魯 偉，吳必華，閆 勇，吳 晟，余 歡

(中國電力工程顧問集團中南電力設計院，湖北 武漢 430071)

0 引言

渝鄂背靠背南通道和恩施東—輸變電工程建成投產后，葛洲壩—雙河線路已經無法滿足系統(tǒng)運行要求，需要進行增容改造，以提高渝鄂背靠背南通道送入電力及恩施電力外送能力，間接提高系統(tǒng)穩(wěn)定水平，增強對可能出現的各種運行方式和系統(tǒng)將來發(fā)展的適應性，提高系統(tǒng)運行裕度。

雙河500 kV變電站改造工程更換葛洲壩—雙河Ⅰ回、Ⅱ回線路相關設備連線、跨線，更換雙河變500kV母線，需要換線的構架為1#～10#構架，換線布置圖如圖1所示；500 kV構架改造區(qū)域透視圖如圖2所示。

圖1500 kV構架換線布置圖(改造區(qū)域)

圖2500 kV構架透視圖(改造區(qū)域)

1 原構架復核

構架換線后，導線拉力有不同程度的增大，此外，隨著GB 50068—2018《建筑結構可靠性設計統(tǒng)一標準》的修訂，建筑結構的作用分項系數有不同程度的增大[1]，其中永久作用的分項系數由1.2增大為1.3；可變作用的分項系數由1.4增大為1.5。因此，需對換線的構架進行復核，包括：4孔連續(xù)出線構架、4孔連續(xù)跨線構架、單孔母線構架。

1.1 構架幾何信息

構架柱采用圓形鋼管柱，構架橫梁采用三角形變斷面格構式鋼梁，梁柱鉸接。柱、梁弦桿拼接接頭采用法蘭連接，鋼梁弦桿采用鋼管，腹桿采用角鋼，腹桿和弦桿之間采用螺栓連接。構架幾何信息詳見表1所列。

表1500 kV構架幾何信息

1.2 導線荷載

構架荷載條件：地震基本烈度6度，設計基本地震加速度值為0.05g?；撅L壓0.3 kN/m2。

構架出線側導線水平拉力≤36 kN/相，垂直荷載≤6.5 kN/相，側向拉力≤1 kN/相。地線水平拉力≤4.5 kN/根，地線垂直荷載≤1 kN/根，側向拉力≤0.2 kN/根。

根據電氣資料，構架導線拉力對比詳見 表2和表3所列。通過對比可以看到，更換導線后的導線拉力與前期相比，單孔構架導線水平拉力增加約50%，4孔構架導線水平拉力略微降低、垂直拉力和側向力顯著增加。

表2 單孔構架導線拉力對比kN

表34孔構架導線拉力對比kN

1.3 計算結果分析

經復核，構架梁部分腹桿和螺栓受力不滿足要求，考慮對構架梁進行重新設計并更換。此為常規(guī)設計，此處不再贅述。本節(jié)重點闡述構架柱更換導線后的復核計算。

由于人字柱平面外方向彎矩較小，按單向壓彎構件計算構架柱平面內、平面外穩(wěn)定性和單向拉彎構件強度[2]。

采用三維結構分析和設計軟件STAAD Pro進行結構計算[3]，在不考慮構架柱截面削弱的情況下，500 kV構架柱復核計算結果詳見表4所列。

表4500 kV構架柱復核計算結果kPa

通過計算可以看出，構架更換導線后，構架柱下柱和中柱都能夠滿足新的受力要求，而 4孔連續(xù)出線構架柱上柱由于桿件較長、所受彎矩較大，平面內穩(wěn)定應力為210 kPa，應力比為97.67%，接近限值。考慮到構架經過近40 a的服役，構架柱存在不同程度的凹陷，如圖3所示。同時考慮到銹蝕的影響，構架柱截面存在不同程度的削弱，因此，認為4孔連續(xù)出線構架柱不滿足更換導線后的受力要求，其余構架柱需根據構架檢測結果再復核其受力是否滿足要求。

圖3500 kV構架柱凹陷

2 構架柱加固設計

針對4孔連續(xù)出線構架不滿足更換導線之后的受力要求這一問題，有2種解決方案可供選擇：一種是重新設計構架然后整體更換；另一種是對現有構架進行加固，提高其受力性能。

雙河500 kV變電站是華中地區(qū)重要的樞紐變電站，是三峽電力外送的重要通道和荊門地區(qū)的重要電源點，整體更換構架的方案會導致長時間的停電，由此會帶來較大的經濟損失和不良的社會影響。為節(jié)省停電時間，最終采用針對現有構架進行加固的方案。

2.1 加固方案選擇

針對鋼管柱的加固，加固方案主要有：增大截面加固法、附加桿件和支撐加固法、填充混凝土加固法和碳纖維增強復合材料加固法[4]。

上述加固方案中，增大截面法通常采用焊接、粘結等手段，施工較為復雜，難以保證質量；附加桿件和支撐加固法對于布置緊湊的變電站而言難以有效施展；碳纖維增強復合材料加固法多用于混凝土結構的加固，加固鋼結構方面的研究還相對較少，工程應用也較為少見。相比較而言，填充混凝土加固法利用成熟的鋼管混凝土原理，可有效地提高鋼管柱的剛度、強度和延性，對于加固施工而言，填充混凝土是比較經濟的方法。

2.2 加固復核計算

根據GB 50936—2014《鋼管混凝土結構技術規(guī)范》[5]第5.3.1條計算鋼管混凝土構架柱在壓力和彎矩共同作用下的強度、穩(wěn)定性。

選取4孔連續(xù)出線構架柱上柱最不利工況進行復核。

工況1：軸心壓力N=802 kN，彎矩M=94 kN·m；工況2：軸心壓力N=272 kN，彎矩M=128 kN·m。

經復核計算，構架柱剛度、強度和穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。采用構架柱填充混凝土加固法后，構架柱抗壓承載力顯著提高，由于構架柱內部混凝土提高了鋼管混凝土的受壓截面強度和受壓穩(wěn)定系數，按4孔連續(xù)出線構架柱上柱受力最大工況下，鋼管混凝土壓彎計算應力比僅為25.66%，可以看出，構架柱采用填充混凝土加固法是可行且有效的。

2.3 加固施工方案選擇

構架柱填充混凝土加固法主要有3種施工方案：人工澆灌和振搗、高位拋落不振搗和泵送頂升法[6]。

本工程鋼管尺寸小，人工澆灌和振搗困難。泵送頂升法即混凝土在泵壓作用下由下而上頂升，靠自重擠壓密實并充填鋼管，與鋼管共同工作[7]?？紤]到經過近40 a的服役，構架柱存在不同程度的凹陷、銹蝕等缺陷，為避免泵壓過高影響結構安全，建議采用高位拋落不振 搗法。

高位拋落不振搗法需要在構架柱適當位置開灌漿孔(直徑不超過75 mm)，采用無收縮自密實混凝土在高位分段灌注，每段下部設排氣孔(孔徑25 mm)。混凝土達到設計標高后，采用鋼板焊接封閉灌漿孔，焊接處冷噴鋅防腐。

構架柱的開孔建議用冷刀并采取合理的溫度控制措施，嚴格控制施工質量，避免對開孔部位附近區(qū)域的影響。

無收縮自密實混凝土強度等級C40，粗骨料最大公稱粒徑不宜大于20 mm，自密實混凝土拌合物的自密實性能應滿足JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應用技術規(guī)程》[8]中SF1性能等級要求。自密實混凝土最大傾落高度不宜大于9 m，對于25.5 m高的構架柱，分三段進行澆筑；對于18 m高的構架柱，分兩段進行澆筑。

3 結語

本文以雙河500 kV變電站為工程背景，針對500 kV構架柱在換線情況下受力不滿足規(guī)范要求的現狀，開展加固設計。

根據鋼管混凝土原理，采用構架柱內灌注混凝土的加固設計方案，在相同的荷載條件下，構架柱的應力比由97.67%降低至25.66%，大幅提高了構架柱的受力性能。

利用自密實混凝土的高流動性克服常規(guī)混凝土在構架柱內難以振搗密實的缺陷，有效降低施工難度、保障施工質量。