楊建江，焦宇飛，劉亮亮

(1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072；2.華北電力設(shè)計院有限公司，北京 100120)

frame pillar;edge pillar at the end of the long continuous beam

隨著我國跨區(qū)域輸電戰(zhàn)略的推進，500 kV全聯(lián)合變電構(gòu)架得到廣泛應(yīng)用.其作為一種將母線構(gòu)架、主變進線構(gòu)架和出線構(gòu)架分層聯(lián)合布置的全新結(jié)構(gòu)形式，具備良好的空間力學(xué)性能，同時能更好的滿足變電工程電器接線形式和緊湊布置的需求.隨之而來的問題也十分明顯.相較于傳統(tǒng)單孔鋼門型變電構(gòu)架，該類結(jié)構(gòu)構(gòu)架梁的聯(lián)合布置和構(gòu)架柱的減少使其更易受到復(fù)雜運行工況的影響.同時，電器接線的緊湊布置也給結(jié)構(gòu)帶來更大的導(dǎo)線裹冰荷載.作為變電站中最復(fù)雜的構(gòu)筑物，其連續(xù)長度近200 m，遠超露天鋼結(jié)構(gòu)120 m縱向溫度區(qū)段的限值[1].因此，全聯(lián)合變電構(gòu)架的溫度作用不容忽視，目前主要處理方式為在構(gòu)架中間位置設(shè)置伸縮縫.但對于溫度作用下構(gòu)架柱受力性能的研究較少，現(xiàn)行相關(guān)設(shè)計規(guī)范也并不詳盡，留下一定程度的安全漏洞.在近年來大量的研究和運用實例中，基于有限元方法的大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬已成為全聯(lián)合變電構(gòu)架受力分析的主要手段.國內(nèi)外學(xué)者運用ANSYS和STAAD.Pro等有限元分析軟件對于全聯(lián)合變電構(gòu)架的優(yōu)化設(shè)計[2]、風(fēng)荷載[3]和風(fēng)致動力響應(yīng)[4]、空間管節(jié)點形式[5]和受力性能[6]等領(lǐng)域進行了深入研究.而目前對于全聯(lián)合構(gòu)架中的鋼管柱在溫度作用效應(yīng)和多種運行工況下的受力特性對比研究還少見文獻刊載.本文以輕覆冰區(qū)[7]某500 kV全聯(lián)合變電構(gòu)架為例，采用大型通用有限元分析軟件ANSYS對結(jié)構(gòu)模擬施加了大風(fēng)荷載和覆冰荷載，并與其考慮溫度作用后的受力情況進行對比分析.

1　分析模型

1.1　工程概況

該結(jié)構(gòu)采用3層橫梁全聯(lián)合構(gòu)架布置方案，掛線點標高由低到高依次為20.0 m的母線梁，26.0 m的主變進線和500 kV出線梁，35.0 m的側(cè)出線橫梁、斜梁及聯(lián)系梁.縱向全長195 m，于110 m處設(shè)2 m寬伸縮縫，兩端設(shè)端撐柱.橫向?qū)?1 m，設(shè)3排構(gòu)架柱，中間柱采用A型柱，出線柱為單鋼管柱.根據(jù)梁柱以法蘭連接的特點，將梁柱剛接按空間剛架體系建立分析模型(圖1).

圖1　構(gòu)架空間模型

1.2　模型前處理

本文采用實際建模法建立全聯(lián)合構(gòu)架有限元分析模型.在前處理階段選用BEAM188單元并定義14種桿件截面，鋼材密度取7.85×103kg·m-3，彈性模量為2.06×1011N·m-2.由于鋼材為線彈性材料且各向同性，同時具備良好的導(dǎo)熱性能，假定其溫度隨環(huán)境溫度變化并發(fā)生線性膨脹，平均熱膨脹系數(shù)取1.2×10-5℃；默認采用脆性轉(zhuǎn)變溫度低于輕覆冰區(qū)最低日計算平均溫度的鋼材，故不考慮鋼材在低溫條件下的脆性轉(zhuǎn)變.

不同工況下的導(dǎo)線荷載由電器專業(yè)提供.構(gòu)架風(fēng)荷載[8]取為

wk=βzμsμzw0

式中：βz為高度z處的風(fēng)振系數(shù);μs為風(fēng)荷載體形系數(shù);μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù);w0為基本風(fēng)壓，取0.4 kPa.由于構(gòu)架體型不規(guī)則，z取各桿件型心處高度，得出其所對應(yīng)表面風(fēng)荷載標準值，在模型中進行分段加載.

1.3　荷載組合

根據(jù)《變電構(gòu)架設(shè)計手冊》，考慮兩種工況荷載效應(yīng)組合對結(jié)構(gòu)進行加載.

考慮溫度效應(yīng)的覆冰有風(fēng)工況，是在當(dāng)?shù)叵募驹试S露天作業(yè)的最高日平均氣溫條件下安裝，最低日計算平均溫度條件下運行，取計算溫度差為-40 ℃；覆冰條件下結(jié)構(gòu)計算風(fēng)速取V=10 m·s-1，計算風(fēng)壓W10k=0.062 5 kPa

覆冰有風(fēng)工況(I)：1.2Gk+1.3D12k+1.4W10k

考慮溫度效應(yīng)的覆冰有風(fēng)工況(It)：1.2Gk+1.3D12k+1.4W10k+1.0Δt

考慮溫度效應(yīng)的最大風(fēng)速工況，在當(dāng)?shù)叵募驹试S露天作業(yè)的最高日平均氣溫條件下安裝，最大風(fēng)環(huán)境溫度條件下運行，取計算溫度差為-30 ℃；取工程所在地區(qū)基本風(fēng)壓為0.4 kPa.

大風(fēng)工況(W)：1.2Gk+1.3D11k+1.4Wk

考慮溫度效應(yīng)的大風(fēng)工況

(Wt)：1.2Gk+1.3D11k+1.4Wk+1.0Δt

2　受力情況分析

對于兩端設(shè)有剛性支撐、總長超過150 m的連續(xù)排架，或總長度超過100 m的連續(xù)剛架，應(yīng)計算溫度作用效應(yīng)的影響[9].因此，全聯(lián)合變電構(gòu)架于主變進線和500 kV低出線梁處產(chǎn)生明顯溫度作用效應(yīng).在本變電構(gòu)架中，B軸標高26 m處為長度大于100 m的連續(xù)鋼梁，溫度作用下梁端構(gòu)架柱受連續(xù)梁X軸方向形變影響最大.本工程存在結(jié)構(gòu)及荷載的不對稱性，故選取B-1、B-9兩處帶端撐構(gòu)架柱為分析對象(圖2).

根據(jù)ANSYS計算結(jié)果，四種荷載組合作用下兩柱均在柱底節(jié)點受力最大.

因此，分別列出大風(fēng)工況(W)、考慮溫度效應(yīng)的大風(fēng)工況(Wt)、覆冰有風(fēng)工況(I)、考慮溫度效應(yīng)的覆冰有風(fēng)工況(It)下B-1、B-9兩構(gòu)架柱在標高26 m及柱底處節(jié)點受力，對比節(jié)點在不同荷載組合下內(nèi)力值之間關(guān)系，以分析溫度作用效應(yīng)對運行工況的影響.

圖2　長連續(xù)梁端柱空間模型

2.1　端柱B-1在標高35.0 m處內(nèi)力分析

構(gòu)架柱標高35.0 m處Z軸方向剪力主要來自導(dǎo)線荷載、結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載及溫度作用效應(yīng)引起的連續(xù)梁變形，軸力主要來自構(gòu)架自重及導(dǎo)線荷載，Z軸方向剪力主要來自結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載及導(dǎo)線荷載.

表1為端柱B-1標高35.0 m處各節(jié)點在4種荷載組合下受力情況.當(dāng)考慮溫度效應(yīng)時，相比于Z軸方向，構(gòu)架柱在X軸方向剪力變化更明顯，即溫度作用效應(yīng)對構(gòu)架柱的影響主要體現(xiàn)在X軸方向.結(jié)合不同荷載組合下節(jié)點受力對比可知，在溫度作用效應(yīng)下X軸方向剪力變化幅度較小，各節(jié)點主要內(nèi)力仍來自導(dǎo)線荷載及結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載.故溫度作用效應(yīng)在構(gòu)架設(shè)計中不起控制作用，應(yīng)取大風(fēng)工況為控制工況.

表1　端柱B-1在不同荷載組合下內(nèi)力分析(標高35.0 m處)

2.2　端柱B-9在標高35.0 m處內(nèi)力分析

表2為端柱B-9標高35.0 m處各節(jié)點在不同荷載組合下的受力情況.同端柱B-1，由表中數(shù)據(jù)易知溫度作用效應(yīng)對構(gòu)架柱的影響主要體現(xiàn)在X軸方向，但其在構(gòu)架設(shè)計中不起控制作用.

相較于端柱B-1，該柱d、e桿在Z軸方向所受剪力增加，說明下風(fēng)向構(gòu)架柱受結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載及導(dǎo)線風(fēng)荷載影響較大.結(jié)合不同荷載組合下節(jié)點受力對比可知，兩種運行工況在考慮溫度作用效應(yīng)后構(gòu)架柱各向內(nèi)力均有所減小，故溫度(低溫)作用效應(yīng)可在一定程度上削弱風(fēng)荷載對下風(fēng)向構(gòu)架柱的影響.

2.3　端柱B-1在柱底處內(nèi)力分析

由端柱B-1底部各節(jié)點在兩種運行工況下受力情況(見表3)可知，溫度作用效應(yīng)對構(gòu)架柱的A型柱部分表現(xiàn)為壓力作用，對端撐柱表現(xiàn)為拉力作用，故長連續(xù)梁在低溫條件下沿X軸方向收縮變形，整體上對構(gòu)架柱產(chǎn)生繞Z軸力矩.

表2　端柱B-9在不同荷載組合下內(nèi)力分析(標高35.0 m處)

表3　端柱B-1在不同荷載組合下內(nèi)力分析(標高-0.35 m處)

結(jié)合大風(fēng)工況和覆冰工況下端柱B-1柱底節(jié)點受力對比發(fā)現(xiàn)，溫度作用下，端柱各桿Z軸方向剪力基本保持不變，說明構(gòu)架柱溫度應(yīng)力主要出現(xiàn)在長連續(xù)梁方向，對短連續(xù)梁方向(僅兩跨)影響較?。欢酥撞縓軸方向受剪力增大，其中c桿增大最明顯，且增長方向同長連續(xù)梁在溫度作用效應(yīng)下形變方向一致，說明構(gòu)架柱水平方向溫度作用力主要由端撐柱承受.在溫度作用下，a、b桿底部繞X軸方向，c桿底部繞Z軸方向均發(fā)生明顯彎矩變化，因此彎矩重分布現(xiàn)象主要出現(xiàn)在A型柱底繞X軸方向和端撐柱底繞Z軸方向.

此外由表3可知，端柱B-1底部單桿最大軸向力和彎矩值均出現(xiàn)在考慮溫度效應(yīng)的大風(fēng)工況下，由此可見大風(fēng)工況在此構(gòu)架柱設(shè)計中起控制作用，且溫度作用效應(yīng)不可忽略.

2.4　端柱B-9在柱底處內(nèi)力分析

表4為端柱B-9底部各節(jié)點在不同荷載組合下的受力情況.同端柱B-1，根據(jù)表中數(shù)據(jù)易知溫度作用效應(yīng)對構(gòu)架柱整體表現(xiàn)為繞Z軸力矩；構(gòu)架柱水平方向溫度作用效應(yīng)主要由端撐柱承受；且于A型柱底繞X軸方向和端撐柱底繞Z軸方向出現(xiàn)彎矩重分布.

結(jié)合兩種運行工況下端柱B-9底部節(jié)點受力對比不難看出，相較于端柱B-1，該柱考慮溫度作用效應(yīng)時d、e桿在X軸方向剪力和d桿軸力發(fā)生明顯變化.但在風(fēng)荷載作用下這幾項內(nèi)力值遠小于材料承受能力，因而不作為分析依據(jù).除上述3項內(nèi)力外，該構(gòu)架柱在大風(fēng)工況下各項內(nèi)力均大于覆冰工況，因此大風(fēng)工況在此構(gòu)架柱設(shè)計中起控制作用.在考慮溫度效應(yīng)時，端撐柱軸力明顯減小，說明溫度(低溫)作用可削弱風(fēng)荷載對下風(fēng)向構(gòu)架柱端撐的影響.

表4　端柱B-9在不同荷載組合下內(nèi)力分析(標高-0.35 m處)

3　結(jié) 論

1) 在覆冰有風(fēng)工況下構(gòu)架柱各關(guān)鍵節(jié)點處內(nèi)力均小于大風(fēng)工況，所以在全聯(lián)合變電構(gòu)架設(shè)計中取大風(fēng)工況為控制工況，同時需考慮溫度作用效應(yīng)的影響.

2) 溫度作用效應(yīng)引起全聯(lián)合構(gòu)架內(nèi)力向部分構(gòu)件集中，在覆冰荷載、側(cè)向風(fēng)壓和溫度作用的共同作用下，在端撐柱、大于100 m長連續(xù)梁兩端的A型構(gòu)架柱應(yīng)力增大現(xiàn)象十分明顯.

3) 該全聯(lián)合變電構(gòu)架在標高26.0 m處溫度作用效應(yīng)主要體現(xiàn)為長連續(xù)梁溫度形變對構(gòu)架柱產(chǎn)生X軸方向作用力.構(gòu)架柱在溫度作用下各向內(nèi)力仍主要由導(dǎo)線荷載以及結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載引起，所以溫度作用效應(yīng)對運行工況影響較小.溫度(低溫)作用效應(yīng)可在一定程度上增強風(fēng)荷載對上風(fēng)向構(gòu)架柱的影響，同時削弱風(fēng)荷載對下風(fēng)向構(gòu)架柱的影響.

4) 由于A型柱繞X軸方向和端撐柱繞Z軸方向在溫度作用下出現(xiàn)明顯彎矩重分布現(xiàn)象，在全聯(lián)合構(gòu)架設(shè)計時，需重點加強長連續(xù)梁兩端構(gòu)架柱底部支座處抗彎承載力.

5) 在溫度作用下，連續(xù)梁縱向收縮使構(gòu)架柱上部發(fā)生X軸方向側(cè)移，在框架柱底部支座處產(chǎn)生繞Z軸力矩，同時使端撐柱產(chǎn)生沿X軸方向內(nèi)力.對于承受溫度作用的全聯(lián)合變電構(gòu)架，端撐桿作為承受構(gòu)架柱繞Z軸力矩和X軸方向內(nèi)力的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其設(shè)置至關(guān)重要.若構(gòu)架本身因風(fēng)荷載作用需設(shè)置端撐柱，則應(yīng)適當(dāng)增大端撐柱強度以保證其在溫度作用下的軸向承載力.

6) 溫度對于X軸方向短連續(xù)梁無太大影響，柱底Z軸方向內(nèi)力并未因溫度作用發(fā)生明顯變化.故構(gòu)架柱設(shè)計時在短連續(xù)梁方向可不考慮溫度作用.

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