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某750kV联合构架有限元软件计算对比分析

范文

鞠洪涛徐光彬欧阳红

摘 ? 要：为保证变电站750 kV构架计算结果安全可靠、经济合理，该文以某变电站典型多跨联合构架为例，选用工程上常用的3种结构设计软件，即SAP2000、STAAD/CHINA、MIDAS/Gen。之后对联合构架进行整体建模，对比柱顶位移、轴力、梁位移及应力比，分析3种软件的计算结果，为变电站联合构架采用有限元软件进行计算提供了可靠依据。

关键词：应力比;有限元软件;750 kV联合构架;轴力;SAP2000

中图分类号： TP391 ? 文献标志码：A

变电站作为电力运输的枢纽，其安全性关系到人民群众的生产和生活。变电站设计的安全性显得尤为重要，变电站750 kV联合构架是变电站土建结构设计的核心技术，相比传统变电构架，750 kV及以上特高压变电构架的高度、跨度及荷载水平均较高，其构架结构的准确计算是保证变电站设计达到安全适用、经济合理的重要前提条件之一。750 kV构架结构通过计算分析，合理选型，可以有效减少占地面积、节省用钢量、节约土地资源和降低工程造价，并取得了显著的经济效益和社会效益。

1 3种软件简介

1.1 ?SAP2000简介及构架模型建立

SAP2000是一个集成化的通用结构分析和设计软件。具备友好的用户界面，它可以对包括桥梁、体育场馆、高塔、工业厂房、近海结构、管道系统、建筑结构、大坝、土壤、机械等不同体系类型的结构进行分析和设计，也可以根据需要完成世界大多数国家和地区的结构设计。

SAP2000进行构架模型建立的方法及主要步骤有4个。1）导入CAD塔架模型，定义组及框架属性，将框架属性赋予于塔架构件。2）定义约束。主材采用刚接，其余杆件采用铰接，同时梁柱采用铰接。塔架结构与基础采用刚接。3）根据塔架所受荷载进行荷载定义与赋予，然后进行荷载组合。4）运行分析及后处理。

1.2 STAAD/CHINA简介及构架模型建立

STAAD/CHINA是全球首屈一指的三维结构分析与设计工程软件，包含STAAD.Pro和SSDD 2个部分。可通过其灵活的建模环境、高级的功能和流畅的数据协同进行电力、涵洞、石化工厂、隧道、桥梁、桥墩等几乎任何设施的钢结构、混凝土结构、木结构、铝结构和冷弯型钢结构的设计。

STAAD/CHINA进行构架模型建立的方法及主要步骤有4个。1）输入结构的几何模型，可在CAD中画好三维图后直接在程序中调出。定义杆件截面特性，输入杆件的材料特性和几何常数。2）支座及杆件特性定义。支座处采用刚接，主材之间采用刚接，其余杆件采用铰接。3）输入各工况的基本荷载及荷载组合。4）运行分析及后处理。

1.3 ?MIDAS/Gen简介及构架模型建立

MIDAS/Gen是为了能够迅速完成对结构的分析和设计而开发的，建筑及土木结构通用的结构分析与优化设计软件。在结构设计方面，MIDAS/Gen全面强化了实际工作中，結构分析时所需要的分析功能，从而计算出更加准确的、切合实际的分析结果。

MIDAS/Gen进行构架模型建立的方法及主要步骤有4个。1）定义框架截面，导入CAD文件，并将截面属性赋予构架杆件上。2）支座及杆件特性定义。支座处采用刚接，主材之间采用刚接，其余杆件采用铰接。3）荷载定义与荷载组合，并将荷载施加在构架上。4）运行分析，查看分析结果。

2 ?荷载及荷载组合

2.1 ?风荷载

风荷载标准值按公式（1）计算：

ωk =βz μz μsω0 ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：ω0—基本风压，可按照ω0=υ2/1600近似计算，小风工况取与风速10 m/s对应的基本风压，即0.063 kN/m2。大风工况取该地区50年一遇的风压值，但不得小于0.3 kN/m2。μs—体形系数，可根据杆件和节点挡风的净投影面积与轮廓线面积计算其挡风系数，再根据《变电站建筑结构设计规程》得到风荷载体形系数。βz—风振系数，风振系数的取值参照《变电站建筑结构设计规程》[1]，格构式塔架结构风振系数取1.5。μz—风压高度变化系数，根据变电站所处的地理环境取值。

作用在构架柱上的风荷载等于各柱段风荷载标准值乘以其杆件直径，得到的线荷载值在软件中以均布线荷载形式施加。作用在母线梁上的风荷载等于挡风面积乘以标准值，经挡风系数折减后，对称分配到桁架梁的上下弦杆上，最终以桁架梁上下弦杆的均布线荷载形式施加。X方向风荷载施加效果图如图1所示。

2.2 ?导线荷载

进、出线和母线梁除承受风荷载以外，还承受导线荷载，其作用集中在3个挂线点处，电气专业所提的导线荷载见表1。

2.3 ?荷载组合

构件设计时根据使用过程中在结构上可能同时出现的荷载，按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载组合，并根据各自的最不利的效应组合进行设计[1-2]。

荷载组合时，各荷载的分项系数按以下4项规定选取。1）对于永久荷载，当其效应对结构不利时，由可变荷载效应控制的组合应取1.2，由永久荷载效应控制的组合应取1.35。当其效应对结构有利时，一般情况下应取1.0，对结构的倾覆、抗拔计算应取0.9。2）对于可变荷载，一般情况下应取1.4，对温度变化作用应取1.0，对地震作用应取1.3。3）偶然荷载作用的分项系数取1.0。4）导线荷载的分项系数一般情况下应取1.3。

根据《变电站建筑结构设计规程》，按照承载能力极限状态与正常使用极限状态选择荷载组合。荷载效应基本组合主要有运行工况、安装工况、检修工况、地震作用效应组合和荷载效应的偶然组合。其中运行工况包括大风工况、覆冰有风工况、温度作用工况。

3 ?截面和材料选择

考虑到进出线柱、母线柱、进出线构架柱横杆及进出线构架梁弦杆受力较大，选用强度较高的Q345（Q355）钢材，其余部位构件由于受力较小，选用Q235钢材[3]。在截面选择中，先预先根据工程经验选择各类杆件的截面尺寸，再反复调整其截面尺寸大小，使其控制应力比大小在合理范围。该部分较为烦琐，主要工作在建模过程中体现，在此不做过多赘述。

4 计算结果对比分析

4.1 ?柱顶位移、梁跨中位移对比

在各种工况数据中，根据计算分析结果，其中大风不利工况下对应X方向柱顶位移最大，其组合形式为

1.2GK+1.3D11K+1.4WK （2）

式中：GK—结构自重及其他横荷载效应标准值。D11K— 大风气象条件下导线荷载效应标准值。WK— 大风气象条件下作用于构架和导线上的风荷载标准值。

图2为分析所得的构架的沿X方向位移变形图，表2为大风不利工况下地线柱端节点位移对比。

在各种工况数据中，温度作用工况下对应梁跨中Z向位移最大，其组合形式为

1.2GK+1.3D13K+1.4W10K+1.0Δt-40 （3）

式中：Gk—结构自重及其他横荷载效应标准值，D13k— 最低气温气象条件下导线荷载效应标准值，W10k— 对应风速10 m/s 的作用于构架和导线上的风荷载标准值，Δt-40—夏季安装，最低日计算平均气温下运行时的温度作用效应，计算温差t=-40℃。

该工况下对比结果见表3。

4.2 ?轴力、应力比对比

在各种工况数据中，其中X方向大风有利工况下对应进出线柱轴力最大，其组合形式为

1.0GK+1.3D11K+1.4WK （4）

其效果图如图3所示，表4为进出线柱在该工况下轴力对比。图中1-8为构架柱柱段编号，A为支座节点。

应力比云图如图4所示。取进出线构架柱编号部分进行应力比对比，结果见表5。

5 ?结语

根据以上柱顶位移、梁跨中位移、轴力及应力比的对比，可知3种软件分析差异较小，结果计算差异值对比均在10%以内，证明3种软件计算结果的一致性，为变电站联合构架采用有限元软件进行对比计算提供可靠依据，保证了计算结果的安全可靠、经济合理有效性。

参考文献

[1]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：中國计划出版社，2012：9-11.

[2] 中南电力设计院.变电构架设计手册[M].武汉：湖北科学技术出版社，2006.

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部.钢结构设计标准：GB50017—2017[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2017：16-23.

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