變電構架格構式梁柱連接節(jié)點分析研究

鞠洪濤　姜文　周紅

摘? 要：梁柱連接節(jié)點是變電構架結構關鍵部位，關系到構架的整體受力性能，該文采用通用有限元模擬軟件對變電構架中梁柱連接節(jié)點受力性能進行數(shù)值模擬分析，得到了各節(jié)點的破壞形式，極限承載力和荷載—位移曲線。計算了I型、槽型和T型3種不同插板形式梁柱連接節(jié)點，并對比3種插板計算結果，提出變電構架格構式梁柱連接設計合理優(yōu)化建議。

關鍵詞：格構梁柱連接;有限元模擬;數(shù)值分析;插板

中圖分類號： TU318? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

格構式梁柱變電構架斷面通常為為四邊形結構，主要用于自身高度、跨度及荷載水平較大的超高壓和特高壓構架結構，構架結構的安全可靠性是保證變電站正常運行的必要條件，而梁柱連接節(jié)點作為變電構架結構關鍵部位，關系到變電構架的整體受力性能，因此有必要對梁柱節(jié)點進行系統(tǒng)研究，從而能夠更好地進行優(yōu)化設計，保證變電構架安全可靠。

1 模型鋼管長度確定和有限元驗證

1.1 模型鋼管長度確定

由于節(jié)點在分析過程中，邊界條件和荷載均施加在各肢的端部，所以各肢建模長度的正確與否顯得十分重要，為了避免端部約束對節(jié)點域的影響，支管長徑比取5。

以構架梁柱連接節(jié)點中的I型插板形式節(jié)點進行試算，通過建立各肢長為別為4D、5D和6D三個不同有限元模型，其中D為各肢的外徑。

通過計算對比極限承載力（表1）可知，4D、5D和6D的極限承載力都十分接近，并且荷載—位移曲線變化趨勢接近，驗證了國內外研究者在節(jié)點研究中支管長徑比取5這一結論，所以構架梁柱節(jié)點中的鋼管肢在有限元分析中均取5。

1.2 有限元模型驗證

為了驗證所研究節(jié)點的有限元軟件建模的正確性，分別采用兩種軟件對有限元模型進行驗證。具體驗證的模型有I型插板形式的構架梁柱連接節(jié)點，2種程序的計算結果如圖1和表2所示。

從圖1和表2可以看出，ANSYS與SAP2000所建立的有限元模型計算得到的各節(jié)點荷載—位移曲線吻合較好，極限承載力較為接近，偏差均小于5%。

2 構架梁柱連接節(jié)點設計

2.1 有限元模型的選取和建立

根據(jù)變電構架模型選出最不利工況[1-2]下模型中的構架梁柱連接節(jié)點，節(jié)點選取示意圖如圖2所示。

構架柱主材選用Φ325 mm×10 mm，分別選用斜肢、橫肢分別選用Φ95 mm×5 mm、Φ89 mm×5 mm;大節(jié)點板厚度20 mm，小節(jié)點板、加勁板、插板厚度10 mm。

2.2 節(jié)點設計

選用的插板形式有I型、槽型和T型3種，螺栓的布置通過SAP2000計算得到的節(jié)點各肢的內力，然后通過計算確定螺栓的布置形式。

各插板節(jié)點中螺栓的受力狀態(tài)均為雙剪狀態(tài)，以節(jié)點中的肢2為例對整個構架梁柱節(jié)點的設計過程進行說明，設計前根據(jù)工程經(jīng)驗先選定節(jié)點板的厚度為10 mm。

由SAP2000軟件計算獲得肢2所受軸力采用4個M20螺栓雙排雙列排布。

2.2 構造措施

對螺栓進行雙排雙列排布，按鋼結構的構造要求確定螺孔邊距和中心距。 焊縫在相應節(jié)點板、鋼管、加勁板接觸長度范圍內全部采用焊接連接。設計構件尺寸示意圖如圖3所示。

2.3 本構關系

材料選用Q345（Q355）鋼材，鋼材屈服強度為345（355）MPa，彈性模量E為206 GPa，6.8螺栓的屈服強度為320 MPa，彈性模量E為206 GPa[3]。有限元模型中鋼材在多軸應力狀態(tài)下采用Von-Mises屈服準則來判斷鋼材是否屈服，本構模型選擇隨動強化模型，強化模量Et取0.01E，泊松比取0.3。

3 單元選取和網(wǎng)格劃分

在模型單元的選擇上，節(jié)點板、肢和插板等采均用殼單元，螺栓采用實體單元。

實體單元庫中，單元積分形式包括完全積分、減縮積分、非協(xié)調積分。對比完全積分單元，減縮積分單元在是每個方向上少用一個積分點，因而不會發(fā)生過約束，因此采用減縮積分。

單元網(wǎng)格的劃分是有限元分析中至關重要的一環(huán)，對后續(xù)計算結果的準確性影響較大。網(wǎng)格劃分技術有：掃略劃分網(wǎng)格、自由化分網(wǎng)格、映射劃分網(wǎng)格、結構劃分網(wǎng)格和虛擬拓撲。網(wǎng)格劃分示意圖如圖4所示。

4 邊界條件與荷載施加

通過SAP2000建模計算結果得知在最不利工況（Y方向大風最不利）[4]下，節(jié)點的最不利肢分別為肢4（受壓）和肢2（受壓）。因此，針對最不利工況下的最不利肢制定加載方案，用以分析本節(jié)點的極限承載能力。具體加載方案的邊界條件和荷載施加如下所示。

肢4加載方案的邊界條件和荷載施加情況見表3。肢2的加載方案邊界條件和荷載施加情況見表4。

5 計算結果分析

5.1? 破壞模式

節(jié)點的破壞模式主要呈現(xiàn)為加載肢4和肢2的插板發(fā)生屈曲破壞，如圖5所示。

5.2 荷載-位移曲線

有限元計算得到的荷載—位移曲線如圖6和圖7所示。3種插板形式中，I型插板節(jié)點的極限承載力最低，槽型插板節(jié)點較高，T型插板節(jié)點的最高，三者的荷載—位移曲線變化趨勢相近，都是荷載上升到極限承載力后逐漸下降，這主要與加載肢受壓屈曲有關。

5.3? 極限承載力

表5列出了3種插板形式節(jié)點的極限承載力，其中對于肢4，槽型插板節(jié)點和T型插板節(jié)點的極限承載力相對于I型插板節(jié)點分別高了35.50%和49.74%;對于肢2，槽型插板節(jié)點和T型插板節(jié)點的極限承載力相對于I型插板節(jié)點分別高了72.34%和91.60%，說明插板形式的改善對于提高節(jié)點的承載能力效果十分顯著。

6 結語

從計算結果可知，梁柱連接節(jié)點的破壞主要表現(xiàn)在插板和其對應肢的破壞。插板形式的改善對于提高節(jié)點的承載性能效果十分顯著，槽型和T型插板節(jié)點相比于I型插板節(jié)點，承載能力較高，受力性能優(yōu)越。因梁柱連接節(jié)點是結構關鍵部位，關系到變電構架的整體受力性能，因此建議優(yōu)先采用槽型插板節(jié)點和T型插板節(jié)點，盡量少采用I型插板節(jié)點。

參考文獻

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[3]國家能源局.DL/T 5457—2012，變電站建筑結構設計技術規(guī)程[S].北京：中國計劃出版社，2012：9-11，36-42.

[4]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 50017—2017，鋼結構設計標準[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2017：16-23，102-106.