330 kV户外GIS垂直出线钢管格构塔设计分析

王宁壁, 魏 刚, 张 咪

(1.中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710075；2.国网陕西省电力有限公司，陕西 西安 710048)

西北地区330 kV户外气体绝缘变电站(gas insulated substation,GIS)一般采用A、B、C三相水平排列，带端撑人字柱门型构架(以下简称为门型构架)，由于受出线门型构架宽度限制，使变电站垂直于出线方向的尺寸并未因采用GIS而减小。垂直出线作为一种新型出线方式，能进一步减小出线间隔宽度，充分发挥GIS布置紧凑的优势。

针对330 kV户外GIS垂直出线布置方式，选择与其相适应的垂直出线钢管格构塔(以下简称为垂直出线塔)，在综合造价方面对垂直出线塔与门型构架进行对比，设计经济可行、节约占地的垂直出线塔。

1 设计条件

1.1 自然条件

基本风压0.37 kN/m2；站区地震基本烈度为Ⅷ度，地震动反应谱特征周期为0.55 s。

1.2 塔架布置型式

西安北750 kV变电站工程中，330 kV配电装置采用户外GIS“Z”型布置，垂直出线，为配合电气布置要求，出线构架采用独立塔式结构，单塔两侧对称布置两回出线或单侧布置单回出线，从上向下依次为A、B、C相。单塔上设置8个悬挑横担，其中6个用于出线挂线，2个用于地线挂线，塔高37.5 m，挂点分别在18.0 m、25.5 m、33.0 m、37.5 m标高处。导线横担自塔柱中心线悬挑5.75 m，C相自塔柱中心线沿出线向悬挑5.0 m，A相自塔柱中心线背出线向悬挑5.0 m，地线横担自塔柱中心线悬挑7.25 m。塔架立面见图1。

图1 330 kV垂直出线塔立面

1.3 荷载(作用)计算

垂直出线塔上作用的荷载有导线拉力、风载、覆冰荷载及地震和温度作用等。

导线拉力由电气专业提供，本期出线有挂2分裂LGJ-300/40导线，也有挂4分裂LGJ-300/40导线，导线拉力不同，远期同一回出线按挂上述2种导线的可能分别考虑。4分裂LGJ-300/40导线水平拉力30 kN，垂直拉力23 kN；2分裂LGJ-300/40导线水平拉力18 kN，垂直拉力12 kN；地线水平拉力10 kN，垂直拉力3 kN。导线及地线偏角-5°～45°，偏向远离塔柱侧。

塔架承受的风载除考虑垂直或平行于宽面的风向外，还考虑沿对角线方向的风载，有+X、-X、+Z、-Z、+X+Z、-X+Z、+X-Z、-X-Z 共8个方向[1]。塔式结构自振周期T≥0.25 s，由风引起的结构振动比较明显，而且随着结构自振周期延长，风振也随着增强，因此设计时均应考虑风振影响[2]。文献[3]提出当杆塔全高不超过60 m时，风振系数βz全高采用1个系数。

塔架承受的导线覆冰荷载由电气专业在导线拉力中考虑。

对于比较高柔的塔式结构，风振影响一般要大于地震影响，但是如果结构质量较大，又处在地震高烈度区，则地震影响更强烈。因此在地震高烈度区(Ⅷ度)的塔式结构，要充分考虑地震作用的影响，以保证结构安全。文献[4]规定烈度8度以上地区的高耸结构，应计算竖向地震作用，水平及竖向地震作用均采用反应谱法计算。

塔式结构的主体由于暴露在外，受温度作用影响较直接，同时塔体纵向尺寸较大，温度效应累计作用明显[5]。文献[6]规定，在计算温度作用效应时，应根据工程具体条件合理选择计算温差。本工程计算温差取Δt为+50 ℃、-40 ℃，在最大风温度条件下运行时，计算温差取Δt为+35 ℃、-35 ℃进行计算。

1.4 荷载组合计算

垂直出线塔采用极限状态设计法，即承载能力极限状态和正常使用极限状态。承载能力极限状态对应于结构或构件达到最大承载力或不适于继续承载的变形；正常使用极限状态对应于结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。

对于承载能力极限状态，塔式结构及构件应按荷载效应的基本组合进行设计;对于正常使用极限状态，采用荷载标准组合进行设计。

塔式结构正常使用极限状态的控制条件为塔柱柱顶的计算挠度限值采用3h/1000(h为塔柱计算点高度)，横担端部水平及垂直方向采用L/150(L为横担悬挑长度)。

由导线拉力图可以看出，既要考虑仅单侧挂线，又要考虑双侧同时挂线，同时还要考虑两侧挂不同型号的导线，共有5组导线荷载组合工况需分别建模计算。每个模型的每组导线荷载组合需分别与风载、温度作用及地震作用进行承载能力极限状态荷载效应的基本组合计算和正常使用极限状态荷载效应的标准组合计算。

各模型计算结果显示，考虑地震作用的荷载组合产生的杆件内力是没有地震作用的其他荷载组合产生内力的70%～80%，因此地震作用在本工程结构设计中不起控制作用。

1.5 垂直出线塔优点

塔柱采用变截面钢管格构矩形柱，钢管主杆和腹杆、节点板螺栓连接、构架横担采用变截面钢管格构四边形梁，钢管弦杆、角钢腹杆、节点板螺栓连接。横担弦杆与塔柱螺栓连接，整体为刚接，塔柱主杆拼接采用法兰连接。该结构取材方便，材料规格基本不受限制，钢管迎风体型系数小，截面回转半径大且具有各向同性，因而杆件受压稳定性好。与角钢格构式结构相比，钢管格构式结构具有以下优点。

a.构件受荷性能好。钢管构件作为构架的承载结构相对于角钢构件具有明显的优势：①可以减小构架的风压(圆管构件体形系数比角钢几乎小一半)；②在截面面积相等的情况下，圆管回转半径比角钢大20%左右；③若用无缝钢管，其压曲系数为a类，而角钢为b类，差7%左右[7]。

b.结构受力明确，节点构造简单，大部分构件属于拉压杆，符合计算假定。

c.经济性好。钢管塔比角钢塔用钢量可降低10%～20%，对大负荷高塔使用钢管格构式结构优势更明显。

d.外型美观。由于钢管具有较好的受荷截面特性，即各个方向的截面特性相同，与塔柱非正交的横担弦杆与塔柱连接节点容易处理，结构构件数量少、截面相对较小，节间距有较大幅度增加，使结构布置更为简洁美观。

e.适用性较强。对于荷载大、高度大、电压等级高的构架，钢管格构式结构有更强适用性。

f.取材方便。目前我国的各种轧制和焊接钢管的质量稳定，供货渠道日趋通畅，在其规格选择上具有更大的优势。

通过上述分析，西安北750 kV变电站工程330 kV 户外GIS垂直出线塔采用钢管格构式结构。

2 垂直出线塔设计

2.1 塔柱截面尺寸选择

独立塔柱从受力要求上最好选用正方形截面，但本工程垂直出线塔塔柱窄面方向由于受出线间隔宽度影响不能超过2.5 m，沿出线方向的宽面参考750 kV构架塔柱的经济根开斜率H/16(H为变截面处高度)，确定宽为5.0 m，该宽度随塔柱高度增加而减小，在标高18.0 m以上保持宽2.5 m不变。

通过计算可以发现，采用2.5 m×6.0 m根开时，杆件应力比明显减小，腹杆由受压构件长细比控制，杆材未充分利用；采用2.5 m×4.0 m根开时，杆件应力比明显增大，有些腹杆的应力比较大，需要加大截面。这样小根开塔柱中杆件截面较大，整个结构通透性差，感观较笨拙。因此本工程垂直出线塔塔柱采用结构整体比例较协调的根开尺寸2.5 m×5.0 m。

对标高18.0 m以上塔柱截面尺寸由2.5 m×2.5 m减小到2.0 m×2.0 m，横担的截面尺寸相应减小。计算结果显示，挂导线的横担下弦杆截面、标高18.0 m以上的塔柱主杆截面均需加大一个型号，这样由减小柱截面尺寸引起的钢材量减少被加大主材截面引起的钢材量增加相抵消，而且柱顶位移相应增大到120 mm，超过了位移限值，因此塔柱标高18.0 m以上采用截面尺寸为2.5 m×2.5 m。

2.2 塔柱腹杆型式选择

对于单塔两回出线，本期只挂单回，远期挂两回；或者两回出线，一回挂2分裂LGJ-300/40导线，一回挂4分裂LGJ-300/40导线；或者单塔单回出线，塔柱承受很大的扭矩作用，因此塔柱腹杆选用对称布置的十字交叉杆及米字杆，抗扭性能好。

十字交叉腹杆体系常用于杆件较短处，在塔柱几何尺寸较大时往往因长细比控制而限制杆件截面，造成材料用量增多。本工程垂直出线塔塔柱窄面腹杆及标高10.5 m以上宽面腹杆采用十字交叉杆。米字形腹杆体系对减小塔柱主杆、横杆及斜杆的长细比很有益处，与十字交叉腹杆体系相比，若塔柱尺寸相同，其各种杆件的长细比均几乎减半，其缺点是节点数量多，有的节点较复杂，横隔杆件多，但这些杆件均较短，增加材料并不多。本工程塔柱标高10.5 m以下宽面腹杆采用米字杆。

2.3 塔柱横隔设计

塔柱在宽面采用米字形腹杆体系，在横杆中点由斜杆交汇，横杆水平面内必须加横隔来维持横杆在塔斜平面外的稳定。横隔的首要作用是维持塔身平面的几何不变性，对于十字交叉腹杆体系的窄面，尽管原则上没有横隔也能维持结构几何不变，但当塔的边数较多时斜杆抗塔身横截面变形的能力较弱，或塔柱变坡时横斜杆受力较大，也要用横隔增加塔身横截面的抗变形刚度。

a.横隔布置原则:①在横杆中间有斜杆交汇点的平面，原则上均要求布置横隔,若考虑横杆在此点的抗弯刚度，则要将横杆作为拉(压)弯构件进行计算才能保证结构的可靠性;②在塔柱变坡处要布置横隔,因为此处平面杆件受力大，要控制其变形才能抑制非线性变形的不利影响;③在其他情况下每隔2～3层也应设置横隔，以减少塔架平面变形的不利影响;④斜杆在再分式腹杆处，塔柱要设相应的横隔。

b.横隔在水平面内的布置原则:①将平面内每个节点连成几何不变的平面桁架;②尽可能使横隔计算长度减小。

2.4 横担设计

横担立面为三角形布置弦杆的悬挑结构，顶底面设十字交叉腹杆。A相、C相横担分别进行2种结构型式计算。

a.上弦杆从柱身到横担端部直线连接，不需弯折，横担顶面交叉腹杆不在同一平面，互不连接，腹杆长细比大，见图2。

图2 A相、C相横担上弦为直杆

b.在柱身处先设置类似三棱柱的格构支座，从支座到横担端部直线连接，上弦杆需要在支座处弯折，见图3。横担顶面交叉腹杆在同一平面，交叉点可连接，腹杆平面外的长细比计算采用与角钢肢边平行轴的回转半径ix，而图2中采用角钢最小回转半径iv，ix是iv的1.5倍，腹杆长细比约为图2中对应杆件长细比的2/3，因此顶面腹杆截面减小。横担上弦折杆所在平面的竖腹杆及斜腹杆增大，总体钢材量减少0.2%。但整个结构造型要比图2的型式显得笨重，因此A相、C相横担采用图2的结构型式。

图3 A相、C相横担上弦为折杆

2.5 塔柱与横担连接节点设计

塔柱与横担整体为刚性连接，立面为三角形的横担上下弦杆与塔柱通过节点板用普通螺栓铰接连接。塔柱节点处设环向板，一方面作为塔柱水平腹杆、横隔、横担弦杆及腹杆的连接板;另一方面加强塔柱主杆此处的抗扭刚度。A相、C相横担在水平面内与塔柱沿出线方向轴线间的夹角为42°，B相及地线横担为90°，采用环向板便于与各个方向的横担弦杆相连[8]。横担斜弦杆与塔柱通过竖向节点板连接，环向板作为此节点板的劲板起加强侧向刚度的作用。

3 垂直出线塔与门型构架结构对比

垂直出线塔结构沿垂直于出线方向的布置尺寸为1.25+31.0×5+46.0+31.0×6+1.25=389.5 m，而门型构架结构沿垂直于出线方向的布置尺寸为4.5+18.0×6+5.0+18.0×4+18.0+18.0×6+5.0+18.0×6+4.5=433.0 m，比垂直出线塔结构增加了43.5 m。2种结构见图4及图5。

a.钢材量对比

对2种结构分别建模进行计算，钢材量统计结果见表1、表2。

图4 垂直出线塔结构

图5 门型构架结构

表1 垂直出线塔钢材量

表2 门型构架钢材量

由表1、表2可知，垂直出线塔结构的钢材量比门型构架结构增加121.65 t，钢材单价按9300元/t计算，增加费用113.1万元。

b.承台混凝土量对比

承台混凝土量统计结果见表3、表4。

表3 垂直出线塔承台混凝土量

表4 门型构架承台混凝土量

由表3、表4可知，垂直出线塔承台混凝土量比门型构架增加121.1 m3，混凝土单价按600元/m3计算，增加费用7.3万元。

c.承台桩基对比

承台桩基统计结果见表5、表6。

由表5及表6可知，垂直出线塔承台桩基比门型构架减少76根，桩基单价按9043元/根计算，减少费用68.7万元。

4 结论

a.垂直出线塔的横担与塔柱采用便于节点连接的钢管格构式结构，塔柱采用钢管主杆和腹杆、节点板螺栓连接，腹杆采用抗扭性能好的十字交叉杆或米字杆，端部设槽型插板与节点板单剪连接。横担采用钢管弦杆、角钢腹杆、节点板螺栓连接，横担立面内弦杆三角形布置。A相、C相横担上弦杆从柱身到横担端部直线连接，不需弯折，横担顶面交叉腹杆不在同一平面，互不连接，底面腹杆十字交叉布置，交叉处螺栓连接；B相及地线横担顶底面腹杆十字交叉布置，交叉处螺栓连接。

表5 垂直出线塔承台桩基

表6 门型构架承台桩基

b.通过对垂直出线塔与门型构架的结构对比，可得出前者比后者增加费用51.7万元，但前者比后者沿垂直于出线方向节省了宽43.5 m的占地。