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变电构架结构优化设计研究

2012-06-12

目录

1. 工程背景 1
2. 主要研究内容 1
3. 结构计算软件 2
4. 变电构架所受荷载类型及荷载组合 3
5. 变电站构架的格构式钢结构方案 4
5.1格构式钢结构方案的计算模型 4
5.2主要计算结果 6
5.3采用高强钢材计算 6
6. 变电站构架的人字柱钢结构方案 10
6.1 人字柱钢结构方案的计算模型 10
6.2 钢管人字柱构架体系建模分析 10
7. 计算结果汇总 17
8. 主要研究结论 18
9. 推荐方案 19

I
变电构架结构优化设计研究
1. 工程背景
电力传输工程是国防、工农业生产和人民生活中的生命线工程，变电站构架是电力传输工程的基础设施之一，它对保证电力传输的安全运行起着非常重要的作用。和传统的变电站相比，750kV特高压变电构架的高度、跨度及荷载水平均比较高，其构架结构的合理选型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。
目前国内外500kV及以上电压等级变电构架的结构型式主要采用格构式钢结构和人字柱钢结构两种型式。格构式钢结构至今仍在国外变电构架设计中被广泛采用，该结构由矩形断面格构式柱和矩形断面格构式钢梁组成，梁柱铰接或刚接。梁、柱弦杆通常采用圆钢管，腹杆采用钢管或角钢。格构式钢结构的优点在于其整个结构均由较小钢管或角钢组成，节点采用螺栓或焊接连接，构件尺寸小、自重轻，制作、运输及防腐处理方便，但杆件种类和数量较多，现场拼装工作量较大，防腐维护费用高。人字柱钢结构是国内500kV变电构架中应用最为广泛的一种结构型式，该结构由人字形普通钢管构架柱和三角形断面格构式钢梁组成，梁柱采用铰接。构架柱弦杆和钢梁弦杆均采用普通钢管，柱、钢梁弦杆拼接接头采用刚性法兰，钢梁腹杆采用螺栓连接，安装、制作和运输较方便。
2. 主要研究内容
本设计以金昌750kV变电站为工程背景，针对该750kV变电站构架进行结构选型和优化设计。主要内容包括：
（1）提出4个优化初步方案，然后和甘肃省电力设计院共同研究初步方案的可行性，确定2个优选方案进行优化工作。
（2）对2个优选方案建立有限元分析模型，并对其进行优化设计，确定最终推荐方案，给出结构布置和构件尺寸，最后计算经济指标。
具体方案是：
（1）建立750kV变电站构架的格构式钢结构计算模型，分别采用普通（强度）钢材和高强钢材两种方案进行对比计算，对两种方案的钢构件应力比、结构位移、用钢量及造价进行对比分析。
（2）建立750kV变电站的人字柱-三角形格构式梁钢结构构架计算模型，对人字柱构架的进出线构架柱和母线构架柱的根开尺寸和构件截面高度、进出线梁和母线梁的截面高度进行优化设计。结合格构式钢结构方案，对钢构件应力比、结构位移、用钢量及造价进行对比分析。
（3）应用高强钢材建立750kV变电站的人字柱-三角形格构式梁钢结构构架模型，对比分析采用高强钢材和普通钢材两种情况下的构件应力比、结构位移、钢材用量和结构造价。
（4）建立750kV变电站构架的钢管混凝土人字柱-三角形格构式梁构架结构计算模型，分析对比钢管混凝土柱和空钢管柱两种方案的构件应力比、结构位移、用钢量及造价。
3. 结构计算软件
目前，针对工程设计的有限元软件层出不穷，建模灵活性越来越好，计算精度越来越高。在我国的建筑设计领域，SAP2000，Midas，STAAD/CHINA，PMSAP等软件占据了大部分市场。
MIDAS软件是1989年由韩国浦项制铁开发公司(POSCO　E&C)集团的专门研究机构进行开发的，以2002年11月成立北京迈达斯技术有限公司为标志，MIDAS软件正式进入了中国。该软件针对土木工程结构，在分析像预应力箱型桥梁、悬索桥、斜拉桥等的桥梁结构时有一定优势，也具有非线性边界分析、水化热分析、材料非线性分析、静力弹塑性分析和动力弹塑性分析等功能。但该软件开发时间较短，工程实例相对较少，其计算准确性的验证资料有限，在国际上也缺乏影响力。
STAAD/CHINA软件是由1995年成立的阿依艾工程软件(大连)有限公司开发的，该软件拥有强大的三维图形建模与可视化前后处理功能，较适用大中型设计单位和承担大型钢结构建筑的加工与安装企业使用。可对钢、木、铝、混凝土等各种材料构成的框架、塔架、桁架、网架、悬索等各类结构进行线性、非线性静力、反应谱及时程反应分析。
PMSAP是中国建筑科学研院建筑工程软件研究所开发的PKPM系列软件中的一个模块。PKPM是一个系列软件，除了建筑、结构、设备（给排水、采暖、通风空调、电气）设计于一体的集成化CAD系统以外，目前PKPM还有建筑概预算系列软件（钢筋计算、工程量计算、工程计价）、施工系列软件（投标系列、安全计算系列、施工技术系列）和施工企业信息化（目前全国很多特级资质的企业都在用PKPM的信息化系统）。PMSAP模块是针对复杂高层的分析和设计软件，但PKPM的层概念一直扣的很紧，不利于计算一些没有层概念的建筑，制约了软件系列运用的灵活性。另外，该软件在国际上的知名度也不高。
与MIDAS、PMSAP、STAAD/CHINA等软件不同，SAP2000程序是由国际著名结构工程大师Edwards Wilson由20世纪70年代初开发完成的，该软件于80年代初进入中国。创始的SAP(Structure Analysis Program)程序一直不断发展，至今已经出现许多版本，SAP2000是这些新一代程序中最新也是最成熟的产品。SAP2000保持了原有产品的传统，具有完善、直观和灵活的界面，为在交通运输、工业、公共事业、运动和其它领域工作的工程师提供了优秀的分析引擎和设计工具。该软件符合我国建筑结构设计规范的要求，能够处理各种复杂的结构体系，可以更好地提升我国结构设计的效率和水平。该软件开发时间早，建模准确，计算的准确度高，是国际上公认的著名结构分析和设计软件之一。
因此，本次优化计算软件采用SAP2000。
4. 变电构架所受荷载类型及荷载组合
本设计中变电构架承受的荷载主要包括结构自重、风荷载、温度作用、检修荷载、覆冰荷载等，采用kN、m、°C国际单位制。各种荷载的符号及其说明如表1所示。挂线点示意图见附图1。
表1 750kV构架设计荷载（kN、m、°C）
荷载符号
荷载符号说明
Gk
结构自重及其他恒载效应标准值
Wk
大风气象条件下作用于构架上的风荷载效应标准值
W10k
对应风速为10m/s时作用于构架上的风荷载效应标准值
D11k
大风气象条件下导线荷载效应标准值，对应结构风压取Wk
D12k
覆冰有风气象条件下导线荷载效应标准值，对应结构风压取W10k
D13k
最低温气象条件下的导线荷载效应标准值，对应结构风压取W10k
t-40
夏季安装，最低日平均气温运行，计算温差t=40°C
t35
夏季或冬季安装，最大风运行，计算温差t=35°C
D31k
三相同时上人停电检修导线荷载效应标准值（仅考虑母线），对应结构风压取W10k
变电构架的荷载组合分为承载能力极限状态组合和正常使用极限状态组合。承载能力极限状态组合用于可能导致结构破坏的构件和连接的强度、稳定等计算，应考虑荷载效应的基本组合。正常使用极限状态组合用于影响结构正常使用和耐久性的如构件的变形、裂缝等计算，应根据不同的设计要求，采用荷载效应的标准组合。
承载能力极限状态组合如下：
（1）大风工况：
1.0Gk+1.3D11k+1.4Wk
1.2Gk+1.3D11k+1.4Wk
（2）覆冰有风工况：
1.0Gk+1.3D12k+1.4W10k
1.2Gk+1.3D12k+1.4W10k
（3）温度作用工况：
1.0Gk+1.3D13k+1.0t-40+1.4W10k
1.2Gk+1.3D13k+1.0t-40+1.4W10k
1.0Gk+t35+0.85×(1.3D11k+1.4Wk)
1.2Gk+t35+0.85×(1.3D11k+1.4Wk)
（4）检修工况
1.0Gk+1.2D31k+1.4W10k(仅考虑母线)
1.2Gk+1.2D31k+1.4W10k(仅考虑母线)
（5）正常使用极限状态组合
Gk+D11k+0.5Wk
5. 变电站构架的格构式钢结构方案
5.1格构式钢结构方案的计算模型
格构式钢结构方案的整体计算模型见图1，进出线构架和母线构架的立面图分别见附图2和附图3。

图1 750kV变电站构架格构式钢结构方案整体模型
钢管格构柱采用矩形断面，弦杆和腹杆采用圆钢管，进出线构架柱的根开尺寸为2.50m×7.54m，基础顶面到进出线梁底的距离为40.55m，进出线梁采用格构式矩形断面，高度和宽度均为2.50m。母线构架柱的根开尺寸为2.00m×4.02m，基础顶面到母线梁底距离为26.30m，母线梁也采用格构式矩形断面，母线梁高度和宽度为2.0m和2.5m。进出线梁为沿X轴方向，母线梁为沿Y方向。进出线塔架的总高度为56.30m、母线塔架总高度为28.30m。进出线梁和母线梁的跨度分别为42.00m和41.00m。
普通格构式钢结构方案所采用的主要材料的强度等级为Q235和Q345级，规格及尺寸见表2。
表2普通钢管格构式塔架材料表
构架类型
进出线构架
母线构架
柱弦杆
351×12(Q345)、351×10(Q345)、273×8、159×5
219×8
柱腹杆
245×7、159×5、180×5、83×5、121×5、68×5、140×5
180×5、114×5、68×5、89×5、140×5、83×5
梁弦杆
219×8
146×7
梁腹杆
89×6
83×5、73×5
注：表中除注明外，其它均采用Q235级钢材。
变电站构架柱和构架梁的弦杆采用法兰连接方式，因此在该模型中简化为固接形式；构架柱和构架梁内部的腹杆与弦杆连接采用铰接方式；构架梁和构架柱的连接采用铰接方式；构架柱的底部与基础相连的节点全部采用固接方式。
5.2主要计算结果
普通格构式钢结构方案的计算结果见表3。杆件应力比基本满足小于0.8的设计要求，柱顶位移和梁跨中挠度也满足规范的限值要求。
表3钢管格构式构架的杆件应力比、构架柱和构架梁的位移
结果

根开尺寸
构件
类型
最大应力比及控制工况
柱顶最大位移
及限值（mm）
梁跨中最大挠度
及限值（mm）
6m
进出线
构架柱
柱弦杆
0.818
大风工况
X向：94<56300/200=281.5
Y向：87<56300/200=281.5

桁架
支撑
0.826
覆冰工况
母线
构架柱
柱弦杆
0.792
大风工况
X向：25<28300/200=141.5
Y向：24<28300/150=188.7

桁架
支撑
0.639
大风工况
进出线梁
弦杆
0.173
大风工况

竖向：20<42000/300=140
水平：14<42000/300=140
桁架
支撑
0.734
大风工况

母线梁
弦杆
0.11
覆冰工况

竖向：24<41000/300=137
水平：20<41000/300=137
桁架
支撑
0.597
覆冰工况

普通格构式钢结构方案的材料用量统计见表4。
表4钢管格构柱构架材料统计（单位：t）
材料强度等级
用量
Q235
149
Q345
63
合计
212
5.3采用高强钢材计算
（1）计算模型
本优化主要针对材料用量，主要钢材分别采用Q420、Q460、Q500、Q550的强度等级，并对截面进行优化计算。采用各种高强钢材时杆件的规格分别见表5~表8。
表5 Q420强度钢管格构式构架材料表
构架类型
进出线构架
母线构架
柱弦杆
351×12、351×10、245×6、140×5
180×6
柱腹杆
219×6、152×4.5、159×4.5、83×3、121×5、68×3、140×4.5
159×4.5、114×4、68×3、89×3.5、140×4.5、83×3
梁弦杆
180×6
140×4.5
梁腹杆
89×5
83×3、63.5×3.5
表6 Q460强度钢管格构式塔架材料表
构架类型
进出线构架
母线构架
柱弦杆
351×10、325×7.5、203×6、133×5
194×5
柱腹杆
203×6、146×4.5、83×3.5、121×5、60×3、133×5
146×4.5、114×4、60×3、89×4、133×5、83×3.5
梁弦杆
194×5
121×4
梁腹杆
89×5
83×3.5、68×3
表7 Q500强度钢管格构式塔架材料表
构架类型
进出线构架
母线构架
柱弦杆
351×10、325×7.5、194×6、114×4
180×6
柱腹杆
219×6、140×5、146×4.5、83×3.5、121×5、50×3.5、133×5
146×4.5、114×4、50×3.5、83×5、133×5、83×3.5
梁弦杆
152×5
102×3.5
梁腹杆
89×5
83×3.5、60×3
表8 Q550强度钢管格构式塔架材料表
构架类型
进出线构架
母线构架
柱弦杆
351×10、325×7.5、194×5、95×5
194×5
柱腹杆
219×6、133×6、152×4.5、83×3、121×5、60×3、140×5
152×4.5、102×4、60×3、89×5、140×4.5、83×3、
梁弦杆
152×5
95×3.5
梁腹杆
89×5
83×3、68×3

（2）主要计算结果
钢管格构柱构件的最大应力比及其控制工况计算结果见表9，构架柱顶位移和梁跨中位移计算结果见表10。
表9 钢管格构柱最大应力比
构架类型
位置
构件
主要材料
最大应力比
最大应力比对应工况
进出线构架
构架柱
柱弦杆
Q420
0.750
大风工况
Q460
0.818
大风工况
Q500
0.795
大风工况
Q550
0.747
大风工况
柱腹杆
Q420
0.802
温度工况
Q460
0.764
温度、大风工况
Q500
0.786
大风工况
Q550
0.763
大风工况
构架梁
梁弦杆
Q420
0.133
温度工况
Q460
0.105
大风工况
Q500
0.089
大风工况
Q550
0.082
大风工况
梁腹杆
Q420
0.715
大风工况
Q460
0.750
大风工况
Q500
0.753
大风工况
Q550
0.749
大风工况
母线构架
构架柱
柱弦杆
Q420
0.779
大风工况
Q460
0.752
大风工况
Q500
0.776
大风工况
Q550
0.725
大风工况
柱腹杆
Q420
0.643
大风工况
Q460
0.628
大风工况
Q500
0.692
大风工况
Q550
0.81
大风工况
构架梁
梁弦杆
Q420
0.135
覆冰工况
Q460
0.066
覆冰工况
Q500
0.061
覆冰工况
Q550
0.059
覆冰工况
梁腹杆
Q420
0.694
覆冰工况
Q460
0.578
覆冰工况
Q500
0.547
覆冰工况
Q550
0.645
覆冰工况
表10 构架位移（单位：mm）
构架类型
钢材
柱顶位移
梁跨中位移
方向
X方向
Y方向
水平
竖向
进出线构架
Q420
118
108
18
13
Q460
127
116
19
14
Q500
136
138
21
15
Q550
154
150
21
14
母线构架
Q420
28
38
33
29
Q460
34
40
35
32
Q500
36
38
42
36
Q550
35
42
38
34
梁容许挠度：
进出线构架：L/300=42000/300=140mm，对于各种强度钢材均满足要求。
母线构架：L/300=41000/300=137mm，对于各种强度钢材均满足要求。
柱容许挠度：
进出线构架：
平面内H/200=56300/200=281.5mm，对于各种强度钢材均满足要求。
母线构架：
平面内（X方向）H/200=28300/200=141.5mm，对各种强度钢材均满足要求。
平面外（Y方向）H/150=28300/150=188.7mm，对各种强度钢材均满足要求。
（3）钢管格构柱构架材料和费用统计
普通钢材的价格为8900元/t，高强度钢材的价格为14000元/t，钢管格构柱构架材料用量和费用见表8。
表8高强钢钢管格构柱经济性能比较
主要材料
构架柱用钢量（t）
柱费用（万元）
柱费用节省
矩形构架梁用钢量（t）
梁费用（万元）
梁费用节省
总费用
（万元）
总费用节省百分比
普通钢
142.69
126.99
0
69.6
61.94
0
188.93
0
Q420
117.58
152.87
-20%
47.37
65.68
-6%
218.55
-16%
Q460
107.77
140.04
-10%
44.3
61.38
1%
201.42
-7%
Q500
108.14
140.56
-11%
39.89
55.20
11%
195.76
-4%
Q550
106.84
138.74
-9%
38.95
53.89
13%
192.63
-2%
注：节省百分比为钢材用量相对于普钢钢材用量的降低百分比；格构式柱与梁同时采用高强钢材。
根据表8，采用高强钢材尽管可以减少钢材用量，但由于高强钢材价格较贵，因此，总费用均比普通钢材要高。Q460以上钢材的构架梁造价经济效益明显，这是因为构架梁的弦杆采用高强钢材后截面变小，经济效益显著，而总造价与普通钢材较为接近，如果考虑到高强钢材防腐性能好的特点，全寿命周期内包括维护费用的总造价可与普通钢材持平甚至优于普通钢材。因此推荐750kV变电构架钢结构材料选用Q460以上强度等级钢材。
6. 变电站构架的人字柱钢结构方案
6.1 人字柱钢结构方案的计算模型
750kV变电构架可采用钢管人字柱结构方案和钢管格构柱结构方案。本研究对钢管人字柱方案和钢管格构柱方案进行了计算分析。在两种方案均满足结构强度、稳定及正常使用期间的变形要求情况下，对钢管人字柱方案分别采用普通钢材、高强钢材和采用钢管混凝土柱进行了优化分析。同时，对进出线梁和母线梁的结构形式和截面形式进行了优化。
母线构架柱
母线梁
进出线构架柱
进出线梁

图2 750kV变电站构架人字柱钢结构方案整体模型
6.2 钢管人字柱构架体系建模分析
（1）普通钢材钢管人字柱构架体系
钢管人字柱计算模型如图2所示，进出线构架和母线构架的立面图分别见附图4和附图5。人字柱弦杆采用变截面空钢管，进出线梁及母线梁均采用三角形截面，构架柱和构架梁的钢材分别为Q345和Q235。本计算模型中母线构架柱根开尺寸固定为4.50米不变，进出线构架柱根开尺寸分别采用6.00m、7.00m、8.00m、9.00m等4种方案进行计算和优化分析。各方案的进出线梁及母线梁均相同，为三角形等截面格构式钢梁，其杆件截面信息见表9。在满足结构强度、稳定及正常使用期间变形的条件下，各根开尺寸方案的构架柱截面杆件信息见表10。杆件应力比、构架柱和构架梁的位移信息见表11。各方案总用钢量的统计结果见表12。
表9 构架梁杆件截面信息
杆件
梁
上弦杆
下弦杆
腹杆
进出线梁
203×10
203×9
L125×8、L125×10
母线梁
180×10
180×9
L125×8、L125×10

表10 各根开尺寸构架柱杆件截面信息
杆件位置

根开尺寸
构架柱类型
构架柱下段
构架柱中段
构架柱上段
6m
进出线构架柱
880×12
800×12
750×12
母线构架柱
500×10
400×10
300×10
7m
进出线构架柱
850×12
800×12
750×12
母线构架柱
450×10
350×10
300×10
8m
进出线构架柱
800×12
750×12
750×12
母线构架柱
400×10
300×10
300×10
9m
进出线构架柱
850×12
800×12
750×12
母线构架柱
400×10
300×10
300×10

表11 各根开尺寸构架的杆件应力比、构架柱和构架梁的位移
结果
根开
尺寸
构架类型
最大应力比及控制工况
柱顶位移（mm）
梁跨中位移（mm）
X方向
Y方向
水平
竖向
6m
进出线构架柱
0.797
大风工况
86
139

母线构架柱
0.747
大风工况
39
72

进出线梁
0.748
覆冰工况

21
58
母线梁
0.614
大风工况

12
51
7m
进出线构架柱
0.771
大风工况
99
65

母线构架柱
0.741
大风工况
77
33

进出线梁
0.708
覆冰工况

29
59
母线梁
0.566
覆冰工况

40
40
8m
进出线构架柱
0.799
大风工况
80
58

母线构架柱
0.720
大风工况
84
83

进出线梁
0.703
覆冰工况

27
40
母线梁
0.634
大风工况

38
40
9m
进出线构架柱
0.742
大风工况
61
46

母线构架柱
0.731
大风工况
20
74

进出线梁
0.721
覆冰工况

24
55
母线梁
0.574
覆冰工况

28
40
梁容许挠度：
进出线构架：L/300=42000/300=140mm，各根开尺寸皆满足要求。
母线构架：L/300=41000/300=137mm，各根开尺寸皆满足要求。
柱容许挠度：
进出线构架：
平面内：H/200=40550/200=203mm，各根开尺寸皆满足要求。
母线构架：
平面内（X方向）H/200=26300/200=131.5mm，各根开尺寸皆满足要求。
平面外（Y方向）H/150=26300/150=175.3mm，各根开尺寸皆满足要求。
表12 不同跟开尺寸经济性能比较
根开尺寸（m）
构架柱用钢量（t）
构架柱费用
（万元）
柱费用节省百分比
构架梁用钢量（t）
梁费用
（万元）
梁费用节省百分比
总费用（万元）
总费用节省百分比
格构式
142.69
126.99
0
69.6
61.94
0
188.93
0
6
110.38
98.24
23%
72.51
64.53
-4%
162.77
14%
7
108.66
96.71
24%
72.51
64.53
-4%
161.24
15%
8
104.14
92.68
27%
72.51
64.53
-4%
157.21
17%
9
108.42
96.49
24%
72.51
64.53
-4%
161.02
15%
注：节省钢材是指人字柱方案相对于格构式钢结构方案的钢材节省的百分比；钢材单价为8900元/吨。
根据表12可知，随着根开尺寸的不同，构架柱的用钢量不同，根开尺寸越小，稳定性不好，需加大截面尺寸，而根开尺寸越大，构架柱越容易受弯，从上表中可以看出采用8m根开尺寸较好，从上表中还可以看出人字柱构架梁采用三角形形式比格构式构架梁采用矩形形式钢材用量增大，这是因为人字柱构架梁梁高都是2.4m，而格构柱构架中进出线梁梁高2.5m，母线梁高2.0m。总体来看，若以节约占地为控制目标，根开尺寸为6m的方案最优；若以节省用钢量为控制目标，则根开尺寸为8m的方案最优，其相对于格构式钢结构方案可节省钢材17%。若综合考虑节材和节地的因素，根开尺寸为7m的方案最优，既能节约占地，又能节省钢材费用14%。
（2）高强钢材钢管人字柱构架体系
高强钢材钢管人字柱同样采用如图2所示计算模型，人字柱采用空钢管变截面柱，进出线梁及母线梁均采用三角形截面。计算模型分别采用Q420、Q460、Q500、Q550等4种强度钢材的柱（不包括横撑）进行计算分析，本计算模型所采用的进出线构架柱根开尺寸为7.00米，母线构架柱根开尺寸为4.50米，简图如图2所示。各方案的进出线梁及母线梁均不变，为三角形等截面格构式钢梁，均采用普通钢材，杆件截面信息见表9；在满足结构强度、稳定及正常使用期间变形的条件下，各强度方案的构架柱截面杆件信息见表13；应力比、位移信息，结果见表14；用钢量及造价比较见表15。
表13 各强度钢材构架柱杆件截面
杆件位置

钢材强度
构架柱类型
下段
中段
上段
Q420
进出线构架柱
820×12
780×10
720×12
母线构架柱
400×10
300×10
280×12
Q460
进出线构架柱
780×12
720×10
680×12
母线构架柱
380×10
280×10
280×10
Q500
进出线构架柱
780×12
700×10
650×12
母线构架柱
350×10
280×10
280×10
Q550
进出线构架柱
750×12
680×10
650×12
母线构架柱
300×10
280×10
280×10

表14 应力比、位移信息
结果
强度
构架类型
最大应力比及控制工况
柱顶位移（mm）
梁跨中位移（mm）
X方向
Y方向
水平
竖向
Q420
进出线构架柱
0.820
大风工况
75
79

母线构架柱
0.809
大风工况
41
92

进出线梁
0.729
覆冰工况

29
60
母线梁
0. 578
覆冰工况

57
40
Q460
进出线构架柱
0.826
大风工况
99
65

母线构架柱
0.789
大风工况
43
117

进出线梁
0.738
覆冰工况

30
60
母线梁
0.577
覆冰工况

18
40
Q500
进出线构架柱
0.804
大风工况
135
84

母线构架柱
0.774
大风工况
44
124

进出线梁
0.745
覆冰工况

31
60
母线梁
0.556
覆冰工况

52
40

Q550
进出线构架柱
0.776
大风工况
138
86

母线构架柱
0.758
大风工况
46
130

进出线梁
0.747
覆冰工况

31
60
母线梁
0.560
覆冰工况

53
40
梁容许挠度：
进出线构架：L/300=42000/300=140mm，各根开尺寸皆满足要求。
母线构架：L/300=41000/300=137mm，各根开尺寸皆满足要求。
柱容许挠度：
进出线构架：
平面内：H/200=40550/200=203mm，各根开尺寸皆满足要求。
母线构架：
平面内（X方向）H/200=26300/200=131.5mm，各根开尺寸皆满足要求。
平面外（Y方向）H/150=26300/150=175.3mm，各根开尺寸皆满足要求。
表15 7m根开尺寸人字柱高强钢经济性能比较
钢号
构架柱用钢量（t）
构架柱费用
（万元）
柱费用节省
三角形构架梁用钢量（t）
构架梁费用（万元）
构架梁费用节省
总费用（万元）
总费用节省百分比
普通钢
108.66
96.71
0
72.51
64.53
0
161.24
0
Q420
97.57
133.93
-38%
72.51
64.53
0
198.46
-23%
Q460
92.34
126.61
-31%
72.51
64.53
0
191.14
-19%
Q500
89.89
123.18
-27%
72.51
64.53
0
187.71
-16%
Q550
87.54
119.89
-24%
72.51
64.53
0
184.42
-14%
注：构架柱采用高强钢材，构架梁采用普通钢材。高强钢材单价为14000元/吨，普通钢材单价为8900元/吨。
根据表15，如采用高强钢材人字柱构架体系，尽管可以节约钢材，但由于高强钢材价格较贵，总费用均比普通钢材要高。若考虑高强钢管的耐腐蚀特性，使用阶段的维护费用可得到降低，综合经济效益与普通钢材方案的差距可进一步缩小。
（3）钢管混凝土人字柱构架体系
根据钢管人字柱的优化结果，从节约占地和节省用钢量的角度出发，将钢管构架柱用钢管混凝土构架柱进行替换，分别对根开尺寸为6m、7m、8m的钢管混凝土人字柱构架体系进行建模计算分析，梁采用与钢管人字柱模型中相同的三角形等截面格构式钢梁，采用普通钢材，截面梁杆件截面信息见表10。构架柱和构架梁的钢材分别为Q345和Q235，混凝土强度等级为C30。在满足结构强度、稳定及正常使用期间变形的条件下，各根开尺寸方案的构架柱截面杆件见表16。杆件应力比、构架柱和构架梁的位移见表17。各方案总用钢量的统计结果见表18~20。
表16构架柱杆件截面
杆件位置
根开尺寸
构架柱类型
下段
中段
上段
6m
进出线构架柱
750×12
700×10
650×10
母线构架柱
500×10
400×10
300×10
7m
进出线构架柱
750×8
700×8
650×8
母线构架柱
400×8
350×8
350×8
8m
进出线构架柱
750×8
680×8
650×8
母线构架柱
350×8
350×8
350×8
表17 应力比、位移
结果
位置
构架类型
最大应力比及控制工况
柱顶位移（mm）
梁跨中位移（mm）
X方向
Y方向
水平
竖向
6m
进出线构架柱
0.797
大风工况
53
43

母线构架柱
0.747
大风工况
20
61

进出线梁
0.748
覆冰工况

23
55
母线梁
0.614
大风工况

45
40
7m
进出线构架柱
0.809
大风工况
42
38

母线构架柱
0.687
大风工况
16
62

进出线梁
0.797
覆冰工况

24
35
母线梁
0.525
覆冰工况

36
40
8m
进出线构架柱
0.802
大风工况
33
34

母线构架柱
0.711
大风工况
12
62

进出线梁
0.681
覆冰工况

24
60
母线梁
0.512
覆冰工况

35
40
梁容许挠度：
进出线构架：L/300=42000/300=140mm，各根开尺寸皆满足要求。
母线构架：L/300=41000/300=137mm，各根开尺寸皆满足要求。
柱容许挠度：
进出线构架：
平面内H/200=40550/200=203mm，各根开尺寸皆满足要求。
母线构架：
平面内（X方向）H/200=26300/200=131.5mm，各根开尺寸皆满足要求。
平面外（Y方向）H/150=26300/150=175.3mm，各根开尺寸皆满足要求。
表18 格构柱和6m、7m、8m根开人字柱钢管混凝土经济性能比较
结构形式
构架柱用钢量（t）
柱费用（万元）
柱费用节省百分比
构架梁用钢量（t）
梁费用（万元）
梁费用节省百分比
总费用（万元）
总费用节省百分比
格构式钢管
142.69
126.99
0
69.6
61.94
0
188.93
0
6m根开
人字柱纯钢管
110.38
98.24
22%
72.51
64.53
-4%
162.77
14%
人字柱钢混
88.5
90.42
29%
72.51
64.53
-4%
1568140
18%
7m根开
人字柱纯钢管
108.66
96.71
24%
72.51
64.53
-4%
161.24
15%
人字柱钢混
74.13
77.45
39%
72.51
64.53
0
1402857
25%
8m根开
人字柱纯钢管
104.14
92.68
27%
72.51
64.53
-4%
157.21
17%
人字柱钢混
68.65
72.18
43%
72.51
64.53
-4%
1350175
28%
注：普通强度钢材单价为8900元/吨，钢管混凝土中混凝土考虑材料、施工的工料费用总计为750元/立方米。
根据上述分析得，构架柱采用钢管混凝土后显著的节约了材料用量，8m根开尺寸下的钢管混凝土柱节约造价43%。总体来看，若以节约占地为控制目标，根开尺寸为6m的钢管混凝土柱方案最优；若以节省用钢量为控制目标，则根开尺寸为8m的钢管混凝土柱方案最优，其相对于格构式钢结构方案可节省费用28.0%。若综合考虑节材和节地的因素，根开尺寸为7m的方案最优，既能节约占地，又能节省费用25%。
7. 计算结果汇总
表8高强钢钢管格构柱经济性能比较
主要材料
构架柱用钢量（t）
柱费用（万元）
柱费用节省
矩形构架梁用钢量（t）
梁费用（万元）
梁费用节省
总费用
（万元）
总费用节省百分比
普通钢
142.69
126.99
0
69.6
61.94
0
188.93
0
Q420
117.58
152.87
-20%
47.37
65.68
-6%
218.55
-16%
Q460
107.77
140.04
-10%
44.3
61.38
1%
201.42
-7%
Q500
108.14
140.56
-11%
39.89
55.20
11%
195.76
-4%
Q550
106.84
138.74
-9%
38.95
53.89
13%
192.63
-2%
表12 不同