基于三維技術(shù)的500 kV風(fēng)帆式出線聯(lián)合構(gòu)架研究

周鵬

（中國電建集團(tuán)江西省電力設(shè)計院有限公司，江西 南昌 330096）

0 引言

利用GIS電氣設(shè)備導(dǎo)管可以隨意引接、靈活布置的特點，通過將門型出線構(gòu)架設(shè)置成二層出線梁，出線A、B、C三相垂直布置，二層梁的高度設(shè)置為24 m、37 m高度；二層梁水平間距離按11.5 m控制。這樣，由GIS出線套管引出的A、B、C三相滿足電氣距離要求。該結(jié)構(gòu)以外形似風(fēng)帆而命名為“風(fēng)帆聯(lián)合式”出線構(gòu)架。針對現(xiàn)有構(gòu)架形式并結(jié)合風(fēng)帆式聯(lián)合出線構(gòu)架的自身特點，分別從桿件受力的合理性、工程可靠性、廠家加工便利性、現(xiàn)場施工的可實現(xiàn)及經(jīng)濟(jì)性方面進(jìn)行比較，結(jié)果表明等截面鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)架及格構(gòu)式構(gòu)架滿足風(fēng)帆式聯(lián)合出線構(gòu)架要求。由于GIS長度尺寸遠(yuǎn)大于寬度尺寸，格構(gòu)式構(gòu)架需要采用增大自立柱主材規(guī)格手段提高整體構(gòu)架在弱軸方向的側(cè)移剛度。導(dǎo)致須采用全鋼管格構(gòu)式體系來作為構(gòu)架的承載構(gòu)件，在用鋼量方面全鋼管格構(gòu)式較等截面鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)架并無特別明顯的優(yōu)勢，而且須增加500 kV配電裝置場區(qū)面積，造成總平面布置不協(xié)調(diào)。因此，推薦風(fēng)帆式出線構(gòu)架采用等截面鋼管結(jié)構(gòu)。同時采用三維技術(shù)建立了構(gòu)架的信息化模型，同時將三維設(shè)計技術(shù)用于鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計和制造環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了全數(shù)字的設(shè)計、加工一體化流程[1-2]。提高了工作效率，改進(jìn)了制造質(zhì)量。實現(xiàn)構(gòu)架施工過程的虛擬化模擬。

1 500 kV配電裝置場地布置

某南昌地區(qū)工程500 kV采用GIS布置，通過將門型出線構(gòu)架設(shè)置成二層出線梁，出線A、B、C三相垂直布置，二層梁的高度設(shè)置為24 m、37 m高度，二層梁水平間距離按11.5 m控制。如圖1所示。

圖1 變電站設(shè)計工序圖

2 配電裝置構(gòu)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計依據(jù)及設(shè)計原則

2.1 構(gòu)架設(shè)計荷載資料

1）導(dǎo)線荷載

導(dǎo)線荷載設(shè)計詳見表1。

表1 500 kV出線側(cè)導(dǎo)、地線控制張力

2）風(fēng)荷載

文獻(xiàn)[3]規(guī)定，垂直于風(fēng)向的結(jié)構(gòu)風(fēng)壓應(yīng)參與組合，取其對結(jié)構(gòu)的最不利者進(jìn)行設(shè)計。這時的結(jié)構(gòu)風(fēng)壓應(yīng)該是對應(yīng)工況的風(fēng)速產(chǎn)生的。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件，本工程設(shè)計基本風(fēng)壓確定為0.45 kN/m2。

3）溫度荷載

文獻(xiàn)[3]規(guī)定，兩端設(shè)有剛性支撐、總長度超過150 m的連續(xù)排架，或總長超過100 m的連續(xù)鋼架，應(yīng)計算溫度作用效應(yīng)的影響，可按在夏季或冬季允許露天作業(yè)的氣溫條件下安裝，在最大風(fēng)溫度環(huán)境條件下運(yùn)行，此時計算溫度差可?。害=±35℃。本工程的500 kV構(gòu)架連續(xù)長度為112 m＜150 m，且構(gòu)架與構(gòu)架之間為鉸接，因此不需考慮溫度荷載的影響。

4）地震作用（新地震規(guī)范南昌的加速度）

據(jù)《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》（1∶400萬）及《江西省地震動參數(shù)區(qū)劃工作用圖》（1∶75萬）站址所處區(qū)域一般場地條件下50年超越概率10%的設(shè)計地震動峰值加速度小于0.05 g，對應(yīng)地震基本烈度小于6度，設(shè)計地震分組為第一組。根據(jù)新頒的《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306—2015）從2016.06.01一般場地條件下50年超越概率10%的地震動峰值加速度為0.05 g，地震基本烈度為6度。采用振型反應(yīng)譜分解法計算。

5）荷載效應(yīng)組合

變電構(gòu)架設(shè)計應(yīng)根據(jù)使用過程中在結(jié)構(gòu)上可能同時出線的荷載，按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進(jìn)行荷載組合，并應(yīng)根據(jù)各自的最不利的荷載效應(yīng)組合進(jìn)行設(shè)計。承載能力極限狀態(tài)組合用于導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的構(gòu)件和連接強(qiáng)度、穩(wěn)定的計算，正常使用極限狀態(tài)組合用于影響結(jié)構(gòu)正常使用好耐久性的如構(gòu)件的變形、裂縫等計算。變電構(gòu)架應(yīng)根據(jù)電氣布置、不同的工作情況下可能產(chǎn)生的最不利受力情況，并考慮到遠(yuǎn)期發(fā)展可能產(chǎn)生的變化，分別按終端構(gòu)架和中間構(gòu)架進(jìn)行設(shè)計，一般不考慮斷線的條件。

構(gòu)架的設(shè)計應(yīng)考慮下列兩種極限狀態(tài)：

（1）承載能力極限狀態(tài)采用荷載效應(yīng)的基本組合（即只考慮永久荷載和可變荷載的組合，不考慮偶然荷載參與組合）時，其設(shè)計表達(dá)式取下列各式的最不利者[4]：

a.由可變荷載效應(yīng)控制的組合：

b.由永久荷載效應(yīng)控制的組合：

（2）正常使用極限狀態(tài)，應(yīng)根據(jù)不同的設(shè)計要求，采用荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合、頻遇組合或準(zhǔn)永久組合。并應(yīng)按下列設(shè)計表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計：

a.荷載標(biāo)準(zhǔn)組合的效應(yīng)設(shè)計值：

b.荷載頻遇組合的效應(yīng)設(shè)計值：

c.荷載準(zhǔn)永久組合的效應(yīng)設(shè)計值：

文獻(xiàn)[3]規(guī)定：構(gòu)架應(yīng)按不同的工況分別進(jìn)行組合，并取其對構(gòu)件的最不利者進(jìn)行設(shè)計。各種工況下荷載的分項系數(shù)見表2。

表2 導(dǎo)線荷載的分項系數(shù)表

承載能力極限狀態(tài)荷載效應(yīng)的基本組合如下，其中（Gk：恒載；D11k：導(dǎo)線荷載；Wk：風(fēng)荷載；）：

1）1.2Gk+1.3D11k+1.4Wk

2）1.2Gk+1.2D21k+1.2D22k+1.4Wk

3）1.2Gk+1.2D32k+1.2D22k+1.4Wk

正常使用極限狀態(tài)荷載效應(yīng)的基本組合如下：

1）Gk+D22k+Wk

2）Gk+D11k+0.5Wk

2.2 構(gòu)架選型及材料選用對比分析

1）構(gòu)架選型分析[5]

分別對等截面普通鋼管構(gòu)架、格構(gòu)式構(gòu)架及變截面高強(qiáng)度鋼管構(gòu)架進(jìn)行了優(yōu)缺點對比。由于500 kV出線間隔總寬度范圍內(nèi)只能放置2基終端塔，因此須采用同塔四回的模式出線，為滿足每個四回路中間2回導(dǎo)線上終端塔偏角及對構(gòu)架的安全距離在合理值范圍內(nèi)，當(dāng)構(gòu)架柱采用?500 mm的等截面鋼管時GIS出線點與構(gòu)架的距離定為6.0 m。因此采用等截面鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)架時，2回出線共用一個出線間隔，寬度為28 m，總間隔長度為112 m。如圖2所示。

圖2 等截面鋼管構(gòu)架間隔尺寸圖

根據(jù)以往工程經(jīng)驗，若采用全鋼管格構(gòu)式構(gòu)架，其格構(gòu)式構(gòu)架柱的寬度尺寸最少需要2.0 m×2.0 m，為滿足每個四回路中間2回導(dǎo)線上終端塔偏角及對構(gòu)架的安全距離在合理值范圍內(nèi)，中間2回GIS出線點與構(gòu)架的距離須調(diào)整為7.0 m，即間隔寬度尺寸調(diào)整為29 m，即500 kV總間隔長度為116 m。且由于GIS長度尺寸遠(yuǎn)大于寬度尺寸，這就需要采用增大自立柱主材規(guī)格手段提高整體構(gòu)架在弱軸方向的側(cè)移剛度。這就需要采用全鋼管格構(gòu)式體系來作為構(gòu)架的承載構(gòu)件，因此，在用鋼量方面全鋼管格構(gòu)式較等截面鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)架并無特別明顯的優(yōu)勢，而且須增加500 kV配電裝置場區(qū)面積，造成總平面不協(xié)調(diào)。如圖3所示。

圖3 全鋼管格構(gòu)式構(gòu)架間隔尺寸圖

綜上所示，本工程構(gòu)架方案采用等截面普通鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)架。

2）構(gòu)架模型

構(gòu)架為空間聯(lián)合形式，間隔寬度為28 m，總長112 m，總高渡37 m[6]。采取雙層梁布置形式，第一層梁高24 m，第二層梁高37 m。構(gòu)架柱由兩高度不同的鋼管柱支撐，中間聯(lián)合布置橫撐和斜撐，兩端設(shè)置端撐。利用A型柱受力特點，將短柱與斜撐布置成一定斜率的A型柱，在以主要承受平面內(nèi)導(dǎo)線拉力的構(gòu)架設(shè)計中，增加了平面內(nèi)剛度和穩(wěn)定，受力合理。風(fēng)帆式聯(lián)合構(gòu)架的基本結(jié)構(gòu)單元為鋼管柱和鋼管格構(gòu)式三角梁，兩豎向主柱為等截面鋼管柱，如圖4所示。

圖4 風(fēng)帆式構(gòu)架模型

3 基于三維結(jié)構(gòu)信息化模型的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計加工一體化

分析計算模型的桿系結(jié)構(gòu)可直接導(dǎo)入到生成繪圖模型，節(jié)點采用參數(shù)化輸入，自動生成，十分簡單方便?？梢钥焖俚慕⑼暾娜S構(gòu)架模型，并生成精確的加工圖模型（如圖5、圖6）。

圖5 構(gòu)架柱及節(jié)點模型

圖6 構(gòu)架梁及節(jié)點模型

將結(jié)構(gòu)信息模型用于鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計和制造環(huán)節(jié)，這樣便實現(xiàn)了全數(shù)字的設(shè)計、加工一體化流程。重復(fù)利用設(shè)計模型不但提高了工作效率（省去了用于創(chuàng)建制造模型的時間），而且改進(jìn)了制造質(zhì)量（消除了設(shè)計模型與制造模型相互矛盾的現(xiàn)象）。此外，鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計和制造軟件中使用的信息是基于高度精確、協(xié)調(diào)、一致的結(jié)構(gòu)信息模型的數(shù)字設(shè)計數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)完全值得在相關(guān)的類似活動中共享。

將設(shè)計模型直接用于制造環(huán)節(jié)還可以在制造與設(shè)計之間形成一種自然的反饋循環(huán)，即在建筑設(shè)計流程中提前考慮制造方面的問題。制造共享設(shè)計模型有助于縮短加工周期，便于制造根據(jù)設(shè)計要求的鋼材用量進(jìn)行加工并供貨。鋼結(jié)構(gòu)與其它建筑構(gòu)件之間的協(xié)調(diào)也有助于減少現(xiàn)場發(fā)生的問題，降低不斷上升的鋼結(jié)構(gòu)安裝成本。

4 結(jié)語

針對現(xiàn)有構(gòu)架形式并結(jié)合風(fēng)帆式聯(lián)合出線構(gòu)架的自身特點，分別從桿件受力的合理性、工程可靠性、廠家加工便利性、現(xiàn)場施工的可實現(xiàn)及經(jīng)濟(jì)性方面進(jìn)行比較，結(jié)果表明等截面鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)架及格構(gòu)式構(gòu)架滿足風(fēng)帆式聯(lián)合出線構(gòu)架要求。由于GIS長度尺寸遠(yuǎn)大于寬度尺寸，格構(gòu)式構(gòu)架需要采用增大自立柱主材規(guī)格手段提高整體構(gòu)架在弱軸方向的側(cè)移剛度。導(dǎo)致須采用全鋼管格構(gòu)式體系來作為構(gòu)架的承載構(gòu)件，在用鋼量方面全鋼管格構(gòu)式較等截面鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)架并無特別明顯的優(yōu)勢，而且須增加500 kV配電裝置場區(qū)面積，造成總平面布置不協(xié)調(diào)。因此，推薦風(fēng)帆式出線構(gòu)架采用等截面鋼管結(jié)構(gòu)。

采用三維技術(shù)建立了構(gòu)架的信息化模型[7]，同時將三維設(shè)計技術(shù)用于鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計和制造環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了全數(shù)字的設(shè)計、加工一體化流程。提高了工作效率（省去了用于創(chuàng)建制造模型的時間），而且改進(jìn)了制造質(zhì)量（消除了設(shè)計模型與制造模型相互矛盾的現(xiàn)象）。

采用三維技術(shù)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計全過程的模擬仿真和管理，借助于相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)構(gòu)架施工過程的虛擬化（Virtual Construction，虛擬建設(shè)），對構(gòu)架的“可施工性”進(jìn)行度量與評估，實現(xiàn)模擬拼裝與施工流程模擬，從而有效的指導(dǎo)現(xiàn)實的施工過程，有效的指導(dǎo)機(jī)械化施工。