徐 帥，張涵寧

(中國電力工程顧問集團東北電力設(shè)計院有限公司，長春 130021)

在變電站和電廠設(shè)計中常用的構(gòu)架上避雷針形式包括變斷面單桿式鋼管和角鋼格構(gòu)式。角鋼格構(gòu)式避雷針橫截面為矩形或三角形，主材一般為角鋼或鋼管，輔材為角鋼，格構(gòu)式避雷針取材容易，不受加工條件限制，但由于桿件多，螺栓連接或焊接工程量較大，導致加工安裝比較復雜;另外，由于格構(gòu)式避雷針是空間桿系結(jié)構(gòu)，計算和繪圖工作量較大。變斷面單桿式鋼管避雷針優(yōu)點是桿件較少，與角鋼格構(gòu)式避雷針相比，單桿式鋼管避雷針由幾根錐形鋼管套接而成，設(shè)計加工和安裝都比較簡單，大大減少了設(shè)計和施工工作量。構(gòu)架上的單桿式鋼管獨立避雷針根據(jù)高度不同一般由3～5段組成，受鍍鋅槽及運輸條件等限制，每段鋼管桿件的長度一般不超過12 m。避雷針下部由幾根錐形管套接而成，采用插接方式連接簡單，但為了避免亞臨界的微風共振影響，所需桿件的截面較大［1－3］。下面以某500 kV變電站工程為例，對變斷面單桿式鋼管和角鋼格構(gòu)式兩種避雷針的受力性能以及用鋼量情況進行對比和分析。

1 工程概況

某500 kV變電站為了滿足電氣保護需要，需要在站中220 kV過渡構(gòu)架上設(shè)置避雷針。

該變電站站址所在地10 m高度處50年一遇10 min的平均最大風速為29.9 m/s，其相應的基本風壓為0.56 kN/m2。避雷針位于15.5 m高的構(gòu)架之上，假定針尖長度1.5 m，避雷針主體長度為18 m，構(gòu)架上避雷針示意圖見圖1，圖中單位為m。下面采用MIDAS結(jié)構(gòu)分析軟件對2種構(gòu)架上避雷針的受力性能進行分析。

圖1 構(gòu)架上避雷針示意圖

2 避雷針性能對比分析

2.1 避雷針設(shè)計參數(shù)及計算模型

本研究中避雷針鋼材采用Q345B級，密度為7 850 kg/m3，彈性模量為 200 GPa，泊松比為 0.3。避雷針承受的荷載主要有自重及風荷載。2種形式避雷針模型以及加載示意圖分別見圖2、圖3。

圖2 構(gòu)架上避雷針模型

圖3 模型加載示意圖

變斷面單桿式鋼管避雷針頂部管徑D1=410 mm，底部管徑D2=476 mm。根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中第8.5.3條規(guī)定計算，變斷面單桿式鋼管避雷針結(jié)構(gòu)基本自振周期T=0.234 s，按照公式(1)(2)計算臨界風速vcr和結(jié)構(gòu)頂部風速vH:

式中:D為結(jié)構(gòu)截面的直徑，當結(jié)構(gòu)的截面沿高度縮小時(傾斜度不大于0.02)，可近似取2/3結(jié)構(gòu)高度處的直徑;Ti為結(jié)構(gòu)第i陣型的自振周期，驗算亞臨界微風共振時取基本自振周期T1;St為斯托羅哈數(shù)，對圓截面結(jié)構(gòu)取0.2;μH為結(jié)構(gòu)頂部風壓高度變化系數(shù);w0為基準風壓;ρ為空氣密度。

計算得到 vcr=9.70 m/s，vH=35.44 m/s。

根據(jù)GB 50009—2012，按照公式(3)計算雷諾數(shù)Re:

式中:v為計算所用風速，可取臨界風速值vcr。

計算得到 Re=300 164.5。雷諾數(shù)3×105≤Re≤3×106時，發(fā)生超臨界范圍的風振，可不考慮橫向風振作用。

角鋼格構(gòu)式避雷針底部跟開為0.5 m，頂部寬度為0.25 m。自下而上0～6m高度范圍內(nèi)節(jié)間尺寸為0.75 m，6～18 m高度范圍內(nèi)節(jié)間尺寸為0.5 m。構(gòu)架上避雷針邊界條件假定為鉸接。

2.2 性能對比分析

運用MIDAS結(jié)構(gòu)分析軟件，依照荷載規(guī)范［4］的荷載組合情況，分別得到2種形式避雷針的應力、變形以及用鋼量情況，2種形式避雷針的應力比見圖4。

圖4 避雷針應力比

通過分析可知，2種形式的避雷針在荷載作用下，變斷面單桿式鋼管避雷針最大應力為65.8 MPa，角鋼格構(gòu)式避雷針桿件最大應力為 105.9 MPa，兩者均低于設(shè)計應力，結(jié)合圖4的桿件應力比可以發(fā)現(xiàn)，角鋼格構(gòu)式避雷針桿件的使用效能更高。而2種形式避雷針的最大變形出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)頂部，變斷面單桿式鋼管避雷針最大變形為98.5 mm，角鋼格構(gòu)式避雷針最大變形為47.9 mm，前者約為后者的2倍，兩者的最大變形均小于結(jié)構(gòu)高度的1/100。

在用鋼量方面，變斷面單桿式鋼管避雷針需用鋼材1 507 kg，而角鋼格構(gòu)式避雷針所需鋼材為1 115 kg，后者用鋼量約為前者的74%。

由于變斷面單桿式鋼管避雷針為了保證其發(fā)生超臨界范圍的風振，避免受到橫向風振作用的影響，桿件截面直徑相對較大，從而整體用鋼量高于角鋼格構(gòu)式避雷針。在風荷載作用下，由于角鋼格構(gòu)式避雷針的桿件較多，跟開是變斷面單桿式鋼管避雷針底部直徑的2倍以上，前者總的擋風面積大于后者，導致前者承受較大的風荷載，前者的桿件最大應力相應大于后者。同時，角鋼格構(gòu)式避雷針整體剛度優(yōu)于變斷面單桿式鋼管避雷針，在荷載作用下的最大變形小于變斷面單桿式鋼管避雷針，也意味著在實際應用中頂部針尖的擺動更小，給人更高的感觀安全性。

對于設(shè)計人員而言，采用變斷面單桿式鋼管避雷針首先需要判斷其是否出現(xiàn)跨臨界強風共振，如果 Re＜3×105，或 Re≥3.5×106時，還需進一步確定vH值，才能判別橫風向風振情況，增加了設(shè)計過程的復雜性。

3 結(jié)論

a.本文運用MIDAS結(jié)構(gòu)分析軟件對變電站構(gòu)架上2種形式避雷針進行受力分析，分別得到兩者的受力和變形情況。2種形式構(gòu)架上避雷針，在滿足規(guī)范［4-6］要求的前提下，變斷面單桿式鋼管避雷針使用效能低于角鋼格構(gòu)式避雷針。在變形方面，變斷面單桿式鋼管避雷針的高于角鋼格構(gòu)式避雷針。而在用鋼量方面，角鋼格構(gòu)式避雷針約為變斷面單桿式鋼管式的74%。

b.針對2種構(gòu)架上避雷針的研究，可以看出盡管角鋼格構(gòu)式避雷針的桿件較多，安裝相比與變斷面單桿式鋼管避雷針較為復雜，但從結(jié)構(gòu)性能、安全性和經(jīng)濟性角度綜合考慮，角鋼格構(gòu)式避雷針優(yōu)于變斷面單桿式鋼管避雷針。