吳彌堅

(福建省建筑科學(xué)研究院 福建省綠色建筑技術(shù)重點實驗室 福建福州 350025)

某變電站220kV構(gòu)架檢測鑒定

吳彌堅

(福建省建筑科學(xué)研究院 福建省綠色建筑技術(shù)重點實驗室 福建福州 350025)

本文通過具體的工程實例，詳細(xì)介紹了變電站構(gòu)架檢測鑒定工作過程及一些經(jīng)驗體會，可為類似變電站構(gòu)架檢測鑒定工作提供參考。

變電站構(gòu)架；檢測；鑒定；承載能力

E-mail:wmj1981@126.com

引 言

隨著社會的發(fā)展，越來越多的上世紀(jì)八十年代建成的變電站構(gòu)架已超過其設(shè)計使用年限，為了貫徹國家的基本建設(shè)方針和技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策，做到安全可靠、先進(jìn)適用、經(jīng)濟(jì)合理、資源節(jié)約，迫切需求對這些變電站的構(gòu)架進(jìn)行檢測鑒定評估。

圖1 變電站220kV構(gòu)架結(jié)構(gòu)軸側(cè)圖

1 工程概況

本文介紹的變電站220 kV構(gòu)架為鋼筋混凝土柱鋼梁構(gòu)架，構(gòu)架柱采用鋼筋混凝土環(huán)形桿，其中(1)-(C) 軸、(1)-(E)軸、(2)-(A)軸、(3)-(A)軸、(10)-(A)軸、(15)-(C)軸及(15)-(E)軸為帶端撐人字柱，其余人字柱均為無端撐人字柱；構(gòu)架梁采用三角形或矩形斷面的格構(gòu)式鋼結(jié)構(gòu)梁，現(xiàn)狀構(gòu)架結(jié)構(gòu)軸側(cè)圖如(圖1)所示。該構(gòu)筑物分別于1982年及1985年分兩期建設(shè)而成。

該構(gòu)筑物使用年限已超過了原設(shè)計使用年限，為了解現(xiàn)狀構(gòu)筑物的安全狀況，對其進(jìn)行檢測、鑒定。因該構(gòu)架為重要樞紐變電站構(gòu)架，根據(jù)《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5457-2012)的相關(guān)規(guī)定，其安全等級為二級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γo為1.0，最低使用年限為50年。

2 變電站構(gòu)架結(jié)構(gòu)特點及檢查方案

該變電站構(gòu)架根據(jù)構(gòu)架梁斷開位置劃分為六個子結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)特點是柱高而斷面細(xì)小，屬于大柔度結(jié)構(gòu)，其力學(xué)模型類似于多跨連續(xù)排架-桁架結(jié)構(gòu)，柱下端為固接，柱梁節(jié)點為鉸接，構(gòu)架梁僅受軸力作用。變電站構(gòu)架受力主要以水平荷載為主，承受的主要水平荷載是導(dǎo)線及地線的張力，其次是風(fēng)力。導(dǎo)線張力的大小與導(dǎo)線的檔距、弧垂、自重、引下線重量有關(guān)。導(dǎo)線拉力包括出線間隔的高壓輸電線路的導(dǎo)線拉力、變電站內(nèi)進(jìn)線及母線的導(dǎo)線拉力，此數(shù)據(jù)一般由送電專業(yè)或變電專業(yè)提供。

根據(jù)該構(gòu)架特點，擬定檢查方案：檢查地基基礎(chǔ)是否存在不均勻沉降，上部結(jié)構(gòu)布置核查，構(gòu)架柱、梁構(gòu)件的截面尺寸與偏差核查，鋼筋混凝土環(huán)形柱的材料及鋼筋配置檢測，構(gòu)架柱平面內(nèi)、外的變形及裂縫檢測，構(gòu)架梁撓度及構(gòu)件銹蝕、焊縫質(zhì)量檢測，并根據(jù)檢測數(shù)據(jù)及提供的荷載、設(shè)計資料按現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行承載能力驗算。

3 現(xiàn)場檢測內(nèi)容及檢測結(jié)果

3.1 地基基礎(chǔ)

構(gòu)架柱均采用柱下鋼筋混凝土獨立基礎(chǔ)，采用杯口插入式連接方式。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查、勘測，基礎(chǔ)周邊地面未見明顯沉陷，上部結(jié)構(gòu)未見明顯因基礎(chǔ)不均勻沉降引起的裂縫及變形。

3.2 上部結(jié)構(gòu)

3.2.1 構(gòu)架連接構(gòu)造檢查

經(jīng)現(xiàn)場檢查，端撐與人字柱邊柱的連接采用銷釘連接；鋼橫梁與人字柱的連接采用螺栓連接；連接人字柱桿段對接處采用鋼梁或角鋼桁架與預(yù)埋鋼圈焊接或抱箍連接，符合(DL/T 5457-2012)要求。但鋼筋混凝土環(huán)形人字柱柱頭均采用鋼柱帽連接，未設(shè)置剪力板如(圖2)；鋼梁單角鋼主材接頭采用單面外包角鋼焊接，但外包角鋼規(guī)格小于被連接角鋼規(guī)格如(圖3)，不符合(DL/T 5457-2012)要求。

圖2 鋼柱帽未設(shè)置剪力板 圖3 外包角鋼規(guī)格小于被連接角鋼規(guī)格

3.2.2 構(gòu)架施工質(zhì)量檢測

現(xiàn)場抽樣檢測施工質(zhì)量，結(jié)果如下：

(1)結(jié)構(gòu)平立面布置與原設(shè)計基本相符。構(gòu)架柱截面尺寸、根開及柱高比、鋼梁截面尺寸及跨高比均與設(shè)計基本相符。但避雷針高度較原設(shè)計降低6 m；部分鋼柱帽頂板或加勁板厚度較原設(shè)計變大一個規(guī)格。

(2)采用回彈法[3]檢測的鋼筋混凝土構(gòu)架柱現(xiàn)齡期砼強(qiáng)度均可滿足設(shè)計強(qiáng)度等級300#的要求。

(3)所檢鋼筋混凝土構(gòu)架柱鋼筋配置基本符合設(shè)計要求。

3.2.3 構(gòu)架構(gòu)件工作現(xiàn)狀檢測主要結(jié)果

(1)人字柱及橫梁撓度變形

采用全站儀檢測的多數(shù)構(gòu)架柱平面內(nèi)、外撓度變形超過規(guī)范規(guī)定的人字柱允許撓度值，少數(shù)構(gòu)架梁撓度值超過規(guī)范規(guī)定的構(gòu)架橫梁允許撓度值[1]。

(2)鋼筋混凝土人字柱、鋼構(gòu)件及其連接節(jié)點工作現(xiàn)狀及焊縫質(zhì)量檢查

經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，由于年久失修，個別構(gòu)架柱局部混凝土脹裂脫落、鋼筋銹蝕；多處鋼柱帽、鋼橫梁、避雷針、柱頂連接節(jié)點表面出現(xiàn)銹斑，個別鋼橫梁嚴(yán)重銹蝕；個別上柱與人字柱連接節(jié)點焊縫存在未焊滿、不均勻現(xiàn)象，連接不可靠；個別上橫梁與上柱連接螺栓缺失或銹蝕；個別帶端撐構(gòu)架柱柱間三角形連接件與柱預(yù)埋鋼圈連接處銹蝕，螺栓未擰緊、焊縫不均勻，等病害如(圖4～圖7)。

圖4 構(gòu)架柱混凝土脫落，鋼筋外露、銹蝕 圖5 鋼橫梁嚴(yán)重銹蝕

圖6 三角形連接件與柱預(yù)埋鋼圈連接處銹蝕 圖7 人字柱柱帽節(jié)點板構(gòu)件局部銹蝕

4 變電站構(gòu)架承載能力計算

根據(jù)現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)并結(jié)合設(shè)計圖紙，采用通用有限元軟件SAP2000進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載力驗算分析。根據(jù)本工程構(gòu)架的分布特點，以整體構(gòu)架梁斷開為結(jié)構(gòu)縫，將整個構(gòu)架分為多個子結(jié)構(gòu)，分析則以單個子結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行，具體計算如下：

4.1 荷載及荷載工況

變電站構(gòu)架受力主要以水平荷載為主，承受的主要水平荷載是導(dǎo)線及地線的張力，其次是風(fēng)力。導(dǎo)線張力的大小與導(dǎo)線的檔距、弧垂、自重、引下線重量有關(guān)。導(dǎo)線拉力包括出線間隔的高壓輸電線路的導(dǎo)線拉力、變電站內(nèi)進(jìn)線及母線的導(dǎo)線拉力，此數(shù)據(jù)一般由送電專業(yè)或變電專業(yè)提供。

4.1.1 計算分析考慮作用在構(gòu)架上的荷載主要如下：

永久荷載：結(jié)構(gòu)自重、導(dǎo)(地)線自重所產(chǎn)生的垂直荷載和水平張力；

可變荷載：風(fēng)荷載、安裝及檢修所產(chǎn)生的荷載[1]。

4.1.2 計算構(gòu)架承載能力極限狀態(tài)的三種基本工況為：

運行工況：最大風(fēng)氣象條件下的導(dǎo)線張力，最大風(fēng)速作用下的結(jié)構(gòu)風(fēng)壓，風(fēng)向與導(dǎo)線作用方向垂直。最低氣溫條件下的導(dǎo)線張力、自重。

安裝工況：安裝氣象條件下的導(dǎo)線張力，結(jié)構(gòu)風(fēng)壓，計算風(fēng)速取v=10 m/s,計入緊線產(chǎn)生的垂直荷重，同時梁上的緊線相有2 kN的人及工具的集中荷重，只按單相緊線計算，不安三相同時緊線計算。

檢修工況：單相或三相導(dǎo)線同時上人條件下的導(dǎo)線張力，結(jié)構(gòu)風(fēng)壓，計算風(fēng)速取v=10 m/s,橫梁上不作用任何附加荷載。

在計算溫度變化作用效應(yīng)時，可按冬季低溫或夏季高溫條件下安裝，在最大風(fēng)環(huán)境氣溫條件下運行，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力應(yīng)與最大風(fēng)工況的導(dǎo)線張力和最大風(fēng)荷載組合[1]。

4.2 材料強(qiáng)度

砼強(qiáng)度：根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，構(gòu)架柱砼強(qiáng)度等級取C28。

鋼筋強(qiáng)度：帶肋鋼筋B強(qiáng)度值取300 MPa，光圓鋼筋A(yù)強(qiáng)度設(shè)計值取210 MPa。

4.3 計算長度的確定

本工程構(gòu)架柱柱腳均為固接，平面內(nèi)均設(shè)有水平橫桿，根據(jù)《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5457-2012)規(guī)定，人字柱水平橫桿上下段計算長度系數(shù)平面內(nèi)均取1.00，平面外取0.60；端撐構(gòu)架柱計算長度取0.7。格構(gòu)式鋼橫梁的計算長度系數(shù)按現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定計算確定。

4.4 驗算分析

采用SAP2000有限元程序建立該子結(jié)構(gòu)整體有限元分析模型，如(圖8、9)所示(因該構(gòu)架由多個子結(jié)構(gòu)組成，限于篇幅，本文僅給出其中一個子結(jié)構(gòu)計算結(jié)果)。

圖8 整體分析模型 圖9 局部模型

4.4.1 上部鋼結(jié)構(gòu)驗算結(jié)果

長細(xì)比驗算結(jié)果：上部鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件長細(xì)比最大值接近200，為鋼橫梁的腹桿(直徑為16圓鋼)，可滿足《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5457-2012)第6.3.1條及《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50017-2003)第5.3.8條和第5.3.9條要求。但GZ-(1)-(C)三角形連接件之間所有拉桿的長細(xì)比均超過300，不滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50017-2003)第5.3.9條要求。

強(qiáng)度和整體穩(wěn)定驗算結(jié)果：上部鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力比最大值為0.64，為鋼橫梁的腹桿(直徑為18圓鋼)，其余應(yīng)力比均較小，滿足《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5457-2012)第7.2.3規(guī)定。

4.4.2 人字柱驗算結(jié)果

長細(xì)比驗算結(jié)果：根據(jù)《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5457-2012)第6.3.4規(guī)定，鋼筋混凝土環(huán)形構(gòu)件長細(xì)比計算公式如下：

λ=3.35L0/D

式中：L0——構(gòu)件的計算長度；D——構(gòu)件的外直徑。

由上式可得，鋼筋混凝土環(huán)形截面人字柱的最大長細(xì)比：λ=3.35×15000/300=168<180，滿足《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5457-2012)第6.3.3規(guī)定。

強(qiáng)度驗算結(jié)果：根據(jù)《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5457-2012)第8.2.1規(guī)定，鋼筋混凝土環(huán)形構(gòu)件的承載力應(yīng)滿足下列條件：

M≤Mu

N≤Nu

式中：M——彎矩設(shè)計值；N——軸心力設(shè)計值；Mu——受彎構(gòu)件的承載力設(shè)計值；Nu——軸心受壓或偏心受壓構(gòu)件的承載力設(shè)計值。

根據(jù)《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5457-2012)第8.2.2～8.2.6規(guī)定，可分別求得鋼筋混凝土環(huán)形截面柱受壓、受彎承載力設(shè)計值，Nu=151.45 kN(人字柱標(biāo)高為15.000 m)，Nu=288.94 kN(人字柱標(biāo)高為10.000m)；Mu=75.46 kN.m。

經(jīng)計算分析可知，人字柱標(biāo)高為15.0m軸力最大值為185.73kN<288.94 kN，人字柱標(biāo)高為10.0 m的軸力均小于151.45 kN；彎矩最大值為18.25 kN.m

4.5 驗算小結(jié)

除帶端撐構(gòu)架柱三角形連接件拉桿長細(xì)比不滿足要求外，其余上部鋼構(gòu)件及下部人字柱的長細(xì)比、強(qiáng)度和整體穩(wěn)定均可滿足《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5457-2012)和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50017-2003)的相關(guān)規(guī)定。

5 檢測結(jié)論及處理意見

以上分析表明，該變電站構(gòu)架地基基礎(chǔ)、上部承重結(jié)構(gòu)等的安全性基本可滿足規(guī)范要求。但尚存在部分構(gòu)件長細(xì)比、人字柱柱頭鋼柱帽連接、鋼梁單角鋼主材接頭連接、構(gòu)架柱及鋼橫梁的撓度變形不滿足規(guī)范要求，個別構(gòu)架柱局部混凝土脹裂脫落、鋼筋銹蝕，多處鋼橫梁、避雷針、柱頂連接節(jié)點表面出現(xiàn)銹斑，個別鋼橫梁嚴(yán)重銹蝕，連接節(jié)點焊縫存在未焊滿、不均勻現(xiàn)象，連接不可靠等問題，建議進(jìn)行處理。

6 總結(jié)

變電站構(gòu)架的檢測鑒定應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞可能產(chǎn)生的后果的嚴(yán)重性，采用不同的安全等級和結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，最低年限也應(yīng)根據(jù)不同的構(gòu)架類型及變電站電壓等級來確定。

相對于普通建筑物項目的檢測鑒定來說，變電站構(gòu)架在現(xiàn)場檢測過程中應(yīng)檢查構(gòu)架柱、梁的連接構(gòu)造，人字柱的平面內(nèi)、外變形及構(gòu)架梁撓度變形；并注意在經(jīng)過一段時間使用后，鋼筋混凝土環(huán)形桿較易出現(xiàn)縱、環(huán)向裂縫以及內(nèi)部鋼筋銹蝕老化等問題；鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件較易出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象及連接節(jié)點焊縫是否可靠等問題。

驗算時可采用空間有限元計算軟件進(jìn)行分析，一般可按空間桿系結(jié)構(gòu)或空間桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計算，結(jié)構(gòu)建模時注意整個結(jié)構(gòu)必須是不變體系，所有節(jié)點必須是穩(wěn)定的節(jié)點，如交叉腹桿不得中斷，否則交叉節(jié)點在桿件平面外將形成可變體系。變電站構(gòu)架承受的荷載主要以水平荷載為主，包括導(dǎo)線及地線的張力，其次是風(fēng)力；還應(yīng)注意不同結(jié)構(gòu)形式的構(gòu)架人字柱的計算長度取值，格構(gòu)式鋼結(jié)構(gòu)的計算長度系數(shù)應(yīng)按現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定計算確定。

另外，由于變電站構(gòu)架的檢測過程涉及到高空、帶電作業(yè)，對于這類工程的現(xiàn)場檢測，應(yīng)對檢測工程師進(jìn)行相關(guān)培訓(xùn)，達(dá)到要求后方能上崗。

[1]DL/T 5457-2012,變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程[S].

[2]GB 50204-2002,混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范[S].

[3]DBJ 13-71-2006,回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程[S].[4]JGJ 8-2007,建筑變形測量規(guī)程[S].

[5]GB 50017-2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

Inspection and Appraisal of 220kV Substation structures

WUMijian

(Fujian Academy of Building Reasearch, Fujian Key Laboratory of Green Building Technology, Fuzhou 350025)

Through a practical case for substation structures, the process of detection and appraisal of substation structures was introduced in detail in this paper, and some experience was also demonstrated. The case can be a reference for the similar ones.

Substation structures；Inspection; Appraisal；Bearing capacity

吳彌堅(1981- )，男，工程師。

2015-04-01

TU3

A

1004-6135(2015)05-0037-04