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摘要：结合索的特性和构架梁的受力特点，推出斜拉式构架梁。通过合理结构设计使构架充分发挥结构受力特性和材料性能。新型构架梁采用拉索结合平面桁架的结构形式，优化构架梁的抗力机制，充分发挥材料的受力特性，在保证受力与变形要求下解决了当前构架梁竖向刚度过大的问题，从而节约钢材。
关键词：索;斜拉式;构架梁;节约钢材;
1 构架梁的受力特点
构架梁受到的荷载有导线荷载、检修荷载、自重、风荷载等[1]。检修荷载、自重和风荷载产生的结构效应较小，本文后续分析将以导线荷载为主。构架梁受到的导线荷载如图1所示：梁上三相受力，每相都受到水平张力FY、垂直荷载FZ以及侧向风压FX。侧向分压FX对梁的受力几乎没有影响，可忽略。垂直荷载FZ也较小，基本上为导线及设备自重的一半，导线荷载中最为关键的是导线的水平张力FY。一般情况下，导线的水平张力FY会远大于垂直荷载FZ，对构架梁的受力起到决定性的作用[2]。
2 现有构架梁不足之处
在小电压等级如110kV和220kV变电站设计中，一般采用三角形格构梁，在高电压等级如500kV和1000kV变电站设计中，一般采用矩形格構梁。
对矩形格构梁的抗力机制进行分析， 矩形格构梁以两个水平桁架抵抗水平张力FY引起的弯矩和剪力效应，两个垂直桁架抵抗竖向荷载FZ引起的弯矩和剪力效应。平面桁架是利用拉压弦杆来形成较大的抗弯刚度的一种结构形式，往往抗弯刚度较大，用于抵抗较大的弯矩。受到斜材构造上的限制，矩形格构梁的高度和宽度相差无几，这就导致了水平桁架和垂直桁架的抗弯刚度相差不大。由前述分析可知，水平张力FY远大于垂直荷载FZ，因此构架梁在XY平面内受到的弯矩远大于XZ平面内受到的弯矩。因此，容易发现矩形格构梁在平面ZX的抗弯刚度设计不合理：抗力远大于需求。
3斜拉式构架梁
3.1 受力与变形分析
为解决矩形格构梁竖向抗弯刚度设计不合理的情况，本文提出一种新型的斜拉式构架梁（图1）。新型斜拉式构架梁由拉索和平面桁架共同组成，在水平面内的抗弯、抗剪机制与矩形格构梁一致，仍是通过平面桁架来抵抗。新型构架梁抵抗竖向荷载FZ具有全新的受力与变形模式，采用的平面桁架形式在平面外抗弯刚度来自于弦杆本身，不同于矩形格构梁抗弯刚度来自于拉压弦杆的组合作用。当不设拉索时，简化新型构架梁为简支梁，梁跨为L，假设仅在跨中作用集中荷载F，则有跨中弯矩和跨中挠度，其中为梁的抗弯刚度。
从f1表达式可看出，当梁跨L增大时，跨中挠度呈三次方关系急剧增大。若构架梁仅采用平面桁架的形式，扰度将起控制作用，钢材发挥不充分，这对跨度L较大的构架梁是尤为不利的。当引入拉索后，假设拉索位于构架梁三分点位置，且忽略拉索轴向变形，此时构架梁则可简化为连续梁，则跨中弯矩和跨中挠度。
对比M1，f1和M2，f2表达式可知，拉索的引入使构架梁的竖向弯矩缩减为1/3，挠度更是锐减为1/27，可见拉索的引入对构架梁的受力与变形均极为有利。
传统矩形格构梁采用竖向桁架的形式来抵抗竖向荷载，刚度较大，结构冗余，浪费材料;采用斜拉式平面桁架梁优化梁在竖向上的抗力机制、变形机制，传力路径简洁、高效。
3.2 计算分析
为验证新型构架梁的可行性，结合某500kV变电站的设计条件对26m跨的母线梁采用该新型斜拉式构架梁进行设计。通过MIDAS计算软件对其计算分析。拉索用MIDAS自带的“只拉不压”单元模拟，其余构件均用梁单元模拟。梁的弦杆连续，偏于安全考虑，梁的弦杆与柱材铰接，梁腹杆两端均释放弯矩。梁的弦杆截面为φ203×6，腹杆截面为φ76×4。根据电气专业提供的导线荷载对新型构架梁施加荷载并进行荷载组合。
经分析计算，构架梁内力和变形均在安装紧线工况达到最大值，如图2和图3所示，应力在紧线处弦杆达到最大值297MPa<310MPa，最大挠度58mm<86mm=26000mm/300，均满足要求。
4 结论
经过以上论证可知，新型构架梁采用拉索结合平面桁架的结构形式，优化矩形构架梁的抗力机制，传力路径简洁、高效，在保证受力与变形要求下解决了当前构架梁竖向受荷上抗力远大于需求的问题，从而大大节约钢材。
参考文献
[1] 中南电力设计院.变电构架设计手册[M].武汉：湖北科学技术出版社，2006：20-24.
[2] 水力电力部西北电力设计院.电力工程电气设计手册[M].北京：中国电力出版社，2013：384-401.
关键词：索;斜拉式;构架梁;节约钢材;
1 构架梁的受力特点
构架梁受到的荷载有导线荷载、检修荷载、自重、风荷载等[1]。检修荷载、自重和风荷载产生的结构效应较小，本文后续分析将以导线荷载为主。构架梁受到的导线荷载如图1所示：梁上三相受力，每相都受到水平张力FY、垂直荷载FZ以及侧向风压FX。侧向分压FX对梁的受力几乎没有影响，可忽略。垂直荷载FZ也较小，基本上为导线及设备自重的一半，导线荷载中最为关键的是导线的水平张力FY。一般情况下，导线的水平张力FY会远大于垂直荷载FZ，对构架梁的受力起到决定性的作用[2]。
2 现有构架梁不足之处
在小电压等级如110kV和220kV变电站设计中，一般采用三角形格构梁，在高电压等级如500kV和1000kV变电站设计中，一般采用矩形格構梁。
对矩形格构梁的抗力机制进行分析， 矩形格构梁以两个水平桁架抵抗水平张力FY引起的弯矩和剪力效应，两个垂直桁架抵抗竖向荷载FZ引起的弯矩和剪力效应。平面桁架是利用拉压弦杆来形成较大的抗弯刚度的一种结构形式，往往抗弯刚度较大，用于抵抗较大的弯矩。受到斜材构造上的限制，矩形格构梁的高度和宽度相差无几，这就导致了水平桁架和垂直桁架的抗弯刚度相差不大。由前述分析可知，水平张力FY远大于垂直荷载FZ，因此构架梁在XY平面内受到的弯矩远大于XZ平面内受到的弯矩。因此，容易发现矩形格构梁在平面ZX的抗弯刚度设计不合理：抗力远大于需求。
3斜拉式构架梁
3.1 受力与变形分析
为解决矩形格构梁竖向抗弯刚度设计不合理的情况，本文提出一种新型的斜拉式构架梁（图1）。新型斜拉式构架梁由拉索和平面桁架共同组成，在水平面内的抗弯、抗剪机制与矩形格构梁一致，仍是通过平面桁架来抵抗。新型构架梁抵抗竖向荷载FZ具有全新的受力与变形模式，采用的平面桁架形式在平面外抗弯刚度来自于弦杆本身，不同于矩形格构梁抗弯刚度来自于拉压弦杆的组合作用。当不设拉索时，简化新型构架梁为简支梁，梁跨为L，假设仅在跨中作用集中荷载F，则有跨中弯矩和跨中挠度，其中为梁的抗弯刚度。
从f1表达式可看出，当梁跨L增大时，跨中挠度呈三次方关系急剧增大。若构架梁仅采用平面桁架的形式，扰度将起控制作用，钢材发挥不充分，这对跨度L较大的构架梁是尤为不利的。当引入拉索后，假设拉索位于构架梁三分点位置，且忽略拉索轴向变形，此时构架梁则可简化为连续梁，则跨中弯矩和跨中挠度。
对比M1，f1和M2，f2表达式可知，拉索的引入使构架梁的竖向弯矩缩减为1/3，挠度更是锐减为1/27，可见拉索的引入对构架梁的受力与变形均极为有利。
传统矩形格构梁采用竖向桁架的形式来抵抗竖向荷载，刚度较大，结构冗余，浪费材料;采用斜拉式平面桁架梁优化梁在竖向上的抗力机制、变形机制，传力路径简洁、高效。
3.2 计算分析
为验证新型构架梁的可行性，结合某500kV变电站的设计条件对26m跨的母线梁采用该新型斜拉式构架梁进行设计。通过MIDAS计算软件对其计算分析。拉索用MIDAS自带的“只拉不压”单元模拟，其余构件均用梁单元模拟。梁的弦杆连续，偏于安全考虑，梁的弦杆与柱材铰接，梁腹杆两端均释放弯矩。梁的弦杆截面为φ203×6，腹杆截面为φ76×4。根据电气专业提供的导线荷载对新型构架梁施加荷载并进行荷载组合。
经分析计算，构架梁内力和变形均在安装紧线工况达到最大值，如图2和图3所示，应力在紧线处弦杆达到最大值297MPa<310MPa，最大挠度58mm<86mm=26000mm/300，均满足要求。
4 结论
经过以上论证可知，新型构架梁采用拉索结合平面桁架的结构形式，优化矩形构架梁的抗力机制，传力路径简洁、高效，在保证受力与变形要求下解决了当前构架梁竖向受荷上抗力远大于需求的问题，从而大大节约钢材。
参考文献
[1] 中南电力设计院.变电构架设计手册[M].武汉：湖北科学技术出版社，2006：20-24.
[2] 水力电力部西北电力设计院.电力工程电气设计手册[M].北京：中国电力出版社，2013：384-401.