某變電站工程翼緣加寬型鋼框架結(jié)構(gòu)受力性能數(shù)值模擬研究

王世斌，呂曉健 ，姚治，趙守信，馮玉龍，曾志豪 ，于飛

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司滁州供電公司，安徽 滁州 239004；2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 前言

傳統(tǒng)變電站建設(shè)由于其施工周期長、工序復(fù)雜、受環(huán)境影響較大，難以滿足我國城市建設(shè)及電網(wǎng)快速發(fā)展的要求和現(xiàn)代化工程建設(shè)的理念[1]。鋼結(jié)構(gòu)體系具有強度高、跨度大、施工工期短、抗震性能好等優(yōu)勢，較多的變電站采用鋼結(jié)構(gòu)形式[2]。變電站鋼框架結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點較為常用的是腹板螺栓連接、翼緣焊接的連接形式[3]。近年來，為提高施工效率和質(zhì)量，設(shè)計人員開始研究全螺栓連接形式。在全螺栓連接節(jié)點中，上部翼緣通過其上方的連接板與鋼梁實現(xiàn)螺栓連接，樓板的鋼板底模在連接板凸起位置現(xiàn)場切割，然后澆筑混凝土，以實現(xiàn)樓板與鋼梁的緊密貼合。但是通過現(xiàn)場應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，將鋼板底模切割后，導(dǎo)致澆筑混凝土?xí)r，在切割部位出現(xiàn)漏漿，既影響美觀，又影響澆筑質(zhì)量。

為解決變電站鋼結(jié)構(gòu)建筑采用全螺栓連接時的漏漿問題，設(shè)計人員提出了鋼梁翼緣加寬型節(jié)點的改進措施。但改進節(jié)點解決漏漿問題的前提是要保證結(jié)構(gòu)的安全。因此，明確翼緣加寬型鋼框架節(jié)點及其結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和在地震作用下的彈塑性性能是重要的。同時，鋼梁翼緣加寬型節(jié)點對鋼梁性能的影響程度也應(yīng)滿足“強柱弱梁”的設(shè)計目標(biāo)，以防結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞[4-5]。通過鋼梁翼緣加寬型結(jié)構(gòu)參數(shù)化分析，明確翼緣加寬型框架結(jié)構(gòu)受力性能的主要影響因素，可以優(yōu)化梁柱翼緣加寬型節(jié)點及其框架的設(shè)計，達到安全經(jīng)濟的設(shè)計原則。

基于此，本文通過對翼緣加寬型鋼框架進行數(shù)值研究，進行了設(shè)計荷載校核、彈塑性推覆分析、普通框架對比分析，梁材料及連接板寬度的參數(shù)化分析，分析結(jié)果可為背景工程及其以后類似工程設(shè)計與施工提供參考。

1 工程概況

本文背景工程為安徽蚌埠香澗500kV輸變電工程，其位于安徽省蚌埠市淮上區(qū)、龍子湖區(qū)、五河縣、淮北市烈山區(qū)境內(nèi)。該工程的繼電器室采用單層鋼框架結(jié)構(gòu)，長16.8m，寬7m，長度和寬度方向分別設(shè)置4榀橫向框架和2榀縱向框架，共有8根框架柱，截面型號為HW300×300×10×15(mm)，共 10 根框架主梁，截面型號為HN400×200×8×13(mm)，柱和梁的材料牌號均為Q355B，梁柱平面布置圖如圖1所示。針對項目全螺栓連接形式，在柱端鋼梁拼接處的梁翼緣兩邊各加寬60mm，優(yōu)化節(jié)點連接并解決漏漿問題，樓承板遇鋼梁翼緣拼接板處節(jié)點如圖2所示。

圖1 梁柱平面布置圖（單位：mm）

圖2 樓承板遇鋼梁翼緣拼接板處節(jié)點圖

2 框架有限元建模

選取軸鋼梁翼緣加寬型橫向框架作為結(jié)構(gòu)分析模型，并對其進行數(shù)值分析。該模型取柱高4900mm，梁長6700 mm，翼緣加寬部分翼緣寬度為320mm，翼緣連接板為一塊尺寸為610×200×10 和兩塊尺寸為 610×80×12的Q235B鋼板構(gòu)成，上下翼緣均用16個10.9級M20摩擦型高強螺栓連接；腹板連接板為兩塊尺寸為330×310×8的Q235B鋼板，使用16個10.9級M20摩擦型高強螺栓連接。選取的一榀橫向框架ABAQUS有限元模型組裝示意如圖3所示。

圖3 軸橫向框架有限元模型組裝示意圖

在數(shù)值模型中，所有鋼板單元采用C3D8R實體單元進行模擬，螺栓采用C3D8I實體單元模擬。材料本構(gòu)模型選用雙折線模型，其屈服后模量為初始彈性模量的0.01倍。所有接觸位置均采用通用接觸。通用接觸屬性中，采用“硬”接觸模擬接觸面法向接觸，并允許接觸后分離，切向設(shè)置摩擦屬性，摩擦系數(shù)為0.4。對于實際上使用焊接的部分，如梁段與柱的連接，柱與加勁肋的連接，在模型中采用“tie”綁定進行模擬。對邊界條件進行簡化，設(shè)置柱底為完全固結(jié)。在網(wǎng)格劃分時，對于連接板、螺栓及其連接部位進行網(wǎng)格細化處理[6]。部分部件網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 部件網(wǎng)格劃分圖

3 設(shè)計校核與推覆分析

3.1 設(shè)計荷載下計算結(jié)果

根據(jù)背景工程設(shè)計條件，針對小震與豎向荷載共同作用下的工況，在框架上施加了如下設(shè)計荷載：柱頂水平集中力為16.632kN，梁上集中力(次梁傳力)為 3×32.093kN，梁上線荷載為0.643kN/m，柱頂集中力為 2×21.733kN。

如圖5所示，在設(shè)計荷載作用下整跨梁Mises應(yīng)力在梁端部和梁中間段較大，梁中間段Mises應(yīng)力在118.4MPa～236.7MPa，其值小于鋼材強度設(shè)計值。需要注意的是，本文所有Mises應(yīng)力云圖的單位均是MPa，位移云圖的單位均是mm。

圖5 設(shè)計荷載作用下梁柱Mises應(yīng)力云圖

圖6（a）為框架梁上翼緣的中部應(yīng)力隨著框架梁長方向（Z方向）路徑變化圖，由圖可知，框架梁上翼緣Z方向Mis?es應(yīng)力在5.6MPa～186.1MPa，其值小于鋼材強度設(shè)計值。6（b）和（c）分別為框架梁根部截面和變截面處的上翼緣應(yīng)力隨著翼緣寬度方向（X方向）和腹板應(yīng)力隨著腹板高度方向（Y方向）路徑變化圖，如圖6（b）所示，梁根部截面上翼緣X方向Mises應(yīng)力在36.0MPa～75.1MPa；梁變截面上翼緣X方向Mis?es應(yīng)力在38.7MPa～69.7MPa；如圖6（c）所示梁端腹板Y方向Mises應(yīng)力在27.5MPa～336.6MPa；梁變截面腹板Y方向Mises應(yīng)力在34.1MPa～64.6MPa。由上可知，框架梁單元應(yīng)力基本小于梁鋼材強度設(shè)計值，這表明項目翼緣加寬型鋼框架結(jié)構(gòu)框架梁在小震和豎向荷載共同作用下基本保持彈性狀態(tài)，滿足規(guī)范小震彈性的抗震設(shè)計要求。

圖6 設(shè)計荷載作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力路徑圖

如圖5所示，柱上端節(jié)點域應(yīng)力較大，節(jié)點域應(yīng)力在137.3MPa～176.4MPa。圖6（d）為柱翼緣和柱腹板的中部Mises應(yīng)力沿框架柱長度方向（Y方向）路徑變化圖，如圖所示框架柱翼緣Y方向Mises應(yīng)力在2.0MPa～77.2MPa；框架柱腹板Y方向Mises應(yīng)力在20.6MPa～142.8MPa。由圖上可知，框架柱單元應(yīng)力基本小于柱鋼材強度設(shè)計值，這表明項目翼緣加寬型鋼框架結(jié)構(gòu)框架柱在小震和豎向荷載共同作用下基本保持彈性狀態(tài)，滿足規(guī)范小震彈性的抗震設(shè)計要求。

圖6（e）和（f）分別是框架梁上翼緣連接板的中部Mises應(yīng)力沿板寬度方向（X方向）和長度方向（Z方向）的路徑圖；如圖6（e）所示梁上翼緣連接板X方向Mises應(yīng)力在40.4MPa～93.3MPa；如圖6（f）所示梁上翼緣連接板Z方向Mises應(yīng)力在13.9MPa～64.3MPa?？芍?，連接板單元應(yīng)力基本小于連接板鋼材強度設(shè)計值，這表明項目翼緣加寬型鋼框架結(jié)構(gòu)的連接在小震和豎向荷載共同作用下基本保持彈性狀態(tài)，滿足規(guī)范小震彈性的抗震設(shè)計要求。

如圖7所示，在設(shè)計荷載作用下，框架柱左柱柱頂水平位移約為4mm，位移角為1/1255，框架處于彈性階段，滿足規(guī)范框架結(jié)構(gòu)小震位移角限值要求（1/200）。

圖7 設(shè)計荷載作用下框架平面內(nèi)位

綜上，項目翼緣加寬型鋼框架結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范小震彈性的抗震設(shè)計要求。

3.2 推覆分析結(jié)果

3.2.1 2%位移角推覆結(jié)果

對框架柱端施加98mm位移（層間位移角為2%）后，得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移及反力模擬結(jié)果。由圖8可知，應(yīng)力比較大的區(qū)域是柱底和梁柱節(jié)點域。由圖9可知，梁的應(yīng)力出現(xiàn)兩邊大中間小的趨勢，加載過程中，梁上下翼緣應(yīng)力由梁端向梁跨中擴散，梁腹板應(yīng)力由腹板翼緣相交處向腹板中部擴散。由于梁端受柱約束作用，應(yīng)力由梁柱相交處向外擴散，梁端的應(yīng)力最大，梁端下部翼緣和腹板交接處鋼材首先出現(xiàn)屈服，隨后是梁端上部翼緣和腹板交接處屈服，隨著柱端加載位移的增大，梁端下部的鋼材屈服主要集中在下翼緣和腹板的交接處，而梁端上部的屈服主要集中在上翼緣與柱交接處。由圖10可知，變截面處應(yīng)力相較于梁跨中要大，梁翼緣的應(yīng)力在147.9MPa～236.7MPa，在變截面的翼緣角部出現(xiàn)了應(yīng)力集中，應(yīng)力大小在295.8MPa～325.4MPa。柱在加載過程中，應(yīng)力由柱端向柱中部擴散，擴散的趨勢與梁相同。由圖11可知，柱端位移達到98mm時，柱子鋼材屈服位置在柱上端節(jié)點域腹板處以及柱下端翼緣及翼緣和腹板相交處。

圖8 一榀框架Mises應(yīng)力云圖

圖9 梁Mises應(yīng)力云圖

圖10 變截面處Mises應(yīng)力云圖

圖11 柱Mises應(yīng)力云圖

3.2.2 4%層間位移角及6%層間位移角推覆結(jié)果

由圖12所示位移荷載98mm對應(yīng)反力為371.439kN，位移荷載196mm對應(yīng)反力為394.661kN，而加載至294mm對應(yīng)的反力為386.356kN，小于加載196mm時的反力，說明框架的強度在加載后期略有下降。從圖12中可以看出，在層間位移角1%下，鋼框架的反力位移曲線近似一條斜直線，水平位移施加至196mm（層間位移角為4%）時，力位移曲線上升變緩，當(dāng)水平位移繼續(xù)增大直至217mm（層間位移角為4.4%）時，力位移曲線出現(xiàn)下降段，增加至294mm（層間位移角為6%）時，鋼材下降段不明顯，這些結(jié)果表明翼緣加寬型鋼框架結(jié)構(gòu)具有很好的彈塑性性能。由圖13和圖14可知，翼緣加寬型鋼框架在加載中，框架梁比柱先屈服，基本滿足強柱弱梁的破壞模式。

圖12 柱底總剪力-柱頂位移曲線

圖13 4%位移角下框架Mises應(yīng)力云圖

圖14 6%位移角下框架Mises應(yīng)力云圖

4 對比分析

4.1 對比模型

為探究翼緣加寬型框架和普通框架的力學(xué)性能差異，建立普通節(jié)點的一榀鋼框架模型，普通框架模型鋼梁全跨不做翼緣加寬處理，其余參數(shù)與翼緣加寬型框架一致，對比兩種框架在2%位移角下的力學(xué)性能差異。普通框架與翼緣加寬型框架對比模型如圖15所示。

圖15 普通框架與翼緣加寬型框架對比模型圖

4.2 分析結(jié)果

圖16對比了普通框架和翼緣加寬型框架的梁端應(yīng)力。普通框架的下翼緣與腹板交界處的屈服區(qū)域面積要小于翼緣加寬型框架，普通框架梁柱節(jié)點區(qū)域內(nèi)上翼緣的應(yīng)力大部分在266.6MPa～325.5MPa，而翼緣加寬型框架梁柱節(jié)點區(qū)域內(nèi)上翼緣的應(yīng)力大部分在148.1MPa～266.3MPa。由圖17可知，在柱端位移施加到98mm時，普通框架和翼緣加寬型框架的反力隨位移變化趨勢基本一致，即在2%位移角下，節(jié)點形式的改變對一榀框架的剛度和強度基本沒有影響。

圖16 梁端Mises應(yīng)力對比圖

圖17 不同鋼梁節(jié)點形式柱底總剪力-柱頂位移曲線

5 參數(shù)化分析

5.1 參數(shù)化模型

為得到框架受力性能影響因素及其影響規(guī)律，對一榀鋼框架進行參數(shù)化模型分析。為實現(xiàn)“強柱弱梁”的設(shè)計目標(biāo)，參數(shù)1調(diào)整了梁材料，將梁的鋼材定義為Q235B，柱子鋼材仍為Q355B，觀察一榀鋼框架損傷模式；參數(shù)2在滿足規(guī)范規(guī)定連接板的構(gòu)造要求前提下，減小連接板的寬度，觀察連接板的受力情況。

5.2 參數(shù)1分析結(jié)果

由圖18可知，在柱端施加98mm位移荷載（2%層間位移角），鋼梁在梁柱相交處的屈服區(qū)域相較于Q355B鋼梁屈服區(qū)域要大，鋼梁翼緣變截面處的鋼材同樣也屈服。由圖19可知，在相同位移荷載作用下，改變鋼梁的材料對框架結(jié)構(gòu)彈性剛度影響不大；Q235B鋼材梁和Q355B鋼材梁隨著加載位移的增大，反力均先上升后下降，但采用Q235B梁的鋼框架反力下降早于采用Q355B梁的鋼框架，且在加載位移200mm以后，采用Q235B梁的鋼框架反力下降的程度明顯大于采用Q355B梁鋼框架。

圖18 不同鋼梁強度Mises應(yīng)力云圖

圖19 不同鋼梁強度柱底總剪力-柱頂位移曲線

5.3 參數(shù)2分析結(jié)果

由圖20可知，同樣在柱端施加98mm位移荷載（2%層間位移角），采用原尺寸200mm寬的外側(cè)連接板最大應(yīng)力為340.6MPa，而將寬度改為186mm的外側(cè)連接板最大應(yīng)力為333.8MPa，且連接板上屈服區(qū)域面積小于原寬度連接板的屈服區(qū)域面積。由圖21可知，采用原尺寸80mm寬的內(nèi)側(cè)連接板最大應(yīng)力為315.6MPa，而將寬度改為66mm的內(nèi)側(cè)連接板最大應(yīng)力為324.8MPa，連接板上屈服區(qū)域面積同樣小于原寬度連接板的屈服區(qū)域面積。

圖20 外側(cè)連接板Mises應(yīng)力對比圖

圖21 內(nèi)側(cè)連接板Mises應(yīng)力對比圖

6 結(jié)論

本文以安徽蚌埠香澗變電站新建工程的500kV繼電器室項目為背景工程，采用ABAQUS軟件對一榀典型框架進行了數(shù)值模擬，主要研究結(jié)論包括以下幾點：

①翼緣加寬型鋼框架結(jié)構(gòu)在設(shè)計荷載作用下，層間位移角較小，框架梁柱構(gòu)件、梁柱節(jié)點及其連接板件均基本處于彈性，這表明鋼框架結(jié)構(gòu)受力性能滿足設(shè)計要求；

②翼緣加寬型鋼框架結(jié)構(gòu)在推覆過程中，框架梁根部率先屈服，隨后節(jié)點剪切域和柱底部屈服，基本滿足強柱弱梁的破壞模式；1%位移角內(nèi)推覆力位移曲線基本呈線性，具有較好的彈性剛度，2%位移角時曲線明顯折轉(zhuǎn)，6%位移角下結(jié)構(gòu)曲線下降段不明顯，結(jié)構(gòu)具有較好的變形能力；這些結(jié)果表明翼緣加寬型鋼框架結(jié)構(gòu)具有較好的彈塑性性能；

③翼緣加寬型鋼框架結(jié)構(gòu)和普通框架結(jié)構(gòu)對比研究表明，兩者破壞模式基本相同，翼緣加寬可以減小框架梁根部局部應(yīng)力，兩者的力位移曲線基本吻合，即結(jié)構(gòu)的初始剛度和強度基本不變；這些結(jié)果表明翼緣適當(dāng)加寬并不會明顯改變結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能；

④梁材料由Q355改為Q235B，1%位移角以內(nèi)力位移曲線基本吻合，6%位移角時曲線下降斜率大，這表明梁材料參數(shù)對結(jié)構(gòu)彈性剛度影響較小，對結(jié)構(gòu)塑性性能有一定影響；梁翼緣連接板的寬度由200mm改為186mm，結(jié)構(gòu)整體性能與連接板應(yīng)力相差不大，這表明適當(dāng)減小連接板寬度并不會明顯改變結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。