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        端撐對(duì)變電站構(gòu)架柱計(jì)算長(zhǎng)度的影響研究

        2020-07-26 06:02:02
        四川建材 2020年7期
        關(guān)鍵詞:中柱計(jì)算長(zhǎng)度構(gòu)架

        郭 浩

        (福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司,福建 福州 350028)

        0 前 言

        為確保變電站構(gòu)架的整體穩(wěn)定,通??稍跇?gòu)架柱邊設(shè)置端撐,根據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)果[1-3]表明端撐的存在能夠有效減低柱底內(nèi)力和變形,從而提高構(gòu)架的整體剛度。根據(jù)現(xiàn)有的變電站構(gòu)架形式,存在連續(xù)兩跨及以上構(gòu)架梁高度不同以及柱中設(shè)置端撐的情況,而現(xiàn)有的設(shè)計(jì)手冊(cè)[4-5]并未給出該類構(gòu)架柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)。

        本文研究連續(xù)架梁高度不同以及柱中布置端撐對(duì)構(gòu)架柱計(jì)算長(zhǎng)度的影響,利用MIDAS GEN軟件建立有限元模型,對(duì)其進(jìn)行屈曲分析,得到該類構(gòu)架柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù),為變電站構(gòu)架的設(shè)計(jì)提供參考價(jià)值。

        1 模型概況

        1)幾何尺寸。為了研究連續(xù)跨構(gòu)架梁高度不同以及柱中設(shè)置端撐桿件時(shí)對(duì)構(gòu)架柱計(jì)算長(zhǎng)度的影響,本文考慮了三種構(gòu)架形式,如圖1所示。在三種構(gòu)架中,構(gòu)架柱選用鋼筋混凝土環(huán)形柱,柱的外徑為300 mm、壁厚為50 mm;橫梁選用外徑為100 mm的圓鋼,材質(zhì)為Q235碳素鋼;端撐柱選用鋼管外徑為150 mm、壁厚為5 mm的圓鋼管,材質(zhì)為Q235碳素鋼。

        (a)模型a

        2)邊界條件。在有限元模型中,構(gòu)架柱、端撐與地面的連接方式選擇一般支撐,其中,構(gòu)架柱與地面間的節(jié)點(diǎn)約束整體坐標(biāo)系中X、Y、Z三個(gè)方向的位移和轉(zhuǎn)角(Ux、Uy、Uz、Rx、Ry、Rz),端撐與地面間的節(jié)點(diǎn)約束整體坐標(biāo)系中X、Y、Z三個(gè)方向的位移(Ux、Uy、Uz);端撐和構(gòu)架柱間選用鉸接,鋼梁兩端釋放除沿桿件軸線方向外的梁端彎矩。

        3)荷載施加。在靜力荷載工況中添加恒荷載,初始荷載設(shè)為1 N,臨界荷載(Pcr)就是初始荷載與臨界荷載系數(shù)(由屈曲分析得到的特征值)的乘積,表示結(jié)構(gòu)構(gòu)件在臨界荷載作用下會(huì)發(fā)生屈曲失穩(wěn);初始荷載統(tǒng)一施加在各構(gòu)架模型中柱的頂點(diǎn)位置處,同時(shí),為了提高計(jì)算精度,需對(duì)構(gòu)架柱進(jìn)行分段。

        2 數(shù)值分析

        2.1 屈曲向量

        利用有限元軟件MIDAS GEN建立三種構(gòu)架的有限元模型,并進(jìn)行屈曲分析,得到各模型中柱在壓力作用下的屈曲向量,如表1所示(表1中的節(jié)點(diǎn)號(hào)見圖1)。

        表1 構(gòu)架中柱繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的屈曲向量

        當(dāng)模型繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),模型b和模型c的屈曲向量比模型a的屈曲向量小,模型b在2號(hào)節(jié)點(diǎn)處的屈曲向量以及構(gòu)架c在3號(hào)節(jié)點(diǎn)處的屈曲向量減小顯著;當(dāng)模型繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),三種模型在各點(diǎn)處的位移向量和轉(zhuǎn)角向量較接近。

        2.2 屈曲模態(tài)

        當(dāng)初始荷載施加在構(gòu)架中柱頂部時(shí),三種模型在繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)、繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)作用下的屈曲模態(tài)如圖2所示。圖2顯示,當(dāng)模型繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng),模型a、模型b、模型c的結(jié)果最大值為9.21×10-3、2.54×10-3、1.59×10-3,說明端撐的存在有效約束了構(gòu)架的變形,其中模型三的變形幅度最??;當(dāng)模型繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),模型a、模型b、模型c的結(jié)果最大值為5.57×10-3、5.50×10-3、5.49×10-3,計(jì)算結(jié)果較接近。

        (a)模型a(繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng))

        3 構(gòu)架柱計(jì)算長(zhǎng)度分析

        3.1 歐拉公式

        根據(jù)壓桿穩(wěn)定理論可知,在壓力作用下,桿件承受的荷載增加到某個(gè)限度時(shí),受壓桿件將由穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化為不穩(wěn)定狀態(tài),這個(gè)荷載的限值稱為臨界壓力(Pcr),臨界壓力是受壓桿件保持直線穩(wěn)定形狀時(shí)所能承受的最小壓力[6]。通過屈曲分析可得到各柱的臨界壓力,最后通過歐拉公式得到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)算長(zhǎng)度,歐拉公式的通用形式如式(1)所示:

        (1)

        式中,E為構(gòu)架柱的彈性模量;I為構(gòu)架柱的截面慣性矩;μ為計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù);l為柱的長(zhǎng)度,mm。

        3.2 計(jì)算長(zhǎng)度分析結(jié)果

        通過對(duì)三種構(gòu)架模型進(jìn)行屈曲分析得到各模型的臨界壓力,現(xiàn)選擇三種模型的中柱作為研究對(duì)象,利用歐拉公式可求得各模型中柱沿x軸轉(zhuǎn)動(dòng)、沿y軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù),如表2所示。

        表2 三種模型中柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)

        為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的可靠性,將現(xiàn)有規(guī)范[4-5]中的取值與其進(jìn)行對(duì)比。現(xiàn)有規(guī)范中指明構(gòu)架柱設(shè)置端撐和未設(shè)置端撐時(shí)的計(jì)算長(zhǎng)度為0.7、2.0;單跨、多跨構(gòu)架柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)為1.4、0.8,所以但連續(xù)梁的高度不同時(shí),構(gòu)架柱的計(jì)算長(zhǎng)度取值范圍取為0.8~1.4。從表2中可以看出,沿x軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),模型a和模型c的柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)接近現(xiàn)有規(guī)范中相對(duì)應(yīng)的取值;沿y軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),3個(gè)模型構(gòu)架柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)均在現(xiàn)有規(guī)范的取值范圍內(nèi),說明由分析結(jié)果結(jié)果較合理。在沿y軸轉(zhuǎn)動(dòng)作用下,當(dāng)連續(xù)梁高度不同時(shí),柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)宜取1.3;在沿x軸轉(zhuǎn)動(dòng)作用下,當(dāng)柱中設(shè)置端撐時(shí),柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)宜取1.0。以上柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)的取值僅針對(duì)本文模型,對(duì)于其他類型的構(gòu)架,應(yīng)根據(jù)構(gòu)架柱的具體情況進(jìn)行相應(yīng)的分析。

        4 結(jié) 論

        1)端撐桿件的存在有效抑制了構(gòu)架柱的變形,構(gòu)架模型中柱頂部的屈曲向量大小順序?yàn)椋耗P蚢(未設(shè)置端撐)>模型b(柱中設(shè)置端撐)>模型c(設(shè)置端撐)。

        2)連續(xù)構(gòu)架梁的高度不同、柱中設(shè)置端撐會(huì)對(duì)構(gòu)架柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)產(chǎn)生影響,其中,當(dāng)連續(xù)構(gòu)架梁高度不同時(shí),柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)宜取1.3;當(dāng)柱中設(shè)置端撐桿件時(shí),柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)宜取1.0。

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