變電構(gòu)架的節(jié)點(diǎn)設(shè)計

楊 杰，朱英偉，徐國忠

(金華電力設(shè)計院有限公司，浙江 金華 321000)

變電構(gòu)架的節(jié)點(diǎn)設(shè)計

楊 杰，朱英偉，徐國忠

(金華電力設(shè)計院有限公司，浙江 金華 321000)

“鋼管A字柱＋單鋼管梁”是一種新型的變電構(gòu)架的結(jié)構(gòu)形式，部分節(jié)點(diǎn)易應(yīng)力集中。本文分析了梁掛線板和梁柱連接節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中情況，同時給出了消除應(yīng)力集中的解決方案，供工程設(shè)計人員參考。

變電構(gòu)架；節(jié)點(diǎn)設(shè)計； A字柱；單鋼管梁。

目前國內(nèi)大量的變電站220kV/110kV電壓等級構(gòu)架多采用“鋼管A字柱＋三角桁架梁”的結(jié)構(gòu)形式，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，亦有少量工程開始采用“鋼管A字柱＋單鋼管梁”的結(jié)構(gòu)形式，“鋼管A字柱＋單鋼管梁”的變電構(gòu)架，雖然在相同條件下，鋼材的用鋼量較多，但現(xiàn)場安裝的工程量較少，可以較大幅度的縮減工期，加快工程進(jìn)度，所以這種變電構(gòu)架的結(jié)構(gòu)形式有他的優(yōu)越性，在實際情況中的應(yīng)用也越來越多。

變電構(gòu)架是變電站內(nèi)最主要的構(gòu)筑物，作為新出現(xiàn)的變電構(gòu)架的結(jié)構(gòu)形式，構(gòu)架設(shè)計的安全性顯得尤為重要，而節(jié)點(diǎn)的合理設(shè)計是保證構(gòu)架正常運(yùn)行的重要部分。

1 構(gòu)架內(nèi)力計算

1.1 荷載條件

以某220kV變電站工程中某一榀220kV出線構(gòu)架為分析比較研究對象。

220kV出線構(gòu)架導(dǎo)線掛點(diǎn)高14.5 m，地線掛點(diǎn)高18.5 m，上部避雷針高44 m，橫梁跨度13 m，單排構(gòu)架，9跨組成一榀。220kV出線構(gòu)架導(dǎo)、地線荷載見表1。

表1 220kV出線構(gòu)架導(dǎo)、地線荷載

50 a一遇基本設(shè)計風(fēng)速統(tǒng)一取為30 m/s。

地面粗糙度統(tǒng)一按B類考慮。

荷載按照《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》(DL/T5457—2012)和《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)進(jìn)行組合。

1.2 計算軟件及方法

構(gòu)架采用兩種空間分析程序延拓變電構(gòu)架設(shè)計軟件和STAAD. Pro進(jìn)行分析計算。對于A字柱、地線柱、單鋼管梁、避雷針等，按空間桿系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計算；對于三角桁架梁、矩形斷面格構(gòu)式梁柱等，按空間桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計算。

2 節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分析

2.1 節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分析概述

對于“A字柱+三角形桁架梁”和“矩形斷面角鋼格構(gòu)式梁、柱”的構(gòu)架結(jié)構(gòu)形式，桿件之間通過焊接或螺栓連接，構(gòu)造簡單，受力明確，不會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且在工程實際中已經(jīng)有較廣泛的應(yīng)用，各種節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造可以很好的滿足實際的受力要求。但對于“A字柱+單鋼管梁”的構(gòu)架結(jié)構(gòu)形式，梁柱連接處構(gòu)造相對復(fù)雜，應(yīng)力分布不規(guī)則，易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，所以有必要對梁柱連接的構(gòu)造進(jìn)行實體模型的有限元分析，以提出合理的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造型式。同時，在單鋼管梁的結(jié)構(gòu)中，掛線板直接焊接在較大直徑的鋼管上，此種結(jié)構(gòu)也可能導(dǎo)致單鋼管梁的應(yīng)力集中，也需要建立相應(yīng)的實體模型，進(jìn)行有限元分析。

2.2 梁掛線板應(yīng)力分析

按照規(guī)范要求，110kV構(gòu)架和220kV構(gòu)架的導(dǎo)線張力一般控制20 kN以內(nèi)(垂直于單鋼管梁的水平張力)，同時考慮到一些具體的工程，由于現(xiàn)場實際條件的限制，張力會達(dá)到30 kN。綜合上述要求，在單鋼管梁掛線板應(yīng)力分析中，導(dǎo)線張力荷載按照20 kN和30 kN兩種工況考慮，導(dǎo)線的偏角按照規(guī)范的要求，統(tǒng)一按照5°考慮。

考慮到110kV構(gòu)架和220kV構(gòu)架不同的間隔寬度和受力條件，單鋼管梁的直徑和壁厚會有一定的差異，鋼管直徑對節(jié)點(diǎn)板處應(yīng)力的影響較小，我們主要考慮鋼管的壁厚，實際工程中，單鋼管梁的壁厚一般不會小于8 mm，同時壁厚太厚的話，構(gòu)架的用鋼量就會上升，所以采用8 mm和10 mm兩種壁厚進(jìn)行有限元分析。

考慮到導(dǎo)線張力和鋼管壁厚，分如下4種情況進(jìn)行應(yīng)力分析，見表2。

表2 4種情況進(jìn)行應(yīng)力分析

單鋼管梁掛線板布置分豎向布置和水平布置。具體應(yīng)力分布見圖1、圖2，分析見表3、表4。

圖1 單鋼管梁掛線板豎向布置應(yīng)力云圖

圖2 單鋼管梁掛線板水平布置應(yīng)力云圖

表3 單鋼管梁掛線板豎向布置應(yīng)力值

表4 單鋼管梁掛線板水平布置應(yīng)力值

從上述的應(yīng)力云圖和應(yīng)力表格中可以看出，在導(dǎo)線張力達(dá)到30 kN時，無論鋼管的壁厚是8 mm還是10 mm，掛線板和鋼管接觸處的上下兩點(diǎn)的應(yīng)力都超過了310 N/mm2的設(shè)計值，所以上述的掛線板設(shè)計過于簡單，需對它進(jìn)行改進(jìn)。

從上述的應(yīng)力云圖中可知，掛線板的最大應(yīng)力出現(xiàn)在掛線板和鋼管接觸處的端部兩點(diǎn)，其他處的應(yīng)力水平較低，只要降低這兩點(diǎn)的應(yīng)力，掛線板的節(jié)點(diǎn)設(shè)計就能滿足要求，基于此種思路，在掛線板豎向布置的上下端部增加與掛線板垂直的加勁板，在掛線板水平布置的左右端部增加與掛線板垂直的加勁板，消除這兩點(diǎn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象。分析見表5、表6，應(yīng)力分布見圖3、圖4。

表5 單鋼管梁掛線板豎向布置應(yīng)力值(改進(jìn)方案)

表6 單鋼管梁掛線板水平布置應(yīng)力值(改進(jìn)方案)

從上述的應(yīng)力云圖和應(yīng)力表格中可以看出，在掛線板豎向布置的上下端部增加與掛線板垂直的加勁板，在掛線板水平布置的左右端部增加與掛線板垂直的加勁板，在基本上不增加用鋼量的情況下，將掛線板的應(yīng)力大大降低，在最不利工況最大的應(yīng)力為315 N/mm2，最大的利用率為102%，基本上能滿足工程實際的需求。同時，掛線板豎向布置的方案的應(yīng)力小于對應(yīng)工況下掛線板水平布置的方案的應(yīng)力，豎向布置最不利工況的最大的應(yīng)力僅175 N/mm2，最大的利用率為56%，所以建議實際工程中采用改進(jìn)方案的掛線板豎向布置的做法。

2.3 梁柱連接應(yīng)力分析

“A字柱+單鋼管梁”的方案中，梁柱連接處的受力比較復(fù)雜，梁柱連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計是保證構(gòu)架正常運(yùn)行的重要一環(huán)。結(jié)合220kV構(gòu)架梁柱連接節(jié)點(diǎn)處的內(nèi)力，采用ANSYS軟件，建立有限元的實體模型，進(jìn)行應(yīng)力分析。

圖3 單鋼管梁掛線板豎向布置應(yīng)力云圖(改進(jìn)方案)

圖4 單鋼管梁掛線板水平布置應(yīng)力云圖(改進(jìn)方案)

2.3.1 構(gòu)架平面內(nèi)梁柱連接彈性應(yīng)力分析

當(dāng)頂部設(shè)置避雷針，大風(fēng)工況，大風(fēng)沿著構(gòu)架方向作用時，構(gòu)架的受力模型見圖5。由于上部設(shè)置避雷針，上述紅框處的梁柱節(jié)點(diǎn)所受的內(nèi)力最大，為平面內(nèi)最不利工況，梁柱節(jié)點(diǎn)的受力見圖6。具體的實體有限元模型見圖7，單鋼管梁與A字柱和頂部的避雷針都采用相關(guān)焊接。為了涵蓋實際工程的各種工況，本次的實體模型分如下四種工況，見表7。具體應(yīng)力分布見圖8，分析見表8。

圖5 構(gòu)架平面內(nèi)最不利工況荷載布置及梁柱節(jié)點(diǎn)內(nèi)力最大位置圖

圖6 節(jié)點(diǎn)受力圖

圖7 梁柱連接實體模型

圖8 梁柱連接應(yīng)力云圖

表7 4種情況進(jìn)行應(yīng)力分析

表8 4種情況應(yīng)力值

從上述的應(yīng)力云圖和應(yīng)力表格中可以看出，梁柱連接的最大應(yīng)力出現(xiàn)在梁鋼管與避雷針鋼管相關(guān)焊接處，此處的應(yīng)力隨著梁鋼管的壁厚增加而減小，但隨著壁厚的增加，增加壁厚對應(yīng)力的減小的作用越來越小，當(dāng)梁鋼管的壁厚增大到16 mm時，最大的應(yīng)力為380 N/mm2，所以單純的增加鋼管的壁厚不能很好的降低梁柱連接節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力，為此，考慮在梁鋼管和避雷針鋼管之間增加加勁板，以減小這部為的應(yīng)力，優(yōu)化后的實體模型如圖9。增加加勁板后，具體的工況見表9。具體應(yīng)力分布見圖10，分析見表10。

圖9 梁柱連接實體模型(改進(jìn)方案)

圖10 單鋼管梁掛線板應(yīng)力云圖(改進(jìn)方案)

表9 4種情況進(jìn)行應(yīng)力分析

表10 單鋼管梁掛線板應(yīng)力值(改進(jìn)方案)

從上述的應(yīng)力云圖和應(yīng)力表格中可以看出，當(dāng)梁鋼管和避雷針鋼管之間增加加勁板后，隨著梁鋼管壁厚和加勁板壁厚的增加，梁柱連接節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力快速下降，當(dāng)梁鋼管壁厚和加勁板壁厚都增大到12 mm時，最大應(yīng)力只有應(yīng)力設(shè)計值的87%，已經(jīng)滿足規(guī)范要求。此種構(gòu)造較單純增大梁鋼管壁厚的做法有較大的改進(jìn)。

2.3.2 構(gòu)架平面內(nèi)梁柱連接彈塑性應(yīng)力分析

為了進(jìn)一步分析此節(jié)點(diǎn)的受力性能，分析材料進(jìn)入塑性階段后節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力變化，對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行彈塑性分析，彈塑性分析的鋼材材料本構(gòu)關(guān)系采用ANSYS中雙線性隨動強(qiáng)化模型(BKIN模型)，屈服強(qiáng)度為310 MPa，不考慮屈服后強(qiáng)化。對于工況4，將荷載逐漸增加到設(shè)計荷載的2倍后，7號加勁板和梁鋼管的應(yīng)力變化見圖11～圖16。

從上述的應(yīng)力云圖可知，在1.4倍設(shè)計荷載的情況下，7號加勁板恰好處于彈性階段的滿應(yīng)力狀態(tài)，隨著荷載慢慢增大到2倍設(shè)計荷載時，加勁板屈服進(jìn)入塑性變形階段，并且進(jìn)入塑性工作的面積越來越大，但荷載達(dá)到2倍設(shè)計荷載時，進(jìn)入塑性工作的面積總體不大，對于梁鋼管，當(dāng)荷載增大到設(shè)計荷載的2倍時，鋼管還未屈服，所以對于節(jié)點(diǎn)整體來說，考慮材料的塑性性能，當(dāng)實際的荷載大于節(jié)點(diǎn)的設(shè)計荷載不多時，節(jié)點(diǎn)不會破壞，有一定的安全儲備。

2.3.3 構(gòu)架平面外梁柱連接應(yīng)力分析

當(dāng)頂部設(shè)置避雷針，大風(fēng)工況，大風(fēng)垂直構(gòu)架方向作用時，構(gòu)架的受力模型見圖17。

由于上部設(shè)置避雷針，上述紅框處的梁柱節(jié)點(diǎn)所受的內(nèi)力最大，為平面外最不利工況，梁柱節(jié)點(diǎn)的受力見圖18。

基于與平面內(nèi)同樣的有限元分析，只要增加11號和12號加勁板，同時選擇合適的厚度，節(jié)點(diǎn)應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)論

圖11 1.4倍設(shè)計荷載

圖12 1.5倍設(shè)計荷載

圖13 2倍設(shè)計荷載

圖14 1.4倍設(shè)計荷載

圖15 1.5倍設(shè)計荷載

圖16 2倍設(shè)計荷載

“A字柱+單鋼管梁”的結(jié)構(gòu)形式，梁柱連接處構(gòu)造相對復(fù)雜，通過節(jié)點(diǎn)有限元實體模型分析后發(fā)現(xiàn)，只要采取適當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施，掛線板和梁柱連接節(jié)點(diǎn)的受力都能滿足工程實際的需要。

圖17 構(gòu)架平面外最不利工況荷載布置及梁柱節(jié)點(diǎn)內(nèi)力最大位置圖

圖18 節(jié)點(diǎn)受力圖

[1]DL/T5457－2012,變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程[S].

[2]GB50017－2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[3]GB 50009－2012,建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

Node Design of Substation Framework

YANG Jie,ZHU Ying-wei,XYU Guo-zhong
(Jinhua Electric Power Design Institute Co.,Ltd.,Jinhua 321000,china)

‘A type steel column + single steel beam’ is a new type structure of substation framework,some nodes are prone to stress concentration. This paper analyzes the stress concentration of beam hanging plate and beam column connections,at the same time gives to eliminate stress concentration solution for engineering design reference.

substation framework; node design; A type steel column; single steel beam.

TM63

A

1671-9913(2017)05-0064-07

2016-11-03

楊杰(1981- )，男，碩士，工程師，從事變電站土建設(shè)計，結(jié)構(gòu)耐久性研究。