鞠洪濤　姜文　周紅

摘? 要：梁柱連接節(jié)點(diǎn)是變電構(gòu)架結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位，關(guān)系到構(gòu)架的整體受力性能，該文采用通用有限元模擬軟件對(duì)變電構(gòu)架中梁柱連接節(jié)點(diǎn)受力性能進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到了各節(jié)點(diǎn)的破壞形式，極限承載力和荷載—位移曲線。計(jì)算了I型、槽型和T型3種不同插板形式梁柱連接節(jié)點(diǎn)，并對(duì)比3種插板計(jì)算結(jié)果，提出變電構(gòu)架格構(gòu)式梁柱連接設(shè)計(jì)合理優(yōu)化建議。

關(guān)鍵詞：格構(gòu)梁柱連接;有限元模擬;數(shù)值分析;插板

中圖分類(lèi)號(hào)： TU318? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

格構(gòu)式梁柱變電構(gòu)架斷面通常為為四邊形結(jié)構(gòu)，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(gòu)架結(jié)構(gòu)，構(gòu)架結(jié)構(gòu)的安全可靠性是保證變電站正常運(yùn)行的必要條件，而梁柱連接節(jié)點(diǎn)作為變電構(gòu)架結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位，關(guān)系到變電構(gòu)架的整體受力性能，因此有必要對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)研究，從而能夠更好地進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證變電構(gòu)架安全可靠。

1 模型鋼管長(zhǎng)度確定和有限元驗(yàn)證

1.1 模型鋼管長(zhǎng)度確定

由于節(jié)點(diǎn)在分析過(guò)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(zhǎng)度的正確與否顯得十分重要，為了避免端部約束對(duì)節(jié)點(diǎn)域的影響，支管長(zhǎng)徑比取5。

以構(gòu)架梁柱連接節(jié)點(diǎn)中的I型插板形式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試算，通過(guò)建立各肢長(zhǎng)為別為4D、5D和6D三個(gè)不同有限元模型，其中D為各肢的外徑。

通過(guò)計(jì)算對(duì)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(shì)接近，驗(yàn)證了國(guó)內(nèi)外研究者在節(jié)點(diǎn)研究中支管長(zhǎng)徑比取5這一結(jié)論，所以構(gòu)架梁柱節(jié)點(diǎn)中的鋼管肢在有限元分析中均取5。

1.2 有限元模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所研究節(jié)點(diǎn)的有限元軟件建模的正確性，分別采用兩種軟件對(duì)有限元模型進(jìn)行驗(yàn)證。具體驗(yàn)證的模型有I型插板形式的構(gòu)架梁柱連接節(jié)點(diǎn)，2種程序的計(jì)算結(jié)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(jì)算得到的各節(jié)點(diǎn)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(gòu)架梁柱連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1 有限元模型的選取和建立

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

構(gòu)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(diǎn)板厚度20 mm，小節(jié)點(diǎn)板、加勁板、插板厚度10 mm。

2.2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

選用的插板形式有I型、槽型和T型3種，螺栓的布置通過(guò)SAP2000計(jì)算得到的節(jié)點(diǎn)各肢的內(nèi)力，然后通過(guò)計(jì)算確定螺栓的布置形式。

各插板節(jié)點(diǎn)中螺栓的受力狀態(tài)均為雙剪狀態(tài)，以節(jié)點(diǎn)中的肢2為例對(duì)整個(gè)構(gòu)架梁柱節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明，設(shè)計(jì)前根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)先選定節(jié)點(diǎn)板的厚度為10 mm。

由SAP2000軟件計(jì)算獲得肢2所受軸力采用4個(gè)M20螺栓雙排雙列排布。

2.2 構(gòu)造措施

對(duì)螺栓進(jìn)行雙排雙列排布，按鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求確定螺孔邊距和中心距。 焊縫在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)板、鋼管、加勁板接觸長(zhǎng)度范圍內(nèi)全部采用焊接連接。設(shè)計(jì)構(gòu)件尺寸示意圖如圖3所示。

2.3 本構(gòu)關(guān)系

材料選用Q345（Q355）鋼材，鋼材屈服強(qiáng)度為345（355）MPa，彈性模量E為206 GPa，6.8螺栓的屈服強(qiáng)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(yīng)力狀態(tài)下采用Von-Mises屈服準(zhǔn)則來(lái)判斷鋼材是否屈服，本構(gòu)模型選擇隨動(dòng)強(qiáng)化模型，強(qiáng)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(diǎn)板、肢和插板等采均用殼單元，螺栓采用實(shí)體單元。

實(shí)體單元庫(kù)中，單元積分形式包括完全積分、減縮積分、非協(xié)調(diào)積分。對(duì)比完全積分單元，減縮積分單元在是每個(gè)方向上少用一個(gè)積分點(diǎn)，因而不會(huì)發(fā)生過(guò)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(guān)重要的一環(huán)，對(duì)后續(xù)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性影響較大。網(wǎng)格劃分技術(shù)有：掃略劃分網(wǎng)格、自由化分網(wǎng)格、映射劃分網(wǎng)格、結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格和虛擬拓?fù)洹＞W(wǎng)格劃分示意圖如圖4所示。

4 邊界條件與荷載施加

通過(guò)SAP2000建模計(jì)算結(jié)果得知在最不利工況（Y方向大風(fēng)最不利）[4]下，節(jié)點(diǎn)的最不利肢分別為肢4（受壓）和肢2（受壓）。因此，針對(duì)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(diǎn)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(jiàn)表3。肢2的加載方案邊界條件和荷載施加情況見(jiàn)表4。

5 計(jì)算結(jié)果分析

5.1? 破壞模式

節(jié)點(diǎn)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(jì)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(diǎn)的極限承載力最低，槽型插板節(jié)點(diǎn)較高，T型插板節(jié)點(diǎn)的最高，三者的荷載—位移曲線變化趨勢(shì)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(guān)。

5.3? 極限承載力

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

6 結(jié)語(yǔ)

從計(jì)算結(jié)果可知，梁柱連接節(jié)點(diǎn)的破壞主要表現(xiàn)在插板和其對(duì)應(yīng)肢的破壞。插板形式的改善對(duì)于提高節(jié)點(diǎn)的承載性能效果十分顯著，槽型和T型插板節(jié)點(diǎn)相比于I型插板節(jié)點(diǎn)，承載能力較高，受力性能優(yōu)越。因梁柱連接節(jié)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位，關(guān)系到變電構(gòu)架的整體受力性能，因此建議優(yōu)先采用槽型插板節(jié)點(diǎn)和T型插板節(jié)點(diǎn)，盡量少采用I型插板節(jié)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]中南電力設(shè)計(jì)院.變電構(gòu)架設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2006：20-28.

[2]國(guó)家能源局.DL/T 5154—2012，架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2013：18-21.

[3]國(guó)家能源局.DL/T 5457—2012，變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2012：9-11，36-42.

[4]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 50017—2017，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2017：16-23，102-106.