王朝華，趙桂峰，劉 冉，陳怡文

(1.國(guó)家電網(wǎng)河南省電力公司 電力科學(xué)研究院，河南 鄭州 450052； 2.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

0 引言

現(xiàn)代大型變電站中常用的變電構(gòu)架和避雷針是鋼管結(jié)構(gòu)，它具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、受力明確、輕質(zhì)高強(qiáng)[1-2]等特點(diǎn)，尤其適合標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)和制作。其中構(gòu)架避雷針是由法蘭將各段鋼管連接而成的單管構(gòu)件，高度一般在20～50 m[3]，屬于典型的高聳結(jié)構(gòu)，在風(fēng)荷載作用下，避雷針各段連接處易產(chǎn)生振動(dòng)累積損傷，在薄弱位置甚至可能發(fā)生斷裂。近年來(lái)，在役構(gòu)架避雷針斷裂事故時(shí)有發(fā)生[4]，如元江220 kV 變電站、東嶼220 kV 變電站和寧夏某750 kV 變電站。2014年12月，河南某500 kV變電站構(gòu)架避雷針出線側(cè)發(fā)生折斷事故，斷口位于避雷針和橫梁的相貫T型節(jié)點(diǎn)處，表現(xiàn)為避雷針底座鋼管橫梁撕裂。

迄今為止，關(guān)于構(gòu)架避雷針斷裂原因的分析主要是從材料化學(xué)成分、金相組織等方面進(jìn)行[4]，對(duì)于避雷針及其相貫節(jié)點(diǎn)的受力特性尤其是風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)等方面的研究較少，使得標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)制作的構(gòu)架避雷針仍不能較好地反映其在實(shí)際復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的受力特點(diǎn)。為此，采用ANSYS軟件建立典型構(gòu)架避雷針結(jié)構(gòu)的有限元模型，按照DL/T5457—2012《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》[5]推薦的設(shè)計(jì)方法，將風(fēng)荷載等效為靜力作用施加在結(jié)構(gòu)上，分析典型構(gòu)架避雷針結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載工況下的承載特點(diǎn)和薄弱環(huán)節(jié)，在此基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)分析并提出加固建議，以期為類(lèi)似構(gòu)架避雷針結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和日常維護(hù)提供依據(jù)。

1 構(gòu)架避雷針結(jié)構(gòu)的有限元模型

以河南省某500 kV高壓變電站中的出線側(cè)變電構(gòu)架[6]為研究對(duì)象，按照原設(shè)計(jì)圖紙可得到其整體構(gòu)架避雷針的計(jì)算模型和部分構(gòu)件尺寸，如圖1所示。該變電構(gòu)架共六跨，中間和右邊跨各設(shè)一根避雷針，材料為Q235B，避雷針由6段圓鋼管連接而成，自下而上各段鋼管規(guī)格分別為：D1D2(φ325×8)、D2D3(φ325×10)、D3E1(φ(325/220)×6)、E1E2(φ140×4)、E2E3(φ89×5)、E3E4(φ48×3.5)，各段長(zhǎng)度及標(biāo)高如圖1所示。構(gòu)架橫梁采用Q345B圓鋼管，規(guī)格為φ480×6，每跨橫梁中都有3個(gè)位置留有掛導(dǎo)線孔；同時(shí)，在未設(shè)置避雷針的各構(gòu)架柱上部還設(shè)有懸掛地線的地線柱，地線柱亦采用Q235B圓鋼管，規(guī)格為φ325×8。構(gòu)架柱為人字形，兩端沿y向分別設(shè)置側(cè)向支撐，同時(shí)沿柱高方向設(shè)置兩道橫撐；構(gòu)架柱和支撐桿件均采用Q235B鋼材，除最上層橫撐(如C1C2)采用L89×7角鋼外，其他桿件均采用φ325×8圓鋼管。構(gòu)架跨度及支柱間距詳見(jiàn)圖1。

圖1 變電構(gòu)架避雷針結(jié)構(gòu)計(jì)算模型示意圖Figure 1 Schematic diagram of a substation framework with lightning rods

選用Beam188單元[7]模擬構(gòu)架桿件，取雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型BKIN模擬Q235B 和Q345B鋼材本構(gòu)關(guān)系，屈服強(qiáng)度分別為 235 MPa 和345 MPa，彈性模量和泊松比分別為2.06×105MPa 和0.3，強(qiáng)化模量取0.02倍彈性模量。最終建立的有限元模型如圖2所示，共有 3 418 個(gè)節(jié)點(diǎn)和3 310 個(gè)單元，所有桿件均采用剛性連接，各構(gòu)架柱底部均采用固定端約束。

圖2 變電構(gòu)架避雷針結(jié)構(gòu)的有限元模型圖Figure 2 Finite element model of the substation framework with lightning rods

2 構(gòu)架避雷針結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)荷載工況及靜力承載力分析

2.1 設(shè)計(jì)荷載工況

根據(jù)規(guī)范[5]的規(guī)定，設(shè)計(jì)變電構(gòu)架時(shí)，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)可能同時(shí)出現(xiàn)的不同荷載，并按各工況下的最不利效應(yīng)組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于該變電構(gòu)架所在地的基本風(fēng)壓w0=0.35 kN/m2，根據(jù)風(fēng)壓和風(fēng)速的換算關(guān)系，可換算出10 m 高處的設(shè)計(jì)風(fēng)速v=23.66 m/s。安裝和檢修時(shí)取風(fēng)速v=10 m/s，對(duì)應(yīng)的基本風(fēng)壓為w0=0.0 625 kN/m2，該值小于規(guī)范[5]規(guī)定的最小基本風(fēng)壓0.30 kN/m2，故靜力設(shè)計(jì)時(shí)仍選用最小基本風(fēng)壓。由此可列出構(gòu)架避雷針結(jié)構(gòu)在承載能力極限狀態(tài)時(shí)的以下5種荷載效應(yīng)組合工況：

①大風(fēng)工況：1.2恒荷載+1.3導(dǎo)(地)線荷載(大風(fēng)條件)+1.4結(jié)構(gòu)風(fēng)壓(取v=23.66 m/s)；

②最大覆冰工況：1.2恒荷載+1.3導(dǎo)(地)線荷載(覆冰情況)+1.4結(jié)構(gòu)風(fēng)壓(取v=10 m/s)；

③溫度工況：1.2恒荷載+1.3導(dǎo)(地)線荷載(最高溫度)+1.0溫度作用+1.4結(jié)構(gòu)風(fēng)壓(取v=10 m/s)；

④安裝工況：1.2恒荷載+1.2導(dǎo)(地)線荷載(安裝條件)+1.4結(jié)構(gòu)風(fēng)壓(取v=10 m/s)；

⑤檢修工況：1.2恒荷載+1.2導(dǎo)(地)線荷載(檢修條件)+1.4結(jié)構(gòu)風(fēng)壓(取v=10 m/s)。

進(jìn)行荷載工況組合時(shí)，結(jié)構(gòu)自重可在ANSYS軟件中通過(guò)施加重力加速度的方式自動(dòng)計(jì)入。由于導(dǎo)(地)線本身細(xì)且柔，對(duì)結(jié)構(gòu)整體的剛度影響很小，因此建模時(shí)只在構(gòu)架相應(yīng)位置施加導(dǎo)(地)線的三相荷載，具體數(shù)值見(jiàn)表1。由表1知，導(dǎo)(地)線的張力有3種類(lèi)型：水平張力、垂直荷重和側(cè)向張力，分別對(duì)應(yīng)于模型的x、z和y向。

根據(jù)表1,可判斷設(shè)計(jì)最大風(fēng)速工況、檢修上人三相各100 kg和檢修上人單相150 kg工況為結(jié)構(gòu)的不利工況。按照上述參數(shù)和不利工況條件，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)荷載組合效應(yīng)下的靜力承載力分析，結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，避雷針根部到中間變截面處(標(biāo)高15～15.5 m)的應(yīng)力值較大；總體上看設(shè)計(jì)最大風(fēng)荷載垂直構(gòu)架長(zhǎng)度方向(x向)作用時(shí)為最不利工況組合。因此本文以設(shè)計(jì)風(fēng)速x向作用為例對(duì)構(gòu)架避雷針進(jìn)行承載性能分析。

表1 變電構(gòu)架導(dǎo)(地)線張力設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Parameters of the conductor (ground line) tensions of the substation framework kN

表2 3種最不利組合工況下避雷針各段連接點(diǎn)處的應(yīng)力Table 2 Stress at each connection point of the lightning rod subjected to wind loads under three working conditions MPa

2.2 設(shè)計(jì)風(fēng)荷載下構(gòu)架避雷針的靜力承載力

在設(shè)計(jì)風(fēng)速x向作用下，構(gòu)架避雷針不同高度處的風(fēng)荷載可按式(1)計(jì)算[5]：

wk=βzμzμsw0,

(1)

式中：wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；w0為基本風(fēng)壓值；βz為高度z處的風(fēng)振系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)，對(duì)于圓形獨(dú)立單桿，可按如下規(guī)定計(jì)算[5]：當(dāng)μzw0d2≤0.002時(shí)，μs=1.2，當(dāng)μzw0d2≥0.015時(shí)，μs=0.6，中間按線性插值計(jì)算，其中w0按kN/m2計(jì)算，d為單桿直徑，按m計(jì)算。

(1)構(gòu)架避雷針的應(yīng)力和位移響應(yīng)。為了分析地線對(duì)避雷針受力的影響，本節(jié)分別考慮避雷針上是否懸掛地線兩種情況，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，在設(shè)計(jì)風(fēng)速等效靜載作用下，邊跨和中間跨構(gòu)架避雷針下部的應(yīng)力較大，頂端的位移較大；懸掛地線時(shí)，避雷針底部應(yīng)力和頂部位移較沒(méi)有地線時(shí)增加較多，最大應(yīng)力為82 MPa，最大位移為173.92 mm，均在規(guī)范[5]許可范圍內(nèi)。由于地線張力施加在避雷針底部附近，因此掛線時(shí)，避雷針根部附近的應(yīng)力增加較多，地線張力的影響不可忽視。對(duì)比邊跨和中間跨避雷針的響應(yīng)可知，相同情況下中間避雷針的應(yīng)力和位移均比邊跨避雷針對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的值大，說(shuō)明中間避雷針受力更為不利，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以關(guān)注。

圖3 構(gòu)架避雷針有無(wú)地線時(shí)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力及位移對(duì)比Figure 3 Comparison of the stress and displacement results for the lightning rods with and without ground wire

(2)構(gòu)架避雷針相貫節(jié)點(diǎn)的受力特點(diǎn)及加固分析。由于實(shí)際中構(gòu)架避雷針斷裂多發(fā)生在避雷針與橫梁的T型相貫節(jié)點(diǎn)處。為進(jìn)一步了解該部位的應(yīng)力分布,進(jìn)而提出合適的加固方案，本節(jié)以中間避雷針為例，采用Shell 93單元建立典型相貫節(jié)點(diǎn)的精細(xì)化有限元模型，避雷針各段之間通過(guò)創(chuàng)建剛性區(qū)連接，橫梁兩端的法蘭盤(pán)和加勁肋對(duì)稱(chēng)設(shè)置，構(gòu)架柱底部設(shè)置為固結(jié)，建模時(shí)各部件采用切分和搭接命令形成整體。在前述結(jié)構(gòu)自重、地線張力和風(fēng)荷載作用下，相貫節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力分布如圖4(a)所示?？梢钥闯觯谠O(shè)計(jì)荷載作用下避雷針和橫梁交接處應(yīng)力水平較高，雖然總體上仍處于安全范圍，但在相貫節(jié)點(diǎn)根部出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大拉應(yīng)力達(dá)到398.30 MPa。該值已超過(guò)了鋼材的屈服強(qiáng)度(345 MPa)，說(shuō)明上述避雷針相貫節(jié)點(diǎn)構(gòu)造不夠合理，在隨時(shí)間不斷變化的風(fēng)荷載等因素作用下易發(fā)生脆斷事故。

為改進(jìn)上述構(gòu)造的不足，考慮在避雷針和橫梁T型相貫節(jié)點(diǎn)處設(shè)置加勁肋，對(duì)其進(jìn)行加固。具體方案如下：在橫梁中部設(shè)置3道豎向加勁肋，厚度為12 mm，間隔100 mm。采用和未加固避雷針相同的方式對(duì)加固后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力加載分析，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)在橫梁上設(shè)置加勁肋后，相貫節(jié)點(diǎn)區(qū)域的應(yīng)力明顯減小，最大值為120.07 MPa，出現(xiàn)在中部豎向加勁肋和橫梁相貫位置處，該值遠(yuǎn)小于鋼材屈服強(qiáng)度。這說(shuō)明筆者建議的加固方式可以有效緩解構(gòu)架避雷針相貫節(jié)點(diǎn)區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象，是一種較為可行的加固方案。

圖4 加固前后構(gòu)架避雷針相貫節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖Figure 4 Stress of the unreinforced and reinforced tubular joint of the lightning rod

3 構(gòu)架避雷針的風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)分析

考慮到構(gòu)架避雷針結(jié)構(gòu)具有高度高、剛度小的特點(diǎn)，在脈動(dòng)風(fēng)作用下極易發(fā)生振動(dòng)。因此，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)風(fēng)速作用下的動(dòng)力響應(yīng)分析，了解其受力特點(diǎn)，進(jìn)而提出合理的設(shè)計(jì)建議，這對(duì)于預(yù)防類(lèi)似斷裂事故的發(fā)生具有較大的實(shí)際意義。

3.1 脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程模擬

由于缺乏可靠的實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)，采用諧波疊加法[8]模擬構(gòu)架避雷針結(jié)構(gòu)的風(fēng)場(chǎng)，將模擬結(jié)果作為結(jié)構(gòu)的輸入荷載來(lái)進(jìn)行風(fēng)振響應(yīng)分析。諧波疊加法是采用一系列余弦波加權(quán)疊加以實(shí)現(xiàn)風(fēng)速模擬的，具有計(jì)算簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)穩(wěn)定且精度較高的優(yōu)點(diǎn)?；诙嗑S隨機(jī)過(guò)程樣本模擬理論，諧波疊加法模擬的隨機(jī)過(guò)程為：

bjm(l)sin[ωlt-φjm(ωl)]},j=1,2,…,n。

(2)

|Ijm(ωl)|ξm;ηm和ξm是相互獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)差為1、均值為0的高斯隨機(jī)數(shù)；Δω=(ωb-ωa)/N是圓頻率的增量；φjm(ωl)是處于不同位置處的相位角。

由于變電構(gòu)架各跨的間距較大，相鄰構(gòu)架相關(guān)性較弱，模擬時(shí)只需考慮結(jié)構(gòu)豎向的風(fēng)速相關(guān)性。模擬采用的各參數(shù)見(jiàn)表3。 限于篇幅，這里僅以中間避雷針頂部節(jié)點(diǎn)42(標(biāo)高為30 m)和中部節(jié)點(diǎn)39(標(biāo)高為23.5 m)為例，給出模擬的風(fēng)速時(shí)程曲線，同時(shí)將模擬所得的脈動(dòng)風(fēng)速功率譜和目標(biāo)譜進(jìn)行比較，結(jié)果如圖5所示，二者吻合較好。因此，筆者模擬的脈動(dòng)風(fēng)荷載時(shí)程樣本，可用于構(gòu)架避雷針結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)分析。在獲得了各節(jié)點(diǎn)位置處的脈動(dòng)風(fēng)時(shí)程后即可依據(jù)體型系數(shù)按照準(zhǔn)定常理論[10]建立節(jié)點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)荷載。

圖5 避雷針代表點(diǎn)處的脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程及其功率譜Figure 5 Wind speed time history curve and power spectrum at each representative points of the lightning rod

表3 風(fēng)速時(shí)程模擬各參數(shù)Table 3 Parameters of the wind speed time simulation

3.2 構(gòu)架避雷針的風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)

3.2.1 未加固構(gòu)架避雷針的風(fēng)振響應(yīng)

首先分析未加固的構(gòu)架避雷針的風(fēng)振響應(yīng)，結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，設(shè)計(jì)風(fēng)速作用下，構(gòu)架避雷針的應(yīng)力和位移動(dòng)力響應(yīng)均較靜力時(shí)有較大增加。為更清楚地了解避雷針在動(dòng)、靜力荷載作用下的響應(yīng)特點(diǎn)，筆者還計(jì)算了兩種情況下中間避雷針主要節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力響應(yīng)比值，如表4所示。

圖6 構(gòu)架避雷針底部和變截面處應(yīng)力及頂部位移時(shí)程Figure 6 Time history of the stress at the bottom and the variable cross-section and the displacement at the top of the lightning rod

對(duì)比表4中結(jié)果可知，考慮脈動(dòng)風(fēng)的影響時(shí)，避雷針主要節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力響應(yīng)均大于靜力情況，就具體數(shù)值來(lái)看，避雷針底部應(yīng)力水平較高，為受力最不利截面，動(dòng)靜力應(yīng)力比值為1.57，說(shuō)明按照現(xiàn)行規(guī)范擬靜力方法設(shè)計(jì)的構(gòu)架避雷針對(duì)于脈動(dòng)風(fēng)的動(dòng)載效應(yīng)考慮不全面，結(jié)果偏于不安全。再結(jié)合表4還可以看出，避雷針中間變截面應(yīng)力發(fā)生了突變，說(shuō)明其構(gòu)造不合理。建議實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)將設(shè)計(jì)風(fēng)速下的擬靜力分析結(jié)果乘以相應(yīng)的動(dòng)力放大系數(shù)δ(就本文算例工況而言，建議取δ≥1.6)以考慮脈動(dòng)風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響。同時(shí)采用均勻漸變的圓鋼管截面避雷針形式，避免截面的突變引起應(yīng)力集中等不利影響。

表4 設(shè)計(jì)風(fēng)速作用下構(gòu)架避雷針的動(dòng)、靜力應(yīng)力響應(yīng)對(duì)比Table 4 Comparison of the dynamic and static stress of the middle lightning rod under the design wind speed

3.2.2 構(gòu)架避雷針相貫節(jié)點(diǎn)區(qū)域的風(fēng)振響應(yīng)

前文分析表明，構(gòu)架避雷針相貫節(jié)點(diǎn)區(qū)域較為薄弱。因此，本節(jié)重點(diǎn)考察脈動(dòng)風(fēng)作用下相貫節(jié)點(diǎn)區(qū)域的應(yīng)力。為了反映脈動(dòng)風(fēng)對(duì)避雷針相貫節(jié)點(diǎn)區(qū)域應(yīng)力的影響，同時(shí)對(duì)加固效果進(jìn)一步評(píng)價(jià)，本節(jié)計(jì)算了加固前后構(gòu)架避雷針相貫節(jié)點(diǎn)區(qū)域的最大拉應(yīng)力時(shí)程曲線，如圖7所示。

圖7 加固前后構(gòu)架避雷針相貫節(jié)點(diǎn)區(qū)域最大拉應(yīng)力時(shí)程Figure 7 Time history of the maximum tensile stress of the unreinforced and reinforced tubular joint of the lightning rod

從圖7可以看出，在脈動(dòng)風(fēng)作用下加固前相貫節(jié)點(diǎn)區(qū)域最大拉應(yīng)力達(dá)到了560.15 MPa，遠(yuǎn)超過(guò)橫梁鋼材屈服強(qiáng)度；而加固后最大拉應(yīng)力僅為155.21 MPa，仍在彈性范圍之內(nèi)。為了更清楚地對(duì)比加固前后構(gòu)架避雷針動(dòng)、靜力響應(yīng)，筆者還計(jì)算了懸掛地線時(shí)避雷針各代表高度處的應(yīng)力值，結(jié)果如表5所示。由表5可知，當(dāng)在橫梁上設(shè)置加勁肋后，各代表位置處的動(dòng)、靜應(yīng)力值都明顯減小，尤其是相關(guān)節(jié)點(diǎn)和中間變截面處的動(dòng)、靜力應(yīng)力比值也明顯減小，分別為1.29和1.81。這說(shuō)明設(shè)置加勁肋可以有效緩解結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，是較為可行的加固方式，但脈動(dòng)風(fēng)引起的動(dòng)力放大效應(yīng)仍然不能忽略。

表5 加固前后構(gòu)架避雷針有地線時(shí)的應(yīng)力對(duì)比Table 5 Comparison of the dynamic and static stress of the unreinforced and reinforced lightning rod with ground wire

4 結(jié)論

對(duì)現(xiàn)代大型變電站中常用的構(gòu)架避雷針結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)風(fēng)荷載作用下的靜力和風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)分析，了解了結(jié)構(gòu)的整體受力特點(diǎn)和薄弱環(huán)節(jié)，并根據(jù)分析結(jié)果提出了加固設(shè)計(jì)建議。

(1)目前常用的變電構(gòu)架避雷針結(jié)構(gòu)中，避雷針和橫梁T型相貫節(jié)點(diǎn)區(qū)域構(gòu)造不合理，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。通過(guò)在該區(qū)域設(shè)置加勁肋的方式可顯著降低相貫節(jié)點(diǎn)區(qū)的應(yīng)力水平，有效緩解應(yīng)力集中，建議工程中參考使用。

(2)在變電構(gòu)架避雷針結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)中，按照現(xiàn)行規(guī)范擬靜力方法設(shè)計(jì)的結(jié)果是偏于不安全的。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)建議將規(guī)范擬靜力方法得到的結(jié)果乘以相應(yīng)的動(dòng)力放大系數(shù)δ(就本文算例工況而言，建議取δ≥1.6)以考慮脈動(dòng)風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響。

(3)當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)中典型構(gòu)架避雷針中間采用變截面形式連接不夠合理。建議在實(shí)際中采用均勻漸變的圓鋼管截面避雷針形式，避免截面突變引起的局部應(yīng)力增大等不利影響。