某變電站工程翼緣加寬型鋼框架結構受力性能數值模擬研究

王世斌，呂曉健 ，姚治，趙守信，馮玉龍，曾志豪 ，于飛

(1.國網安徽省電力有限公司滁州供電公司，安徽 滁州 239004；2.合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

0 前言

傳統變電站建設由于其施工周期長、工序復雜、受環境影響較大，難以滿足我國城市建設及電網快速發展的要求和現代化工程建設的理念[1]。鋼結構體系具有強度高、跨度大、施工工期短、抗震性能好等優勢，較多的變電站采用鋼結構形式[2]。變電站鋼框架結構的梁柱節點較為常用的是腹板螺栓連接、翼緣焊接的連接形式[3]。近年來，為提高施工效率和質量，設計人員開始研究全螺栓連接形式。在全螺栓連接節點中，上部翼緣通過其上方的連接板與鋼梁實現螺栓連接，樓板的鋼板底模在連接板凸起位置現場切割，然后澆筑混凝土，以實現樓板與鋼梁的緊密貼合。但是通過現場應用發現，將鋼板底模切割后，導致澆筑混凝土時，在切割部位出現漏漿，既影響美觀，又影響澆筑質量。

為解決變電站鋼結構建筑采用全螺栓連接時的漏漿問題，設計人員提出了鋼梁翼緣加寬型節點的改進措施。但改進節點解決漏漿問題的前提是要保證結構的安全。因此，明確翼緣加寬型鋼框架節點及其結構的力學性能和在地震作用下的彈塑性性能是重要的。同時，鋼梁翼緣加寬型節點對鋼梁性能的影響程度也應滿足“強柱弱梁”的設計目標，以防結構發生脆性破壞[4-5]。通過鋼梁翼緣加寬型結構參數化分析，明確翼緣加寬型框架結構受力性能的主要影響因素，可以優化梁柱翼緣加寬型節點及其框架的設計，達到安全經濟的設計原則。

基于此，本文通過對翼緣加寬型鋼框架進行數值研究，進行了設計荷載校核、彈塑性推覆分析、普通框架對比分析，梁材料及連接板寬度的參數化分析，分析結果可為背景工程及其以后類似工程設計與施工提供參考。

1 工程概況

本文背景工程為安徽蚌埠香澗500kV輸變電工程，其位于安徽省蚌埠市淮上區、龍子湖區、五河縣、淮北市烈山區境內。該工程的繼電器室采用單層鋼框架結構，長16.8m，寬7m，長度和寬度方向分別設置4榀橫向框架和2榀縱向框架，共有8根框架柱，截面型號為HW300×300×10×15(mm)，共 10 根框架主梁，截面型號為HN400×200×8×13(mm)，柱和梁的材料牌號均為Q355B，梁柱平面布置圖如圖1所示。針對項目全螺栓連接形式，在柱端鋼梁拼接處的梁翼緣兩邊各加寬60mm，優化節點連接并解決漏漿問題，樓承板遇鋼梁翼緣拼接板處節點如圖2所示。

圖1 梁柱平面布置圖（單位：mm）

圖2 樓承板遇鋼梁翼緣拼接板處節點圖

2 框架有限元建模

選取軸鋼梁翼緣加寬型橫向框架作為結構分析模型，并對其進行數值分析。該模型取柱高4900mm，梁長6700 mm，翼緣加寬部分翼緣寬度為320mm，翼緣連接板為一塊尺寸為610×200×10 和兩塊尺寸為 610×80×12的Q235B鋼板構成，上下翼緣均用16個10.9級M20摩擦型高強螺栓連接；腹板連接板為兩塊尺寸為330×310×8的Q235B鋼板，使用16個10.9級M20摩擦型高強螺栓連接。選取的一榀橫向框架ABAQUS有限元模型組裝示意如圖3所示。

圖3 軸橫向框架有限元模型組裝示意圖

在數值模型中，所有鋼板單元采用C3D8R實體單元進行模擬，螺栓采用C3D8I實體單元模擬。材料本構模型選用雙折線模型，其屈服后模量為初始彈性模量的0.01倍。所有接觸位置均采用通用接觸。通用接觸屬性中，采用“硬”接觸模擬接觸面法向接觸，并允許接觸后分離，切向設置摩擦屬性，摩擦系數為0.4。對于實際上使用焊接的部分，如梁段與柱的連接，柱與加勁肋的連接，在模型中采用“tie”綁定進行模擬。對邊界條件進行簡化，設置柱底為完全固結。在網格劃分時，對于連接板、螺栓及其連接部位進行網格細化處理[6]。部分部件網格劃分如圖4所示。

圖4 部件網格劃分圖

3 設計校核與推覆分析

3.1 設計荷載下計算結果

根據背景工程設計條件，針對小震與豎向荷載共同作用下的工況，在框架上施加了如下設計荷載：柱頂水平集中力為16.632kN，梁上集中力(次梁傳力)為 3×32.093kN，梁上線荷載為0.643kN/m，柱頂集中力為 2×21.733kN。

如圖5所示，在設計荷載作用下整跨梁Mises應力在梁端部和梁中間段較大，梁中間段Mises應力在118.4MPa～236.7MPa，其值小于鋼材強度設計值。需要注意的是，本文所有Mises應力云圖的單位均是MPa，位移云圖的單位均是mm。

圖5 設計荷載作用下梁柱Mises應力云圖

圖6（a）為框架梁上翼緣的中部應力隨著框架梁長方向（Z方向）路徑變化圖，由圖可知，框架梁上翼緣Z方向Mis?es應力在5.6MPa～186.1MPa，其值小于鋼材強度設計值。6（b）和（c）分別為框架梁根部截面和變截面處的上翼緣應力隨著翼緣寬度方向（X方向）和腹板應力隨著腹板高度方向（Y方向）路徑變化圖，如圖6（b）所示，梁根部截面上翼緣X方向Mises應力在36.0MPa～75.1MPa；梁變截面上翼緣X方向Mis?es應力在38.7MPa～69.7MPa；如圖6（c）所示梁端腹板Y方向Mises應力在27.5MPa～336.6MPa；梁變截面腹板Y方向Mises應力在34.1MPa～64.6MPa。由上可知，框架梁單元應力基本小于梁鋼材強度設計值，這表明項目翼緣加寬型鋼框架結構框架梁在小震和豎向荷載共同作用下基本保持彈性狀態，滿足規范小震彈性的抗震設計要求。

圖6 設計荷載作用下結構構件應力路徑圖

如圖5所示，柱上端節點域應力較大，節點域應力在137.3MPa～176.4MPa。圖6（d）為柱翼緣和柱腹板的中部Mises應力沿框架柱長度方向（Y方向）路徑變化圖，如圖所示框架柱翼緣Y方向Mises應力在2.0MPa～77.2MPa；框架柱腹板Y方向Mises應力在20.6MPa～142.8MPa。由圖上可知，框架柱單元應力基本小于柱鋼材強度設計值，這表明項目翼緣加寬型鋼框架結構框架柱在小震和豎向荷載共同作用下基本保持彈性狀態，滿足規范小震彈性的抗震設計要求。

圖6（e）和（f）分別是框架梁上翼緣連接板的中部Mises應力沿板寬度方向（X方向）和長度方向（Z方向）的路徑圖；如圖6（e）所示梁上翼緣連接板X方向Mises應力在40.4MPa～93.3MPa；如圖6（f）所示梁上翼緣連接板Z方向Mises應力在13.9MPa～64.3MPa。可知，連接板單元應力基本小于連接板鋼材強度設計值，這表明項目翼緣加寬型鋼框架結構的連接在小震和豎向荷載共同作用下基本保持彈性狀態，滿足規范小震彈性的抗震設計要求。

如圖7所示，在設計荷載作用下，框架柱左柱柱頂水平位移約為4mm，位移角為1/1255，框架處于彈性階段，滿足規范框架結構小震位移角限值要求（1/200）。

圖7 設計荷載作用下框架平面內位

綜上，項目翼緣加寬型鋼框架結構滿足規范小震彈性的抗震設計要求。

3.2 推覆分析結果

3.2.1 2%位移角推覆結果

對框架柱端施加98mm位移（層間位移角為2%）后，得到結構應力、位移及反力模擬結果。由圖8可知，應力比較大的區域是柱底和梁柱節點域。由圖9可知，梁的應力出現兩邊大中間小的趨勢，加載過程中，梁上下翼緣應力由梁端向梁跨中擴散，梁腹板應力由腹板翼緣相交處向腹板中部擴散。由于梁端受柱約束作用，應力由梁柱相交處向外擴散，梁端的應力最大，梁端下部翼緣和腹板交接處鋼材首先出現屈服，隨后是梁端上部翼緣和腹板交接處屈服，隨著柱端加載位移的增大，梁端下部的鋼材屈服主要集中在下翼緣和腹板的交接處，而梁端上部的屈服主要集中在上翼緣與柱交接處。由圖10可知，變截面處應力相較于梁跨中要大，梁翼緣的應力在147.9MPa～236.7MPa，在變截面的翼緣角部出現了應力集中，應力大小在295.8MPa～325.4MPa。柱在加載過程中，應力由柱端向柱中部擴散，擴散的趨勢與梁相同。由圖11可知，柱端位移達到98mm時，柱子鋼材屈服位置在柱上端節點域腹板處以及柱下端翼緣及翼緣和腹板相交處。

圖8 一榀框架Mises應力云圖

圖9 梁Mises應力云圖

圖10 變截面處Mises應力云圖

圖11 柱Mises應力云圖

3.2.2 4%層間位移角及6%層間位移角推覆結果

由圖12所示位移荷載98mm對應反力為371.439kN，位移荷載196mm對應反力為394.661kN，而加載至294mm對應的反力為386.356kN，小于加載196mm時的反力，說明框架的強度在加載后期略有下降。從圖12中可以看出，在層間位移角1%下，鋼框架的反力位移曲線近似一條斜直線，水平位移施加至196mm（層間位移角為4%）時，力位移曲線上升變緩，當水平位移繼續增大直至217mm（層間位移角為4.4%）時，力位移曲線出現下降段，增加至294mm（層間位移角為6%）時，鋼材下降段不明顯，這些結果表明翼緣加寬型鋼框架結構具有很好的彈塑性性能。由圖13和圖14可知，翼緣加寬型鋼框架在加載中，框架梁比柱先屈服，基本滿足強柱弱梁的破壞模式。

圖12 柱底總剪力-柱頂位移曲線

圖13 4%位移角下框架Mises應力云圖

圖14 6%位移角下框架Mises應力云圖

4 對比分析

4.1 對比模型

為探究翼緣加寬型框架和普通框架的力學性能差異，建立普通節點的一榀鋼框架模型，普通框架模型鋼梁全跨不做翼緣加寬處理，其余參數與翼緣加寬型框架一致，對比兩種框架在2%位移角下的力學性能差異。普通框架與翼緣加寬型框架對比模型如圖15所示。

圖15 普通框架與翼緣加寬型框架對比模型圖

4.2 分析結果

圖16對比了普通框架和翼緣加寬型框架的梁端應力。普通框架的下翼緣與腹板交界處的屈服區域面積要小于翼緣加寬型框架，普通框架梁柱節點區域內上翼緣的應力大部分在266.6MPa～325.5MPa，而翼緣加寬型框架梁柱節點區域內上翼緣的應力大部分在148.1MPa～266.3MPa。由圖17可知，在柱端位移施加到98mm時，普通框架和翼緣加寬型框架的反力隨位移變化趨勢基本一致，即在2%位移角下，節點形式的改變對一榀框架的剛度和強度基本沒有影響。

圖16 梁端Mises應力對比圖

圖17 不同鋼梁節點形式柱底總剪力-柱頂位移曲線

5 參數化分析

5.1 參數化模型

為得到框架受力性能影響因素及其影響規律，對一榀鋼框架進行參數化模型分析。為實現“強柱弱梁”的設計目標，參數1調整了梁材料，將梁的鋼材定義為Q235B，柱子鋼材仍為Q355B，觀察一榀鋼框架損傷模式；參數2在滿足規范規定連接板的構造要求前提下，減小連接板的寬度，觀察連接板的受力情況。

5.2 參數1分析結果

由圖18可知，在柱端施加98mm位移荷載（2%層間位移角），鋼梁在梁柱相交處的屈服區域相較于Q355B鋼梁屈服區域要大，鋼梁翼緣變截面處的鋼材同樣也屈服。由圖19可知，在相同位移荷載作用下，改變鋼梁的材料對框架結構彈性剛度影響不大；Q235B鋼材梁和Q355B鋼材梁隨著加載位移的增大，反力均先上升后下降，但采用Q235B梁的鋼框架反力下降早于采用Q355B梁的鋼框架，且在加載位移200mm以后，采用Q235B梁的鋼框架反力下降的程度明顯大于采用Q355B梁鋼框架。

圖18 不同鋼梁強度Mises應力云圖

圖19 不同鋼梁強度柱底總剪力-柱頂位移曲線

5.3 參數2分析結果

由圖20可知，同樣在柱端施加98mm位移荷載（2%層間位移角），采用原尺寸200mm寬的外側連接板最大應力為340.6MPa，而將寬度改為186mm的外側連接板最大應力為333.8MPa，且連接板上屈服區域面積小于原寬度連接板的屈服區域面積。由圖21可知，采用原尺寸80mm寬的內側連接板最大應力為315.6MPa，而將寬度改為66mm的內側連接板最大應力為324.8MPa，連接板上屈服區域面積同樣小于原寬度連接板的屈服區域面積。

圖20 外側連接板Mises應力對比圖

圖21 內側連接板Mises應力對比圖

6 結論

本文以安徽蚌埠香澗變電站新建工程的500kV繼電器室項目為背景工程，采用ABAQUS軟件對一榀典型框架進行了數值模擬，主要研究結論包括以下幾點：

①翼緣加寬型鋼框架結構在設計荷載作用下，層間位移角較小，框架梁柱構件、梁柱節點及其連接板件均基本處于彈性，這表明鋼框架結構受力性能滿足設計要求；

②翼緣加寬型鋼框架結構在推覆過程中，框架梁根部率先屈服，隨后節點剪切域和柱底部屈服，基本滿足強柱弱梁的破壞模式；1%位移角內推覆力位移曲線基本呈線性，具有較好的彈性剛度，2%位移角時曲線明顯折轉，6%位移角下結構曲線下降段不明顯，結構具有較好的變形能力；這些結果表明翼緣加寬型鋼框架結構具有較好的彈塑性性能；

③翼緣加寬型鋼框架結構和普通框架結構對比研究表明，兩者破壞模式基本相同，翼緣加寬可以減小框架梁根部局部應力，兩者的力位移曲線基本吻合，即結構的初始剛度和強度基本不變；這些結果表明翼緣適當加寬并不會明顯改變結構的整體力學性能；

④梁材料由Q355改為Q235B，1%位移角以內力位移曲線基本吻合，6%位移角時曲線下降斜率大，這表明梁材料參數對結構彈性剛度影響較小，對結構塑性性能有一定影響；梁翼緣連接板的寬度由200mm改為186mm，結構整體性能與連接板應力相差不大，這表明適當減小連接板寬度并不會明顯改變結構力學性能。