杨建江，焦宇飞，刘亮亮

(1.天津大学 建筑工程学院，天津 300072；2.华北电力设计院有限公司，北京 100120)

frame pillar;edge pillar at the end of the long continuous beam

随着我国跨区域输电战略的推进，500 kV全联合变电构架得到广泛应用.其作为一种将母线构架、主变进线构架和出线构架分层联合布置的全新结构形式，具备良好的空间力学性能，同时能更好的满足变电工程电器接线形式和紧凑布置的需求.随之而来的问题也十分明显.相较于传统单孔钢门型变电构架，该类结构构架梁的联合布置和构架柱的减少使其更易受到复杂运行工况的影响.同时，电器接线的紧凑布置也给结构带来更大的导线裹冰荷载.作为变电站中最复杂的构筑物，其连续长度近200 m，远超露天钢结构120 m纵向温度区段的限值[1].因此，全联合变电构架的温度作用不容忽视，目前主要处理方式为在构架中间位置设置伸缩缝.但对于温度作用下构架柱受力性能的研究较少，现行相关设计规范也并不详尽，留下一定程度的安全漏洞.在近年来大量的研究和运用实例中，基于有限元方法的大型复杂结构数值模拟已成为全联合变电构架受力分析的主要手段.国内外学者运用ANSYS和STAAD.Pro等有限元分析软件对于全联合变电构架的优化设计[2]、风荷载[3]和风致动力响应[4]、空间管节点形式[5]和受力性能[6]等领域进行了深入研究.而目前对于全联合构架中的钢管柱在温度作用效应和多种运行工况下的受力特性对比研究还少见文献刊载.本文以轻覆冰区[7]某500 kV全联合变电构架为例，采用大型通用有限元分析软件ANSYS对结构模拟施加了大风荷载和覆冰荷载，并与其考虑温度作用后的受力情况进行对比分析.

1　分析模型

1.1　工程概况

该结构采用3层横梁全联合构架布置方案，挂线点标高由低到高依次为20.0 m的母线梁，26.0 m的主变进线和500 kV出线梁，35.0 m的侧出线横梁、斜梁及联系梁.纵向全长195 m，于110 m处设2 m宽伸缩缝，两端设端撑柱.横向宽61 m，设3排构架柱，中间柱采用A型柱，出线柱为单钢管柱.根据梁柱以法兰连接的特点，将梁柱刚接按空间刚架体系建立分析模型(图1).

图1　构架空间模型

1.2　模型前处理

本文采用实际建模法建立全联合构架有限元分析模型.在前处理阶段选用BEAM188单元并定义14种杆件截面，钢材密度取7.85×103kg·m-3，弹性模量为2.06×1011N·m-2.由于钢材为线弹性材料且各向同性，同时具备良好的导热性能，假定其温度随环境温度变化并发生线性膨胀，平均热膨胀系数取1.2×10-5℃；默认采用脆性转变温度低于轻覆冰区最低日计算平均温度的钢材，故不考虑钢材在低温条件下的脆性转变.

不同工况下的导线荷载由电器专业提供.构架风荷载[8]取为

wk=βzμsμzw0

式中：βz为高度z处的风振系数;μs为风荷载体形系数;μz为风压高度变化系数;w0为基本风压，取0.4 kPa.由于构架体型不规则，z取各杆件型心处高度，得出其所对应表面风荷载标准值，在模型中进行分段加载.

1.3　荷载组合

根据《变电构架设计手册》，考虑两种工况荷载效应组合对结构进行加载.

考虑温度效应的覆冰有风工况，是在当地夏季允许露天作业的最高日平均气温条件下安装，最低日计算平均温度条件下运行，取计算温度差为-40 ℃；覆冰条件下结构计算风速取V=10 m·s-1，计算风压W10k=0.062 5 kPa

覆冰有风工况(I)：1.2Gk+1.3D12k+1.4W10k

考虑温度效应的覆冰有风工况(It)：1.2Gk+1.3D12k+1.4W10k+1.0Δt

考虑温度效应的最大风速工况，在当地夏季允许露天作业的最高日平均气温条件下安装，最大风环境温度条件下运行，取计算温度差为-30 ℃；取工程所在地区基本风压为0.4 kPa.

大风工况(W)：1.2Gk+1.3D11k+1.4Wk

考虑温度效应的大风工况

(Wt)：1.2Gk+1.3D11k+1.4Wk+1.0Δt

2　受力情况分析

对于两端设有刚性支撑、总长超过150 m的连续排架，或总长度超过100 m的连续刚架，应计算温度作用效应的影响[9].因此，全联合变电构架于主变进线和500 kV低出线梁处产生明显温度作用效应.在本变电构架中，B轴标高26 m处为长度大于100 m的连续钢梁，温度作用下梁端构架柱受连续梁X轴方向形变影响最大.本工程存在结构及荷载的不对称性，故选取B-1、B-9两处带端撑构架柱为分析对象(图2).

根据ANSYS计算结果，四种荷载组合作用下两柱均在柱底节点受力最大.

因此，分别列出大风工况(W)、考虑温度效应的大风工况(Wt)、覆冰有风工况(I)、考虑温度效应的覆冰有风工况(It)下B-1、B-9两构架柱在标高26 m及柱底处节点受力，对比节点在不同荷载组合下内力值之间关系，以分析温度作用效应对运行工况的影响.

图2　长连续梁端柱空间模型

2.1　端柱B-1在标高35.0 m处内力分析

构架柱标高35.0 m处Z轴方向剪力主要来自导线荷载、结构风荷载及温度作用效应引起的连续梁变形，轴力主要来自构架自重及导线荷载，Z轴方向剪力主要来自结构风荷载及导线荷载.

表1为端柱B-1标高35.0 m处各节点在4种荷载组合下受力情况.当考虑温度效应时，相比于Z轴方向，构架柱在X轴方向剪力变化更明显，即温度作用效应对构架柱的影响主要体现在X轴方向.结合不同荷载组合下节点受力对比可知，在温度作用效应下X轴方向剪力变化幅度较小，各节点主要内力仍来自导线荷载及结构风荷载.故温度作用效应在构架设计中不起控制作用，应取大风工况为控制工况.

表1　端柱B-1在不同荷载组合下内力分析(标高35.0 m处)

2.2　端柱B-9在标高35.0 m处内力分析

表2为端柱B-9标高35.0 m处各节点在不同荷载组合下的受力情况.同端柱B-1，由表中数据易知温度作用效应对构架柱的影响主要体现在X轴方向，但其在构架设计中不起控制作用.

相较于端柱B-1，该柱d、e杆在Z轴方向所受剪力增加，说明下风向构架柱受结构风荷载及导线风荷载影响较大.结合不同荷载组合下节点受力对比可知，两种运行工况在考虑温度作用效应后构架柱各向内力均有所减小，故温度(低温)作用效应可在一定程度上削弱风荷载对下风向构架柱的影响.

2.3　端柱B-1在柱底处内力分析

由端柱B-1底部各节点在两种运行工况下受力情况(见表3)可知，温度作用效应对构架柱的A型柱部分表现为压力作用，对端撑柱表现为拉力作用，故长连续梁在低温条件下沿X轴方向收缩变形，整体上对构架柱产生绕Z轴力矩.

表2　端柱B-9在不同荷载组合下内力分析(标高35.0 m处)

表3　端柱B-1在不同荷载组合下内力分析(标高-0.35 m处)

结合大风工况和覆冰工况下端柱B-1柱底节点受力对比发现，温度作用下，端柱各杆Z轴方向剪力基本保持不变，说明构架柱温度应力主要出现在长连续梁方向，对短连续梁方向(仅两跨)影响较小；端柱底部X轴方向受剪力增大，其中c杆增大最明显，且增长方向同长连续梁在温度作用效应下形变方向一致，说明构架柱水平方向温度作用力主要由端撑柱承受.在温度作用下，a、b杆底部绕X轴方向，c杆底部绕Z轴方向均发生明显弯矩变化，因此弯矩重分布现象主要出现在A型柱底绕X轴方向和端撑柱底绕Z轴方向.

此外由表3可知，端柱B-1底部单杆最大轴向力和弯矩值均出现在考虑温度效应的大风工况下，由此可见大风工况在此构架柱设计中起控制作用，且温度作用效应不可忽略.

2.4　端柱B-9在柱底处内力分析

表4为端柱B-9底部各节点在不同荷载组合下的受力情况.同端柱B-1，根据表中数据易知温度作用效应对构架柱整体表现为绕Z轴力矩；构架柱水平方向温度作用效应主要由端撑柱承受；且于A型柱底绕X轴方向和端撑柱底绕Z轴方向出现弯矩重分布.

结合两种运行工况下端柱B-9底部节点受力对比不难看出，相较于端柱B-1，该柱考虑温度作用效应时d、e杆在X轴方向剪力和d杆轴力发生明显变化.但在风荷载作用下这几项内力值远小于材料承受能力，因而不作为分析依据.除上述3项内力外，该构架柱在大风工况下各项内力均大于覆冰工况，因此大风工况在此构架柱设计中起控制作用.在考虑温度效应时，端撑柱轴力明显减小，说明温度(低温)作用可削弱风荷载对下风向构架柱端撑的影响.

表4　端柱B-9在不同荷载组合下内力分析(标高-0.35 m处)

3　结 论

1) 在覆冰有风工况下构架柱各关键节点处内力均小于大风工况，所以在全联合变电构架设计中取大风工况为控制工况，同时需考虑温度作用效应的影响.

2) 温度作用效应引起全联合构架内力向部分构件集中，在覆冰荷载、侧向风压和温度作用的共同作用下，在端撑柱、大于100 m长连续梁两端的A型构架柱应力增大现象十分明显.

3) 该全联合变电构架在标高26.0 m处温度作用效应主要体现为长连续梁温度形变对构架柱产生X轴方向作用力.构架柱在温度作用下各向内力仍主要由导线荷载以及结构风荷载引起，所以温度作用效应对运行工况影响较小.温度(低温)作用效应可在一定程度上增强风荷载对上风向构架柱的影响，同时削弱风荷载对下风向构架柱的影响.

4) 由于A型柱绕X轴方向和端撑柱绕Z轴方向在温度作用下出现明显弯矩重分布现象，在全联合构架设计时，需重点加强长连续梁两端构架柱底部支座处抗弯承载力.

5) 在温度作用下，连续梁纵向收缩使构架柱上部发生X轴方向侧移，在框架柱底部支座处产生绕Z轴力矩，同时使端撑柱产生沿X轴方向内力.对于承受温度作用的全联合变电构架，端撑杆作为承受构架柱绕Z轴力矩和X轴方向内力的关键结构，其设置至关重要.若构架本身因风荷载作用需设置端撑柱，则应适当增大端撑柱强度以保证其在温度作用下的轴向承载力.

6) 温度对于X轴方向短连续梁无太大影响，柱底Z轴方向内力并未因温度作用发生明显变化.故构架柱设计时在短连续梁方向可不考虑温度作用.

参考文献：

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Ministry of Construction of the PRC.Design Code for High-rising Structures:GB/ 50135-2006[S].Beijing:China Planning Press(in Chinese).

[8]电力规划设计总院.变电站建筑结构设计技术规程:DL/T/ 5457-2012[S].北京:中国计划出版社,2003.

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