戶內(nèi)變電站全螺栓連接鋼框架靜力性能數(shù)值模擬分析

胡晨，張慧潔，王昭陽(yáng)

（1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，安徽 合肥 230061；2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009）

0 前言

110kV～220 kV戶內(nèi)變電站主體結(jié)構(gòu)常采用一層或兩層鋼框架結(jié)構(gòu)體系，鋼梁與鋼柱之間一般采用翼緣板焊接、腹板螺栓連接節(jié)點(diǎn)，施工現(xiàn)場(chǎng)存在大量的節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)焊接作業(yè)。鋼框架結(jié)構(gòu)方形鋼管柱在平面內(nèi)兩個(gè)方向的慣性矩相等、截面抗扭性能優(yōu)越，在變電站主體結(jié)構(gòu)體系里應(yīng)用方鋼管柱-H型鋼梁體系具有承載性能可靠，建筑布置靈活等特點(diǎn)。

基于110kV～220kV戶內(nèi)變電站主體結(jié)構(gòu)方鋼管柱-H型鋼梁體系，改變傳統(tǒng)梁柱節(jié)點(diǎn)連接方式，設(shè)計(jì)一種柱內(nèi)無(wú)內(nèi)隔板的卡槽式外環(huán)全螺栓連接鋼框架結(jié)構(gòu)體系，為了驗(yàn)證該體系的承載性能，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)鋼框架體系的承載性能進(jìn)行分析，為新結(jié)構(gòu)體系的工程應(yīng)用提供依據(jù)。

1 卡槽式全螺栓連接鋼框架構(gòu)造

根據(jù)實(shí)際工程案例，確定分析的鋼框架鋼柱采用250×250×12mm的方鋼管柱截面，柱子長(zhǎng)2900mm；鋼梁采用HN300×200×8×12mm截面，梁兩端300mm處翼緣加厚為16mm，梁長(zhǎng)2670mm，梁柱鋼材型號(hào)為Q355?？蚣芰褐?jié)點(diǎn)所使用的螺栓為10.9級(jí)，直徑為24mm，螺栓預(yù)緊力為240kN，摩擦系數(shù)為0.4。

卡槽式全螺栓連接鋼框架梁柱連接節(jié)點(diǎn)如圖1所示，按照我國(guó)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017-2017）的要求，確定了柱端板和梁連接端板上的螺栓間距和位置，同時(shí)依據(jù)螺栓間距對(duì)柱面連接板和梁連接端板的尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)，柱面連接板與柱通過(guò)焊接相連，梁連接端板通過(guò)角焊縫焊接與鋼梁連接，每邊柱面連接板與梁連接端板通過(guò)8顆高強(qiáng)螺栓連接，形成梁柱連接節(jié)點(diǎn)。

圖1 卡槽式全螺栓連接鋼框架梁柱連接節(jié)點(diǎn)

2 鋼框架分析模型建立

使用Abaqus軟件對(duì)卡槽式全螺栓連接鋼框架進(jìn)行三維實(shí)體有限元數(shù)值模擬分析，建模過(guò)程中考慮了材料非線性、幾何非線性以及邊界非線性的影響。鋼管柱、工字梁、節(jié)點(diǎn)套板均采用的是Q345鋼，取鋼材密度為 ρ=7.85×105g/mm3，彈性模量 E=2.06×105N/mm2，泊松比μ=0.3；高強(qiáng)螺栓所用型號(hào)為10.9級(jí)M24摩擦型，材料為20MnTi鋼，彈性模量E=2.06×105N/mm2，泊松比 μ=0.3，屈服強(qiáng)度為 940MPa。

選用Abaqus單元庫(kù)中的C3D8I（八節(jié)點(diǎn)六面體線性非協(xié)調(diào)模式）單元來(lái)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在進(jìn)行有限元模型網(wǎng)格劃分時(shí)，考慮到模型計(jì)算結(jié)果的精確度和模型分析所需時(shí)間，不同的構(gòu)件采用了不同的網(wǎng)格尺寸，柱端板和梁連接端板的網(wǎng)格尺寸為10mm，高強(qiáng)螺栓的網(wǎng)格尺寸為5mm，梁、柱網(wǎng)格尺寸均為15mm，整體框架的網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 框架網(wǎng)格劃分

在受到外力作用時(shí)，鋼框架的節(jié)點(diǎn)區(qū)域各部件之間是否處于接觸狀態(tài)，其接觸面積、接觸內(nèi)力都是難以預(yù)料的，所以對(duì)于接觸問(wèn)題的求解是相當(dāng)復(fù)雜，需要進(jìn)行多次的迭代循環(huán)。在建立的卡槽式全螺栓連接鋼框架有限元模型中，節(jié)點(diǎn)板上的螺栓桿與節(jié)點(diǎn)板孔壁之間、螺帽與梁連接端板之間，柱端板和梁端翼緣套板之間都存在有接觸關(guān)系。在Abaqus中，通過(guò)將可能接觸的兩個(gè)面定義為一組“接觸對(duì)”，能夠較為準(zhǔn)確地模擬各部件之間的接觸關(guān)系，而在選擇主從面時(shí)，一般將剛度相對(duì)較大的面定義為“接觸”的主面，剛度較小的面定義為從面。本模型采用通用接觸，除了考慮摩擦的三組接觸對(duì)外一般的面均采用Introp-1接觸屬性，即采用默認(rèn)的屬性設(shè)置；而考慮摩擦的三組接觸對(duì)則采用設(shè)置了切向行為（摩擦公式為罰摩擦公式，摩擦系數(shù)取0.4）的Introp-2接觸屬性。

3 數(shù)值模擬分析結(jié)果

3.1 基本模型分析結(jié)果

圖3 鋼框架Mises應(yīng)力云圖

圖4 荷載-位移曲線

為研究新型外環(huán)卡槽螺栓連接鋼框架結(jié)構(gòu)靜力性能，使用Abaqus分析框架的承載力狀態(tài)。對(duì)框架跨中施加單調(diào)豎向荷載，通過(guò)分析得到框架的Mises應(yīng)力云圖（圖3）以及荷載位移曲線圖（圖4）。

從鋼框架Mises應(yīng)力變形云圖可以看到，梁跨中外力荷載對(duì)框架的應(yīng)力影響主要在梁跨中局部區(qū)域及節(jié)點(diǎn)上靠近鋼梁的區(qū)域。在單調(diào)豎向荷載作用下，鋼梁上最大應(yīng)力集中于鋼梁與節(jié)點(diǎn)連接處，隨著荷載的增加，應(yīng)力逐漸增大，梁端傳遞給梁連接端板的外力越來(lái)越大，造成梁連接端板發(fā)生形變，梁連接端板與柱面連接板發(fā)生部分脫離，使得梁兩端靠近節(jié)點(diǎn)處形成塑性鉸。同時(shí)，梁跨中上翼緣區(qū)域也因局部承受壓力較大使翼緣板發(fā)生了明顯屈曲變形，下翼緣處由于拉應(yīng)力過(guò)大而進(jìn)入屈服，梁跨中位置也形成塑性鉸。方鋼管柱上的最大應(yīng)力發(fā)生在柱端板與鋼柱的連接處，但未發(fā)生屈服。螺栓最大應(yīng)力出現(xiàn)在靠近梁的螺栓孔壁上，最大應(yīng)力為956MPa，出現(xiàn)局部應(yīng)力集中。

梁端連接端板最大應(yīng)力發(fā)生在與鋼梁上翼緣接觸的位置，最大應(yīng)力550MPa，如圖5。柱面連接板最大應(yīng)力發(fā)生在靠近梁的螺孔附近，最大應(yīng)力430MPa，如圖6?？蚣芙Y(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)區(qū)域在梁屈服時(shí)未出現(xiàn)整體破壞。

圖5 梁連接端板Mises應(yīng)力云圖

圖6 柱面連接板Mises應(yīng)力云圖

從荷載-位移圖（圖4）中可以看出，在加載的初期，鋼框架還處于彈性階段，模型計(jì)算施加的豎向荷載與梁跨中撓度呈線性關(guān)系，且剛度較大；當(dāng)荷載增加到600kN之后，框架已進(jìn)入彈塑性階段，荷載-位移曲線的切線斜率逐漸減小，剛度相應(yīng)減??；臨近加載后期，曲線趨于平緩，達(dá)到曲線上的設(shè)計(jì)狀態(tài)時(shí)，外荷載已達(dá)到950kN，認(rèn)為框架已經(jīng)破壞。圖中設(shè)計(jì)狀態(tài)是指當(dāng)框架有限元模型上應(yīng)力較大的截面，也就是鋼梁兩端與梁連接端板接觸處截面的大部分區(qū)域應(yīng)力達(dá)到材料的極限應(yīng)力時(shí)，即認(rèn)為框架已經(jīng)破壞，由此所定義的一個(gè)特定的時(shí)刻狀態(tài)。

3.2 變參數(shù)分析結(jié)果

為研究梁連接端板厚度對(duì)框架性能的影響，在保持鋼框架的其它幾何參數(shù)不變的情況下，梁連接端板的厚度分別取為20mm、25mm、30mm，框架模型依次為 KB-1(20mm)，KB-2(25mm)，KB-3(30mm)，下面分別給出了框架在豎向荷載作用下框架彈性階段、塑性階段、破壞階段對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分布云圖。

圖7 單調(diào)荷載下應(yīng)力云圖

由圖7可知，隨著梁連接端板厚度增大，框架節(jié)點(diǎn)處柱端板和梁連接端板的連接更加緊密，兩者的位移形變減小，試件的鋼梁跨中以及梁與梁連接端板接觸處的最大應(yīng)力區(qū)域逐漸減小，鋼柱節(jié)點(diǎn)處受力更加均勻。KB1～KB3試件的破壞時(shí)，最大應(yīng)力都集中于鋼梁與節(jié)點(diǎn)連接處，且分布于鋼梁上下翼緣處，應(yīng)力已達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度，框架在此處發(fā)生塑性破壞。綜上可知，隨著梁連接端板厚度的增大，梁連接端板與柱面連接板的連接增強(qiáng)，框架整體剛度隨之增大。

試件的荷載位移曲線如圖8所示，三組試件的荷載位移曲線的總體變化趨勢(shì)一致，都經(jīng)歷了由彈性進(jìn)入塑性然后破壞的階段，從KB-1到KB-3，隨著梁連接端板厚度的增加，試件的屈服荷載和極限荷載得到提高，但增加的幅度不大。

圖8 荷載位移曲線

4 結(jié)論

卡槽式全螺栓連接節(jié)點(diǎn)是一種新型裝配式鋼框架連接節(jié)點(diǎn)，適用于裝配式工業(yè)化建筑結(jié)構(gòu)，對(duì)采用卡槽式全螺栓連接節(jié)點(diǎn)的鋼框架的靜力性能進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過(guò)分析可得：

①建立的實(shí)體模型考慮了螺栓桿與孔壁、螺帽與梁端翼緣套板，柱面連接板和梁端翼緣套板的接觸關(guān)系，建立的模型可以真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的受力特征。

②分析得到了卡槽式全螺栓連接節(jié)點(diǎn)的鋼框架的破壞機(jī)理，結(jié)構(gòu)首先在鋼梁與節(jié)點(diǎn)的梁連接端板連接處產(chǎn)生塑性變形，梁連接端板與柱端板發(fā)生脫離，從而在梁兩端形成塑性鉸，而框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)區(qū)域在梁屈服時(shí)并未出現(xiàn)整體破壞。

③隨著梁連接端板厚度的增大，試件節(jié)點(diǎn)處柱面連接板和梁連接端板的連接更加緊密，框架整體剛度隨之增大。