)構(gòu)自重荷載由鋼材密度與結(jié)構(gòu)尺寸獲得，風(fēng)荷載基于荷載規(guī)范體型系數(shù)和風(fēng)振系數(shù)施加，其中，基本風(fēng)壓取0.55N/m2，地貌粗糙度為B類，風(fēng)壓高度變化修正系數(shù)取1.0，計(jì)算阻尼比為0.02。荷載組合如表2所示，導(dǎo)荷方式為雙向?qū)Ш傻焦?jié)點(diǎn)。

表2 荷載組合

4.2 內(nèi)力分析

由于構(gòu)架為格構(gòu)式塔架結(jié)構(gòu)，本節(jié)重點(diǎn)分析軸力最大和最小前5個(gè)桿件內(nèi)力情況。圖3和圖4分別為構(gòu)架桿件按最大和最小軸力分布，兩類桿件均分布在塔架支座部分和橫梁中間位置，但由于塔架在風(fēng)荷載作用下一側(cè)受拉一側(cè)受壓，最大和最小軸力桿件關(guān)于Z向?qū)ΨQ，這符合特高壓變電結(jié)構(gòu)的力學(xué)特點(diǎn)。

圖3 桿件單元按最大軸力分布(N)

圖4 桿件單元按最小軸力分布(N)

軸力最大（受拉）前5個(gè)軸力最大桿件軸力范圍為2713.5～4477.4N，桿件內(nèi)力跨度較大，變化較快。軸力最?。ㄊ軌海┑那?個(gè)單元的內(nèi)力如表3所示，前5個(gè)桿件的軸力范圍為-5880.1～3717.7N，受壓桿件內(nèi)力較大設(shè)計(jì)時(shí)需增加截面尺寸。最大和最小軸力5個(gè)桿件分別在荷載組合3和荷載組合2工況出現(xiàn)。由上述分析可知，對(duì)特高壓變電構(gòu)架結(jié)構(gòu)而言，受壓桿件的安全性相對(duì)受拉桿件更重要。

表3 軸力最小的前5個(gè)單元的內(nèi)力[N/(N?m)]

4.3 位移分析

基于構(gòu)架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移考察結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載下的變形情況，圖5為結(jié)構(gòu)最大正位移分布，最大正位移185.5mm在塔頂位置，表4為結(jié)構(gòu)前5個(gè)Uxyz最大節(jié)點(diǎn)位移表，位移范圍為178.5～185.5mm，最大位移節(jié)點(diǎn)均在塔頂部分。結(jié)構(gòu)最大負(fù)位移如圖6所示，最大負(fù)位移即為節(jié)點(diǎn)受壓最大變形，發(fā)生在結(jié)構(gòu)橫梁中間部分，分析可知結(jié)構(gòu)最大負(fù)位移為-34.6mm。

表4 結(jié)構(gòu)前5個(gè)Uxyz最大的節(jié)點(diǎn)位移表（mm）

圖5 結(jié)構(gòu)最大正位移Uxyz(mm)

圖6 結(jié)構(gòu)最大負(fù)位移Uxyz(mm)

4.4 支座反力分析

風(fēng)荷載下結(jié)構(gòu)支反力分析為構(gòu)架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，支座節(jié)點(diǎn)均為剛接節(jié)點(diǎn)，支座節(jié)點(diǎn)號(hào)依次為61、78、94、98、207、224、238和242。表5為各效應(yīng)組合下最大支座反力設(shè)計(jì)值，最大支反力為5947.3N，最大彎矩為301.5N?m，分析可知，支反力以軸力為主且Z軸最大，彎矩以Y軸彎矩最大。

表5 各效應(yīng)組合下最大支座反力設(shè)計(jì)值[N/(N?m)]

5 結(jié)果檢驗(yàn)

通過(guò)計(jì)算結(jié)構(gòu)規(guī)范驗(yàn)算判斷構(gòu)件安全及識(shí)別結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)位置，并能對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。本節(jié)按照《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[11]標(biāo)準(zhǔn)對(duì)構(gòu)件強(qiáng)度、穩(wěn)定性、及長(zhǎng)細(xì)比等進(jìn)行驗(yàn)算。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)滿足承載力計(jì)算要求，最大應(yīng)力比為0.79，圖7為結(jié)構(gòu)應(yīng)力比分布。

圖7 桿件應(yīng)力比分布圖

圖8為按強(qiáng)度應(yīng)力比驗(yàn)算結(jié)果，強(qiáng)度應(yīng)力比前5個(gè)最大桿件如表6所示，最大桿件為505號(hào)，應(yīng)力比為0.774，繞3軸整體穩(wěn)定系數(shù)為0.789，繞2軸和3軸長(zhǎng)細(xì)比均為30。按強(qiáng)度應(yīng)力比驗(yàn)算最大的4個(gè)桿件應(yīng)力比分別為0.774、0.600、0.590和0.529，均小于0.8，強(qiáng)度富余較大。圖9為繞3軸整體穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果，結(jié)構(gòu)繞3軸整體穩(wěn)定系數(shù)最大的桿件也是505號(hào)，說(shuō)明此桿件為結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)桿件，結(jié)合所有驗(yàn)算結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)桿件還有52號(hào)、493號(hào)、506號(hào)。另外需要注意617號(hào)桿件長(zhǎng)細(xì)比達(dá)到58。

表6 強(qiáng)度應(yīng)力比最大的前5個(gè)單元的驗(yàn)算結(jié)果

圖8 按強(qiáng)度應(yīng)力比驗(yàn)算結(jié)果

圖9 按繞3軸應(yīng)力比驗(yàn)算結(jié)果

6 結(jié)論

論文通過(guò)3D3S軟件獲得風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)自振頻率、自振周期、最不利桿件內(nèi)力、最大節(jié)點(diǎn)位移及最不利支座反力，并根據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對(duì)構(gòu)件的強(qiáng)度、穩(wěn)定性及長(zhǎng)細(xì)比進(jìn)行驗(yàn)算，獲得如下結(jié)論：

①特高壓變電構(gòu)架結(jié)構(gòu)前8階振型中，X方向的質(zhì)量參與系數(shù)為84.27%，Y方向?yàn)?0.46%，Z方向?yàn)?0.80%，且前2階振型分別為結(jié)構(gòu)縱向平動(dòng)和橫向平動(dòng)。

②構(gòu)架結(jié)構(gòu)最大和最小軸力前5個(gè)單元主要分布在塔架支座部分和橫梁中間位置。軸力最大和最小的前5個(gè)桿件分別出現(xiàn)在荷載組合3和荷載組合2工況。

③在變電構(gòu)架塔頂位置出現(xiàn)結(jié)構(gòu)最大正位移185.5mm，橫梁中間部分，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)最大負(fù)位移-34.6mm。

④構(gòu)架結(jié)構(gòu)最大支座反力為5947.3N，最大彎矩為301.5N?m，各支座節(jié)點(diǎn)反力主要以Z向軸力為主，彎矩主要以Y軸彎矩為主。

⑤結(jié)構(gòu)驗(yàn)算滿足承載力計(jì)算要求，最大應(yīng)力比為0.79，結(jié)構(gòu)較危險(xiǎn)桿件為52號(hào)、493號(hào)、505號(hào)、506號(hào)及617號(hào)桿件。