基于鋼管混凝土原理的500 kV構(gòu)架柱加固設(shè)計(jì)

魯 偉，吳必華，閆 勇，吳 晟，余 歡

(中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430071)

0 引言

渝鄂背靠背南通道和恩施東—輸變電工程建成投產(chǎn)后，葛洲壩—雙河線路已經(jīng)無法滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求，需要進(jìn)行增容改造，以提高渝鄂背靠背南通道送入電力及恩施電力外送能力，間接提高系統(tǒng)穩(wěn)定水平，增強(qiáng)對(duì)可能出現(xiàn)的各種運(yùn)行方式和系統(tǒng)將來發(fā)展的適應(yīng)性，提高系統(tǒng)運(yùn)行裕度。

雙河500 kV變電站改造工程更換葛洲壩—雙河Ⅰ回、Ⅱ回線路相關(guān)設(shè)備連線、跨線，更換雙河變500kV母線，需要換線的構(gòu)架為1#～10#構(gòu)架，換線布置圖如圖1所示；500 kV構(gòu)架改造區(qū)域透視圖如圖2所示。

圖1500 kV構(gòu)架換線布置圖(改造區(qū)域)

圖2500 kV構(gòu)架透視圖(改造區(qū)域)

1 原構(gòu)架復(fù)核

構(gòu)架換線后，導(dǎo)線拉力有不同程度的增大，此外，隨著GB 50068—2018《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》的修訂，建筑結(jié)構(gòu)的作用分項(xiàng)系數(shù)有不同程度的增大[1]，其中永久作用的分項(xiàng)系數(shù)由1.2增大為1.3；可變作用的分項(xiàng)系數(shù)由1.4增大為1.5。因此，需對(duì)換線的構(gòu)架進(jìn)行復(fù)核，包括：4孔連續(xù)出線構(gòu)架、4孔連續(xù)跨線構(gòu)架、單孔母線構(gòu)架。

1.1 構(gòu)架幾何信息

構(gòu)架柱采用圓形鋼管柱，構(gòu)架橫梁采用三角形變斷面格構(gòu)式鋼梁，梁柱鉸接。柱、梁弦桿拼接接頭采用法蘭連接，鋼梁弦桿采用鋼管，腹桿采用角鋼，腹桿和弦桿之間采用螺栓連接。構(gòu)架幾何信息詳見表1所列。

表1500 kV構(gòu)架幾何信息

1.2 導(dǎo)線荷載

構(gòu)架荷載條件：地震基本烈度6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g。基本風(fēng)壓0.3 kN/m2。

構(gòu)架出線側(cè)導(dǎo)線水平拉力≤36 kN/相，垂直荷載≤6.5 kN/相，側(cè)向拉力≤1 kN/相。地線水平拉力≤4.5 kN/根，地線垂直荷載≤1 kN/根，側(cè)向拉力≤0.2 kN/根。

根據(jù)電氣資料，構(gòu)架導(dǎo)線拉力對(duì)比詳見 表2和表3所列。通過對(duì)比可以看到，更換導(dǎo)線后的導(dǎo)線拉力與前期相比，單孔構(gòu)架導(dǎo)線水平拉力增加約50%，4孔構(gòu)架導(dǎo)線水平拉力略微降低、垂直拉力和側(cè)向力顯著增加。

表2 單孔構(gòu)架導(dǎo)線拉力對(duì)比kN

表34孔構(gòu)架導(dǎo)線拉力對(duì)比kN

1.3 計(jì)算結(jié)果分析

經(jīng)復(fù)核，構(gòu)架梁部分腹桿和螺栓受力不滿足要求，考慮對(duì)構(gòu)架梁進(jìn)行重新設(shè)計(jì)并更換。此為常規(guī)設(shè)計(jì)，此處不再贅述。本節(jié)重點(diǎn)闡述構(gòu)架柱更換導(dǎo)線后的復(fù)核計(jì)算。

由于人字柱平面外方向彎矩較小，按單向壓彎構(gòu)件計(jì)算構(gòu)架柱平面內(nèi)、平面外穩(wěn)定性和單向拉彎構(gòu)件強(qiáng)度[2]。

采用三維結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)軟件STAAD Pro進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算[3]，在不考慮構(gòu)架柱截面削弱的情況下，500 kV構(gòu)架柱復(fù)核計(jì)算結(jié)果詳見表4所列。

表4500 kV構(gòu)架柱復(fù)核計(jì)算結(jié)果kPa

通過計(jì)算可以看出，構(gòu)架更換導(dǎo)線后，構(gòu)架柱下柱和中柱都能夠滿足新的受力要求，而 4孔連續(xù)出線構(gòu)架柱上柱由于桿件較長、所受彎矩較大，平面內(nèi)穩(wěn)定應(yīng)力為210 kPa，應(yīng)力比為97.67%，接近限值?？紤]到構(gòu)架經(jīng)過近40 a的服役，構(gòu)架柱存在不同程度的凹陷，如圖3所示。同時(shí)考慮到銹蝕的影響，構(gòu)架柱截面存在不同程度的削弱，因此，認(rèn)為4孔連續(xù)出線構(gòu)架柱不滿足更換導(dǎo)線后的受力要求，其余構(gòu)架柱需根據(jù)構(gòu)架檢測(cè)結(jié)果再復(fù)核其受力是否滿足要求。

圖3500 kV構(gòu)架柱凹陷

2 構(gòu)架柱加固設(shè)計(jì)

針對(duì)4孔連續(xù)出線構(gòu)架不滿足更換導(dǎo)線之后的受力要求這一問題，有2種解決方案可供選擇：一種是重新設(shè)計(jì)構(gòu)架然后整體更換；另一種是對(duì)現(xiàn)有構(gòu)架進(jìn)行加固，提高其受力性能。

雙河500 kV變電站是華中地區(qū)重要的樞紐變電站，是三峽電力外送的重要通道和荊門地區(qū)的重要電源點(diǎn)，整體更換構(gòu)架的方案會(huì)導(dǎo)致長時(shí)間的停電，由此會(huì)帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響。為節(jié)省停電時(shí)間，最終采用針對(duì)現(xiàn)有構(gòu)架進(jìn)行加固的方案。

2.1 加固方案選擇

針對(duì)鋼管柱的加固，加固方案主要有：增大截面加固法、附加桿件和支撐加固法、填充混凝土加固法和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固法[4]。

上述加固方案中，增大截面法通常采用焊接、粘結(jié)等手段，施工較為復(fù)雜，難以保證質(zhì)量；附加桿件和支撐加固法對(duì)于布置緊湊的變電站而言難以有效施展；碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固法多用于混凝土結(jié)構(gòu)的加固，加固鋼結(jié)構(gòu)方面的研究還相對(duì)較少，工程應(yīng)用也較為少見。相比較而言，填充混凝土加固法利用成熟的鋼管混凝土原理，可有效地提高鋼管柱的剛度、強(qiáng)度和延性，對(duì)于加固施工而言，填充混凝土是比較經(jīng)濟(jì)的方法。

2.2 加固復(fù)核計(jì)算

根據(jù)GB 50936—2014《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[5]第5.3.1條計(jì)算鋼管混凝土構(gòu)架柱在壓力和彎矩共同作用下的強(qiáng)度、穩(wěn)定性。

選取4孔連續(xù)出線構(gòu)架柱上柱最不利工況進(jìn)行復(fù)核。

工況1：軸心壓力N=802 kN，彎矩M=94 kN·m；工況2：軸心壓力N=272 kN，彎矩M=128 kN·m。

經(jīng)復(fù)核計(jì)算，構(gòu)架柱剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。采用構(gòu)架柱填充混凝土加固法后，構(gòu)架柱抗壓承載力顯著提高，由于構(gòu)架柱內(nèi)部混凝土提高了鋼管混凝土的受壓截面強(qiáng)度和受壓穩(wěn)定系數(shù)，按4孔連續(xù)出線構(gòu)架柱上柱受力最大工況下，鋼管混凝土壓彎計(jì)算應(yīng)力比僅為25.66%，可以看出，構(gòu)架柱采用填充混凝土加固法是可行且有效的。

2.3 加固施工方案選擇

構(gòu)架柱填充混凝土加固法主要有3種施工方案：人工澆灌和振搗、高位拋落不振搗和泵送頂升法[6]。

本工程鋼管尺寸小，人工澆灌和振搗困難。泵送頂升法即混凝土在泵壓作用下由下而上頂升，靠自重?cái)D壓密實(shí)并充填鋼管，與鋼管共同工作[7]。考慮到經(jīng)過近40 a的服役，構(gòu)架柱存在不同程度的凹陷、銹蝕等缺陷，為避免泵壓過高影響結(jié)構(gòu)安全，建議采用高位拋落不振 搗法。

高位拋落不振搗法需要在構(gòu)架柱適當(dāng)位置開灌漿孔(直徑不超過75 mm)，采用無收縮自密實(shí)混凝土在高位分段灌注，每段下部設(shè)排氣孔(孔徑25 mm)?；炷吝_(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，采用鋼板焊接封閉灌漿孔，焊接處冷噴鋅防腐。

構(gòu)架柱的開孔建議用冷刀并采取合理的溫度控制措施，嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，避免對(duì)開孔部位附近區(qū)域的影響。

無收縮自密實(shí)混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40，粗骨料最大公稱粒徑不宜大于20 mm，自密實(shí)混凝土拌合物的自密實(shí)性能應(yīng)滿足JGJ/T 283—2012《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[8]中SF1性能等級(jí)要求。自密實(shí)混凝土最大傾落高度不宜大于9 m，對(duì)于25.5 m高的構(gòu)架柱，分三段進(jìn)行澆筑；對(duì)于18 m高的構(gòu)架柱，分兩段進(jìn)行澆筑。

3 結(jié)語

本文以雙河500 kV變電站為工程背景，針對(duì)500 kV構(gòu)架柱在換線情況下受力不滿足規(guī)范要求的現(xiàn)狀，開展加固設(shè)計(jì)。

根據(jù)鋼管混凝土原理，采用構(gòu)架柱內(nèi)灌注混凝土的加固設(shè)計(jì)方案，在相同的荷載條件下，構(gòu)架柱的應(yīng)力比由97.67%降低至25.66%，大幅提高了構(gòu)架柱的受力性能。

利用自密實(shí)混凝土的高流動(dòng)性克服常規(guī)混凝土在構(gòu)架柱內(nèi)難以振搗密實(shí)的缺陷，有效降低施工難度、保障施工質(zhì)量。