變電站構架鋼柱帽有限元簡化分析模型探討

楊偉張羽夏堅

(1．福建省建筑科學研究院福建福州350025;2．福建省綠色建筑技術重點實驗室福建福州350025)

變電站構架鋼柱帽有限元簡化分析模型探討

楊偉1，2張羽1，2夏堅1，2

(1．福建省建筑科學研究院福建福州350025;2．福建省綠色建筑技術重點實驗室福建福州350025)

采用MIDAS/GEN軟件建立了某變電站構架柱頭鋼柱帽的三種分析模型，即“一字型”“工字型”和“多尺度”3種有限元分析模型，對終端構架(無地線柱)、中間構架和終端構架(有地線柱)三種構架，分別采用以上3種模型分析其在風荷載和導線張力作用下的受力和變形情況。針對3種構架型式，將兩種簡化模型與多尺度模型的模擬結果進行對比分析，可以發(fā)現(xiàn):對于終端構架(無地線柱)和中間構架型式，兩種簡化分析模型與多尺度分析模型在整體受力和變形方面均可保持基本一致;但對于終端構架(有地線柱)型式，“一字型”簡化模型得到的內力和變形與多尺度模型分析結果偏差較大，而“工字型”簡化模型分析結果與多尺度模型分析結果則基本接近。建議:對于帶有地線柱的構架應采用“工字型”簡化模型進行計算分析，無地線柱構架可采用“一字型”簡化模型進行計算分析，以提高工作效率。

變電構架;多尺度有限元法;簡化模型

0 引言

隨著有限元技術的迅速普及，工程非線性計算已經得到了迅猛發(fā)展。目前結構計算模型和方法主要有:桿系模型，實體模型。其中，桿系模型難以追蹤構件和節(jié)點的局部塑性失穩(wěn)和承載力退化的破壞機制;實體模型的計算量巨大，對計算軟硬件條件要求高，目前還難以解決計算規(guī)模和存儲空間的要求。基于以上的原因，多尺度模擬和計算是一個正在迅速發(fā)展的熱點［1］。多尺度有限元法，即根據(jù)結構構件或節(jié)點的復雜程度和破壞過程中的非線性程度，選擇適當尺度的分析模型，并實現(xiàn)不同尺度模型之間的協(xié)同計算。通過選擇合適的連接方式，使得宏觀尺度模型與微觀尺度的協(xié)同計算，則可更好把握結構的整體受力特征和微觀破壞過程，從而能更好理解、把握結構的性能。

多尺度計算近年來已經在多個領域得到廣泛應用［2－6］，它是在精度和計算代價之間的一個均衡解決途徑。本文以某實際變電站構架作為研究案例，利用MIDAS/GEN軟件對該構架采用多尺度方法進行有限元分析，并主要探討其簡化分析方法的合理性。

1 工程概況

某變電站110kV構架共6個子結構，均為單層單跨排架結構，豎向支承構件為鋼筋混凝土環(huán)形桿組成的人字柱，柱頂標高均為10．0m，橫梁均為格構式鋼梁，現(xiàn)狀構架總貌，如圖1所示。

圖1 構架實際分布情況

2 有限元模擬分析模型

根據(jù)工程結構分布特點及其對稱性，采用MIDAS/GEN軟件建立了3個構架模型進行有限元分析，即終端構架(無地線柱)、終端構架(有地線柱)和中間構架，建立的整體有限元分析模型，如圖2所示。計算考慮的荷載包括構架自重、風荷載(WX、WY)及導線張力(DX)。材料強度:混凝土材料等級C30，鋼材強度等級為Q235。

圖2 構架整體有限元模型

2．1MIDAS/GEN多尺度計算模型

在MIDAS/GEN中，節(jié)點頂板、加勁板以及距頂板300mm以內的環(huán)形混凝土柱柱頭部分均采用板單元模擬，各類板單元間采用共用節(jié)點的方式連接;建立的鋼柱帽多尺度有限元模型(以下簡稱為“多尺度模型”)，如圖3所示。混凝土環(huán)形柱的板單元柱頭與梁單元柱身間采用MIDAS軟件提供的剛性連接耦合節(jié)點各向平動及轉動;桁架與頂板間采用剛性連接約束桁架上弦桿端的各項平動及梁軸線方向上的扭轉;地線柱豎桿底部與頂板間采用剛性連接耦合節(jié)點各向平動及轉動。添加的剛性連接方式，如圖4所示。

圖3 鋼柱帽節(jié)點多尺度模型

圖4 剛性連接

2．2MIDAS/GEN簡化計算模型

由于建立多尺度模型，雖計算結果更加接近實際，但在實際變電站項目中，節(jié)點構造復雜、個數(shù)較多，均采用上述方法建模效率較低。因此，根據(jù)該節(jié)點的受力特點，設計了兩種柱頭節(jié)點(鋼柱帽)的簡化建模方式，即“一字型”剛性桿簡化模型和“工字型”剛性桿簡化模型，如圖5～圖6所示。

圖5 “一字型”簡化模型

圖6 “工字型”簡化模型

3 數(shù)值模擬結果

3．1終端構架(無地線柱)分析結果

3．1．1人字柱內力及變形結果

由圖7～圖9給出了各荷載工況下人字柱內力及變形結果。從圖中數(shù)據(jù)可知，“一字型”“工字型”兩種簡化模型與“多尺度”模型在各工況作用下計算得到的彎矩和軸力均較為一致，在風荷載(WX、WY)和導線張力荷載(DX)作用下彎矩最大誤差為5．9％，軸力最大誤差僅為0．5％。同樣，由圖9中數(shù)據(jù)可知，各工況荷載作用下，兩個簡化模型與多尺度模型柱頭變形結果亦基本接近，最大誤差為6．2％。

3．1．2鋼梁最大應力及變形結果

由圖10～圖11給出了各荷載工況下鋼梁最大應力及變形結果。從圖中數(shù)據(jù)可知，“一字型”簡化模型和“工字型”簡化模型與“多尺度”模型計算得到應力最大誤差僅為0．2％，變形最大誤差為6．2％。

3．2中間構架分析結果

3．2．1人字柱內力及變形結果

由圖12～圖14給出了各荷載工況下人字柱內力及變形結果。從圖中數(shù)據(jù)可知，兩種簡化模型與“多尺度”模型計算得到的彎矩最大誤差為5．6％，軸力最大誤差為1．2％。同樣，由圖14中數(shù)據(jù)可知，各工況荷載作用下，兩種簡化模型與多尺度模型柱頭變形結果最大誤差為8．1％。

3．2．2鋼梁最大應力及變形結果

由圖15～圖16給出了各荷載工況下鋼梁最大應力及變形結果。從圖中可知，各模型計算得到的最大應力和變形均較為一致，鋼梁最大應力誤差僅為0．2％，跨中變形最大誤差為7．6％。

圖7 人字柱彎矩結果對比(單位:kN·m)

圖8 人字柱軸力結果對比(單位:kN)

圖9 人字柱柱頭位移對比(單位:mm)

圖10 鋼梁最大應力結果(單位:N/mm2)

圖11 鋼梁跨中變形結果對比(單位:mm)

圖12 人字柱彎矩結果對比(單位:kN·m)

圖13 人字柱軸力結果對比(單位:kN)

圖14 人字柱柱頭位移對比(單位:mm)

3．3終端構架(有地線柱)分析結果

3．3．1人字柱內力及變形結果

由圖17～圖19給出了各荷載工況下人字柱內力及變形結果。從圖中數(shù)據(jù)可知，“工字型”簡化模型與“多尺度”模型計算得到的彎矩和軸力較為一致。“一字型”簡化模型計算結果與多尺度模型分別在X方向風荷載(WX)和導線張力(DX)荷載作用下計算得到的彎矩和軸力均可保持基本一致，在Y方向風荷載(WY)作用下有一定的誤差;同樣，在Y方向風荷載(WY)作用下，“一字型”簡化模型與多尺度模型柱頭變形亦有一定誤差，最大誤差為4．9％。

圖15 鋼梁最大應力結果(單位:N/mm2)

圖16 鋼梁跨中變形結果對比(單位:mm)

圖17 人字柱彎矩結果對比(單位:kN·m)

3．3．2鋼梁最大應力及變形結果

由圖20～圖21給出了各荷載工況下鋼梁最大應力及變形結果。從圖中數(shù)據(jù)可知，“一字型”和“工字型”簡化模型與“多尺度”模型計算得到應力和變形最大誤差分別為0．6％和8．4％。

圖18 人字柱軸力結果對比(單位:kN)

圖19 人字柱柱頭位移對比(單位:mm)

圖20 鋼梁最大應力結果(單位:N/mm2)

圖21 鋼梁跨中變形結果對比(單位:mm)

3．3．3地線柱應力及變形結果

由圖22～圖23給出了各荷載工況下鋼梁最大應力及變形結果。從圖中可知，“工字型”模型與“多尺度”模型計算得到應力和變形較為一致。但“一字型”模型與“多尺度”模型分別在WY風荷載和DX導線荷載作用下計算得到的應力和變形誤差均較大，誤差最大值分別達到18．3％和30．8％。

圖22 地線柱最大應力結果(單位:N/mm2)

圖23 地線柱頂變形結果對比(單位:mm)

3．4鋼柱帽應力結果

通過柱頭節(jié)點處精細化模型(多尺度模型)，可以得到鋼柱帽頂板、加勁板的詳細應力情況。以下給出了包絡工況下無地線柱終端構架鋼柱帽的應力云圖，如圖24～圖31所示。由圖可知，鋼柱帽頂板有效應力Seff為188．45MPa，最大剪應力Max－shear為105．49MPa。其它加勁板所受剪應力均較小。

圖24 Sxx應力(單位:MPa)

圖25 Syy應力(單位:MPa)

圖26 Szz應力(單位:MPa)

圖27 Sxy應力(單位:MPa)

圖28 Syz應力(單位:MPa)

圖29 Sxz應力(單位:MPa)

圖30 有效應力Seff (單位:MPa)

圖31 最大剪應力Max－shear (單位:MPa)

4 結論

(1)多尺度模型可較為準確模擬結構的整體變形和內力，且能夠得到柱頭鋼柱帽的局部應力水平，模擬結果更能反應實際受力狀態(tài)，但建模繁瑣，工作量大，效率低。

(2)“工字型”簡化模型與多尺度模型在不同構架型式下，均可得到較為一致的內力和變形。“一字型”簡化模型對于無地線柱的構架亦可得到與多尺度模型的較為一致的內力和變形;對于有地線柱的構架，地線柱的內力及變形計算結果誤差較大，但對人字柱計算結果影響較小。

(3)對于鋼柱帽節(jié)點構造符合規(guī)范要求的構架，建議:無地線柱的構架可采用“一字型”剛性桿簡化模型，以提高建模效率;帶地線柱的構架應采用“工字型”剛性桿簡化模型以避免采用“一字型”簡化模型帶來較大誤差。

［1］陸新征，林旭川，葉列平．多尺度有限元建模方法及其應用［J］．華中科技大學學報(城市科學版)，2008，25(4): 76－79．

［2］丁幼亮，李愛群，繆長青，等．大跨橋梁結構損傷診斷與安全評估的多尺度有限元模擬研究［J］．地震工程與工程振動，2006，26(2):66－72．

［3］薛禹群，葉淑君，謝春紅，等．多尺度有限元法在地下水模擬中的應用［J］．水利學報，2004，35(7):7－13．

［4］周妍．多尺度有限元法在復合材料液態(tài)成型模擬中的應用［D］．武漢:武漢理工大學，2009．

［5］孫正華，李兆霞，陳鴻天，等．考慮局部細節(jié)特性的結構多尺度模擬方法研究［J］．特種結構，2007，24(1):71－75．

［6］石永久，王萌，王元清．基于多尺度模型的鋼框架抗震性能分析［J］．工程力學，2011，28(12):20－25．

Discussion of Simplified Finite Element Analysis Model of Steel Column Cap in Substation Structure

YANG Wei1，2ZHANG Yu1，2XIA Jian1，2
(1．Fujian Academy of Building Research，F(xiàn)uzhou 350025; 2．Fujian Provincial Key Laboratory of Green Building Technology，F(xiàn)uzhou 350025)

Three kinds of analysis models of column cap in a substation were established by using MIDAS/GEN software，namely"onetype"，"H－type"and"multi－scale"three kinds of finite element analysis model．The stress and deformation of the three kinds of structures，which were the terminal frame(without the ground column)，the middle frame and the terminal frame(with the ground column)，were analyzed under the action of wind load and wire tension in three models．By comparing the simulation results of two kinds of simplified models with multi－scale models，it could be found that the two simplified analytical models and the multi－scale analysis model could maintain the basic consistency in the whole stress and deformation for the terminal frame(without the ground column)and the intermediate frame type．But for the terminal frame(with the ground column)，the results of internal force and deformation of"one－type"simplified model had large deviation from multi－scale model，while the"H－type"simplified model analytical results were close to the multi－scale model．It is suggested that the substation structure with the ground column should be calculated and analyzed by using the"H－type"simplified model，and the one without ground column can be calculated and analyzed by using the"One－type"simplified model，so as to improve the efficiency of the work．

Substation structure;Multi－scale finite element method;Simplified model

TU3

:A

:1004－6135(2017)01－0055－05

楊偉(1979．10－)，男，高級工程師。

E-mail:ywluck@qq．com

2016－10－17