戶內變電站全螺栓連接鋼框架靜力性能數值模擬分析

胡晨，張慧潔，王昭陽

（1.國網安徽省電力有限公司經濟技術研究院，安徽 合肥 230061；2.合肥工業大學，安徽 合肥 230009）

0 前言

110kV～220 kV戶內變電站主體結構常采用一層或兩層鋼框架結構體系，鋼梁與鋼柱之間一般采用翼緣板焊接、腹板螺栓連接節點，施工現場存在大量的節點現場焊接作業。鋼框架結構方形鋼管柱在平面內兩個方向的慣性矩相等、截面抗扭性能優越，在變電站主體結構體系里應用方鋼管柱-H型鋼梁體系具有承載性能可靠，建筑布置靈活等特點。

基于110kV～220kV戶內變電站主體結構方鋼管柱-H型鋼梁體系，改變傳統梁柱節點連接方式，設計一種柱內無內隔板的卡槽式外環全螺栓連接鋼框架結構體系，為了驗證該體系的承載性能，采用數值模擬的方法對鋼框架體系的承載性能進行分析，為新結構體系的工程應用提供依據。

1 卡槽式全螺栓連接鋼框架構造

根據實際工程案例，確定分析的鋼框架鋼柱采用250×250×12mm的方鋼管柱截面，柱子長2900mm；鋼梁采用HN300×200×8×12mm截面，梁兩端300mm處翼緣加厚為16mm，梁長2670mm，梁柱鋼材型號為Q355?？蚣芰褐濣c所使用的螺栓為10.9級，直徑為24mm，螺栓預緊力為240kN，摩擦系數為0.4。

卡槽式全螺栓連接鋼框架梁柱連接節點如圖1所示，按照我國《鋼結構設計標準》（GB50017-2017）的要求，確定了柱端板和梁連接端板上的螺栓間距和位置，同時依據螺栓間距對柱面連接板和梁連接端板的尺寸進行了設計，柱面連接板與柱通過焊接相連，梁連接端板通過角焊縫焊接與鋼梁連接，每邊柱面連接板與梁連接端板通過8顆高強螺栓連接，形成梁柱連接節點。

圖1 卡槽式全螺栓連接鋼框架梁柱連接節點

2 鋼框架分析模型建立

使用Abaqus軟件對卡槽式全螺栓連接鋼框架進行三維實體有限元數值模擬分析，建模過程中考慮了材料非線性、幾何非線性以及邊界非線性的影響。鋼管柱、工字梁、節點套板均采用的是Q345鋼，取鋼材密度為 ρ=7.85×105g/mm3，彈性模量 E=2.06×105N/mm2，泊松比μ=0.3；高強螺栓所用型號為10.9級M24摩擦型，材料為20MnTi鋼，彈性模量E=2.06×105N/mm2，泊松比 μ=0.3，屈服強度為 940MPa。

選用Abaqus單元庫中的C3D8I（八節點六面體線性非協調模式）單元來進行網格劃分。在進行有限元模型網格劃分時，考慮到模型計算結果的精確度和模型分析所需時間，不同的構件采用了不同的網格尺寸，柱端板和梁連接端板的網格尺寸為10mm，高強螺栓的網格尺寸為5mm，梁、柱網格尺寸均為15mm，整體框架的網格劃分如圖2所示。

圖2 框架網格劃分

在受到外力作用時，鋼框架的節點區域各部件之間是否處于接觸狀態，其接觸面積、接觸內力都是難以預料的，所以對于接觸問題的求解是相當復雜，需要進行多次的迭代循環。在建立的卡槽式全螺栓連接鋼框架有限元模型中，節點板上的螺栓桿與節點板孔壁之間、螺帽與梁連接端板之間，柱端板和梁端翼緣套板之間都存在有接觸關系。在Abaqus中，通過將可能接觸的兩個面定義為一組“接觸對”，能夠較為準確地模擬各部件之間的接觸關系，而在選擇主從面時，一般將剛度相對較大的面定義為“接觸”的主面，剛度較小的面定義為從面。本模型采用通用接觸，除了考慮摩擦的三組接觸對外一般的面均采用Introp-1接觸屬性，即采用默認的屬性設置；而考慮摩擦的三組接觸對則采用設置了切向行為（摩擦公式為罰摩擦公式，摩擦系數取0.4）的Introp-2接觸屬性。

3 數值模擬分析結果

3.1 基本模型分析結果

圖3 鋼框架Mises應力云圖

圖4 荷載-位移曲線

為研究新型外環卡槽螺栓連接鋼框架結構靜力性能，使用Abaqus分析框架的承載力狀態。對框架跨中施加單調豎向荷載，通過分析得到框架的Mises應力云圖（圖3）以及荷載位移曲線圖（圖4）。

從鋼框架Mises應力變形云圖可以看到，梁跨中外力荷載對框架的應力影響主要在梁跨中局部區域及節點上靠近鋼梁的區域。在單調豎向荷載作用下，鋼梁上最大應力集中于鋼梁與節點連接處，隨著荷載的增加，應力逐漸增大，梁端傳遞給梁連接端板的外力越來越大，造成梁連接端板發生形變，梁連接端板與柱面連接板發生部分脫離，使得梁兩端靠近節點處形成塑性鉸。同時，梁跨中上翼緣區域也因局部承受壓力較大使翼緣板發生了明顯屈曲變形，下翼緣處由于拉應力過大而進入屈服，梁跨中位置也形成塑性鉸。方鋼管柱上的最大應力發生在柱端板與鋼柱的連接處，但未發生屈服。螺栓最大應力出現在靠近梁的螺栓孔壁上，最大應力為956MPa，出現局部應力集中。

梁端連接端板最大應力發生在與鋼梁上翼緣接觸的位置，最大應力550MPa，如圖5。柱面連接板最大應力發生在靠近梁的螺孔附近，最大應力430MPa，如圖6?？蚣芙Y構節點區域在梁屈服時未出現整體破壞。

圖5 梁連接端板Mises應力云圖

圖6 柱面連接板Mises應力云圖

從荷載-位移圖（圖4）中可以看出，在加載的初期，鋼框架還處于彈性階段，模型計算施加的豎向荷載與梁跨中撓度呈線性關系，且剛度較大；當荷載增加到600kN之后，框架已進入彈塑性階段，荷載-位移曲線的切線斜率逐漸減小，剛度相應減小；臨近加載后期，曲線趨于平緩，達到曲線上的設計狀態時，外荷載已達到950kN，認為框架已經破壞。圖中設計狀態是指當框架有限元模型上應力較大的截面，也就是鋼梁兩端與梁連接端板接觸處截面的大部分區域應力達到材料的極限應力時，即認為框架已經破壞，由此所定義的一個特定的時刻狀態。

3.2 變參數分析結果

為研究梁連接端板厚度對框架性能的影響，在保持鋼框架的其它幾何參數不變的情況下，梁連接端板的厚度分別取為20mm、25mm、30mm，框架模型依次為 KB-1(20mm)，KB-2(25mm)，KB-3(30mm)，下面分別給出了框架在豎向荷載作用下框架彈性階段、塑性階段、破壞階段對應的應力分布云圖。

圖7 單調荷載下應力云圖

由圖7可知，隨著梁連接端板厚度增大，框架節點處柱端板和梁連接端板的連接更加緊密，兩者的位移形變減小，試件的鋼梁跨中以及梁與梁連接端板接觸處的最大應力區域逐漸減小，鋼柱節點處受力更加均勻。KB1～KB3試件的破壞時，最大應力都集中于鋼梁與節點連接處，且分布于鋼梁上下翼緣處，應力已達到材料的屈服強度，框架在此處發生塑性破壞。綜上可知，隨著梁連接端板厚度的增大，梁連接端板與柱面連接板的連接增強，框架整體剛度隨之增大。

試件的荷載位移曲線如圖8所示，三組試件的荷載位移曲線的總體變化趨勢一致，都經歷了由彈性進入塑性然后破壞的階段，從KB-1到KB-3，隨著梁連接端板厚度的增加，試件的屈服荷載和極限荷載得到提高，但增加的幅度不大。

圖8 荷載位移曲線

4 結論

卡槽式全螺栓連接節點是一種新型裝配式鋼框架連接節點，適用于裝配式工業化建筑結構，對采用卡槽式全螺栓連接節點的鋼框架的靜力性能進行數值模擬分析，通過分析可得：

①建立的實體模型考慮了螺栓桿與孔壁、螺帽與梁端翼緣套板，柱面連接板和梁端翼緣套板的接觸關系，建立的模型可以真實反映結構的受力特征。

②分析得到了卡槽式全螺栓連接節點的鋼框架的破壞機理，結構首先在鋼梁與節點的梁連接端板連接處產生塑性變形，梁連接端板與柱端板發生脫離，從而在梁兩端形成塑性鉸，而框架結構的節點區域在梁屈服時并未出現整體破壞。

③隨著梁連接端板厚度的增大，試件節點處柱面連接板和梁連接端板的連接更加緊密，框架整體剛度隨之增大。