张璇，谭洪波

（1.水利部建设管理与质量安全中心，北京 100038 2.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024）

0 前言

高压出线构架是水电站户外出线场的重要建筑物，根据位置划分，常见的布置形式有地面式和屋顶式。水电站枢纽布置中，常受限于场地空间条件，选择将出线构架布置于屋顶。该布置形式能够充分利用场地空间，减少枢纽布置对场地的需求，减少场地开挖和边坡支护的工程量和技术难度，确保建筑物安全可靠、经济合理。

由于出线构架柱高而断面细小，属于大柔度结构，且构架杆件数量多，位于框架结构之上，整体结构较为复杂。一般情况下，出线构架主要受水平荷载为主，承受的主要荷载是导线张力、地线张力、风荷载、地震荷载以及结构自重等，所有构件均应满足强度、刚度、稳定性等要求。

利用三维有限元计算软件ANSYS，对屋顶出线构架结构进行静力和动力计算，复核初拟杆件型式是否满足结构受力要求，探讨地震作用对屋顶出线构架结构的影响。

1 工程概况

苗尾水电站位于云南省大理州云龙县功果桥镇境内的澜沧江河段上，是澜沧江上游河段一库七级开发方案中的最下游一个梯级电站，上接大华桥水电站，下邻澜沧江中下游河段功果桥水电站。枢纽主要由砾质土心墙堆石坝、左岸溢洪道、冲沙兼放空洞、引水发电系统及地面厂房建筑物等组成。

电站厂房为引水式地面厂房，厂内安装4 台单机容量为350 MW 混流式水轮发电机组，总装机容量1 400 MW。电站设计水头93 m，单机引用流量420 m3/s。厂区建筑物主要包括主厂房、副厂房、升压站、屋顶出线场等。主厂房采用“一”字形布置，副厂房分为上游副厂房、尾水副厂房和端副厂房。上游副厂房布置在主厂房上游侧，共分七层布置，地面以上三层，自下而上分别为电缆层、GIS层和屋顶500 kV出线场。主要建筑物级别为1级。

屋顶500 kV 出线场长192 m，宽19.10 m，共布置四回出线，其中第1回、第3回出线往下游方向出线，第2回、第4回出线往上游方向出线，导线挂点高20 m，地线挂点高28 m。

出线构架由5个A型架、4个斜支柱和4跨横梁组成。A型架高20 m，两个等边对称的支柱柱顶中心距0.20 m，柱脚中心距9 m。斜支柱与A型架铰接连接，柱脚与基础铰接方式连接，两个等边对称的支柱柱脚中心距4.50 m，两支柱柱顶与横梁焊接，斜支柱柱脚距A型架柱脚中点5.60 m。横梁共4跨，每跨横梁跨度30 m。横梁截面架是由三根角钢组成的等腰三角形，底边长2 m，腰边长2.20 m，节点均采用螺栓方式连接。横梁与两端A 型架顶部采用螺栓连接。出线构架初拟杆件型式详见表1。

表1 出线构架初拟杆件型式表

2 计算分析

2.1 计算模型

出线构架位于上游副厂房屋顶，为模拟出线构架的地震工况，将上游副厂房与出线构架整体建模，对整体结构进行线弹性分析计算。

根据出线构架各个构件的受力特点，A型架立柱和横梁弦杆属于典型的三维梁单元，模型中采用空间梁单元模拟，斜支柱和横梁腹杆两端节点的连接近似于铰接，模型中采用空间杆单元模拟。横梁与A型架通过一假想刚性杆连接，横梁通过铰接点把荷载传递于假想杆，再通过假想杆与A型架的刚结点作用于A 型架支柱。A 型架底部与上游副厂房的楼板固结。上游副厂房框架结构采用实体模型，计算模型底部采用固结。

整个计算模型共124 731个结点，89 998个单元；其中上游副厂房124 506 个结点，89 414 个单元，出线构架225 个结点，584个单元。

2.2 荷载

根据《钢结构设计规范》《变电构架设计手册》，计算荷载主要考虑导线荷载、地线荷载、风荷载、地震荷载以及结构自重等，详细计算参数选取如下。

导线荷载：四回出线，导线张力均为8 t/相，出线角度水平20°、垂直30°，每回共三相。模型中按点荷载输入。地线荷载：地线张力为1.20 t/根，出线角度水平20°、垂直30°考虑，每回共2 根。模型中按点荷载输入。风荷载：根据《建筑结构荷载规范》，基本风压取0.65 kN/m2。根据基本风压、风振系数、风荷载体型系数、风压高度变化系数等分段简化计算构件上的风荷载，在模型中分段简化按均布荷载输入。地震荷载：根据地震安全性评价报告，厂房的抗震设防烈度为7 度，相应的地震动基岩水平加速度代表值为131.90 gal，场地类型为Ⅰ类，设计特征周期T=0.20 s。自重荷载，由程序根据输入的各构件尺寸和质量密度自动计算。

2.3 静力工况计算

静力工况下，不考虑地震荷载，A型架最大拉力为528.70 kN，最大压力为569.60 kN，最大应力为50 MPa，满足强度要求；斜撑杆最大拉力为279.70 kN，最大压力为621.70 kN，其最大应力为44.50 MPa，满足强度要求；横梁受拉杆最大应力为115.90 MPa，压杆最大应力82 MPa，满足强度要求；其他杆件受拉杆的最大应力为102.50 MPa，压杆的最大应力为121.50 MPa，强度均能满足要求。

上游副厂房竖向最大拉应力出现在排架柱顶部的外侧，最大值为4.03 MPa，分布范围较小，仅出现在上下游排架柱的顶部外侧。最大压应力为9.79 MPa，主要出现在排架柱顶部的内侧。

2.4 纯地震工况计算

仅考虑地震荷载，分析屋顶出线构架结构的地震荷载效应，纯地震工况时结构前20 阶振型，由振型可以看出，屋顶出线构架结构的基频振动为上游副厂房的振动。

2.5 地震工况计算

地震工况下，考虑全部导线荷载、地线荷载、风荷载、地震荷载以及结构自重等荷载，A型架最大拉力为539.60 kN，最大压力为576.40 kN，最大应力为50.6 MPa，满足强度要求；斜撑杆最大拉力为288.70 kN，最大压力为613.60 kN，其最大应力为43.90 MPa，满足强度要求；横梁受拉杆最大应力为117.20 MPa，压杆最大应力82.50 MPa，满足强度要求；其他杆件受拉杆的最大应力为103.70 MPa，压杆的最大应力为119.20 MPa，强度均能满足要求。

上游副厂房竖向最大拉应力出线在排架柱顶部的外侧，最大值为4.91 MPa，0.43～4.91 MPa占排架柱的1/3，拉应力范围约占排架柱的一半范围，上游副厂房结构压应力最大值为8.54 MPa。

地震工况计算合位移图略，地震工况上游副厂房竖向应力分布图略。经验算，各杆件的刚度和稳定性满足规范要求。

与静力工况相比，地震工况时，A 型架最大拉力增幅2.06%，最大压力增幅1.19%；斜撑杆最大拉力增幅3.22%；横梁受拉杆最大应力增幅1.12%，压杆最大应力增幅0.61%；其他杆件受拉杆的最大应力增幅1.17%。上游尾水副厂房最大拉应力增幅21.84%。

3 结论

经过对屋顶出线构架结构进行静力和动力计算，并比较静力和动力计算的应力结果，分析地震作用对屋顶出线构架结构的影响，得到以下结论。屋顶出线构架结构的基频振型主要为上游副厂房的振动；地震工况时，出线构架杆件的拉应力有所增大，增大幅度为1.12%～3.22%，增大幅度较小；地震工况时，上游副厂房的最大拉应力增大，增大幅度为21.84%，增大幅度较大。框架结构的计算中，尤其是考虑地震荷载时，不能将屋顶出线构架简化为荷载，需关注结构的地震效应，确保框架结构承载能力满足要求。