變電站鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)連接的優(yōu)化設(shè)計(jì)

謝軍

（南京電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇南京 210000）

1 研究背景和意義

隨著電力行業(yè)的不斷發(fā)展， 變電站作為電力系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)， 其建設(shè)和更新?lián)Q代也日趨重要。 變電站鋼結(jié)構(gòu)作為變電站的主要承重結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量直接影響著變電站的穩(wěn)定性和安全性。 其梁柱節(jié)點(diǎn)連接作為鋼結(jié)構(gòu)中最重要的連接方式之一，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和施工可行性都起到至關(guān)重要的影響。 因此，對(duì)變電站鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)連接的優(yōu)化設(shè)計(jì)， 已經(jīng)成為當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。 然而，現(xiàn)有的研究在節(jié)點(diǎn)連接形式的比選和設(shè)計(jì)方法等方面存在一些不足之處，需要進(jìn)一步深入探究。 因此，本研究旨在通過分析和總結(jié)現(xiàn)有研究成果， 探究變電站鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)連接的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和原則， 以期為變電站鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的參考和指導(dǎo)。

2 變電站鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)方法

2.1 基本步驟

當(dāng)進(jìn)行變電站鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)時(shí)，需按照一定的步驟進(jìn)行。 首先，需確定節(jié)點(diǎn)類型和荷載情況，以明確節(jié)點(diǎn)所受的靜、動(dòng)荷載和地震作用等。 其次，需根據(jù)節(jié)點(diǎn)類型和荷載情況選擇合適的節(jié)點(diǎn)連接方式，如焊接、螺栓連接、栓焊連接等。在節(jié)點(diǎn)尺寸和構(gòu)造的設(shè)計(jì)過程中， 需結(jié)合節(jié)點(diǎn)類型、荷載情況和材料選擇，確定節(jié)點(diǎn)尺寸和構(gòu)造，包括節(jié)點(diǎn)板厚、焊縫尺寸、螺栓數(shù)量和直徑及節(jié)點(diǎn)域是否加強(qiáng)等。 此外，針對(duì)節(jié)點(diǎn)的疲勞和抗震性能要求，需進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算和分析，確保節(jié)點(diǎn)在長(zhǎng)期使用和地震作用下的安全性能。 最后，根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，編制節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)圖紙，包括節(jié)點(diǎn)立面圖、橫斷面圖、材料清單、焊接或螺栓連接示意圖等。這些步驟在進(jìn)行變電站鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)時(shí)，都是必須的，可以保證設(shè)計(jì)出具備可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性和施工可行性的節(jié)點(diǎn)連接方案。

2.2 帶懸臂段與不帶懸臂段設(shè)計(jì)方案比選

帶懸臂段與不帶懸臂段比選是結(jié)構(gòu)工程中常用的一種設(shè)計(jì)方法。 一般情況下，懸臂段是指梁或柱在跨度較大的一側(cè)超出支座部分的一段構(gòu)件。帶懸臂段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在滿足強(qiáng)度、剛度等要求的基礎(chǔ)上，可更好控制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和變形，減小結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和震動(dòng)反應(yīng)。 同時(shí)，帶懸臂段的結(jié)構(gòu)也具有更好的應(yīng)力分布， 更為合理地分配結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，有利于整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。 相比之下，不帶懸臂段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)則相對(duì)簡(jiǎn)單，且較易于施工和維護(hù)。 但在跨度較大或荷載較大的情況下，不帶懸臂段的結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)較大的變形和振動(dòng)，影響結(jié)構(gòu)的安全性和使用壽命。 因此，在進(jìn)行帶懸臂段與不帶懸臂段比選時(shí)，需綜合考慮結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況、使用要求和工程成本等方面因素，選擇更合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。其中包括：①結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況?？紤]結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)、支撐條件、節(jié)點(diǎn)連接形式、荷載大小等實(shí)際情況，以確保設(shè)計(jì)的合理性和可行性。②使用要求。包括結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性、耐久性、維護(hù)方便性等因素，選擇最適合的設(shè)計(jì)方案。③工程成本。結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、 制造和施工等成本要素也需納入考慮范圍。需通過權(quán)衡成本和性能間的關(guān)系，確定最經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)方案。

3 變電站鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)連接的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 選擇合適的節(jié)點(diǎn)連接形式

選擇節(jié)點(diǎn)連接形式應(yīng)根據(jù)受力特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求選擇適合的節(jié)點(diǎn)連接形式。焊接連接是將構(gòu)件通過熔合焊接在一起，其連接強(qiáng)度較高，但需進(jìn)行較復(fù)雜的工藝控制。螺栓連接則是采用螺栓將構(gòu)件連接在一起，其安裝和維護(hù)較方便，但需控制螺栓預(yù)緊力。此外，在選擇節(jié)點(diǎn)連接形式時(shí)，還需考慮構(gòu)件的布置和空間限制等因素，以保證連接的穩(wěn)定性和可靠性。針對(duì)變電站結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，如跨度大、平面不規(guī)則、樓面荷載大等，需考慮結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和裝配式施工的因素以選擇節(jié)點(diǎn)連接形式。 例如，多層變電站鋼結(jié)構(gòu)方案，當(dāng)選用全栓接時(shí)，就需重點(diǎn)關(guān)注節(jié)點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)，且全栓接雖然提升了全站裝配率， 但也給組合樓板或樓承板的施工帶來不便，此時(shí)就需綜合比選全栓接和焊接兩種型式。 同時(shí)，在考慮裝配式施工的因素時(shí)，需要優(yōu)先選擇易于安裝和調(diào)整的節(jié)點(diǎn)連接形式， 以提高施工效率和質(zhì)量。因此，在選擇節(jié)點(diǎn)連接形式過程中，需要綜合考慮結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)、 裝配式施工的因素和設(shè)計(jì)要求，選擇合適的節(jié)點(diǎn)連接形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2 實(shí)例分析

本實(shí)例為某110 kV 變電站配電綜合樓， 建筑物為一棟三層建筑物，地下一層，層高3.5 m，地上兩層，地上一層層高5 m，二層層高5 m。 最大柱距9 m，樓板采用壓型鋼板底模式樓板。 主變室和GIS室屬于大空間結(jié)構(gòu)，屋面高度較高，因此梁柱節(jié)點(diǎn)連接的設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定性至關(guān)重要。根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案，鑒于目前變電站的高裝配率和綠色施工的要求， 我們考慮采用全栓接的節(jié)點(diǎn)型式，并對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了深化設(shè)計(jì)。 通過實(shí)例分析得出：①全栓接施工方便。全栓接的連接方式可以在工廠進(jìn)行預(yù)制，減少現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間和工序，降低了施工難度和風(fēng)險(xiǎn)。②節(jié)約材料。 全栓接的連接方式可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)力需求和構(gòu)件尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免了在焊接過程中可能產(chǎn)生的金屬浪費(fèi)和強(qiáng)度損失。③提高連接質(zhì)量。全栓接的連接方式可保證連接質(zhì)量和一致性，避免了焊接過程中可能產(chǎn)生的缺陷和質(zhì)量問題。 在該實(shí)例中，采用全栓接的連接方式可滿足變電站結(jié)構(gòu)的受力要求， 并可實(shí)現(xiàn)預(yù)制化生產(chǎn)，降低施工難度和風(fēng)險(xiǎn)，提高施工效率和工作質(zhì)量。 同時(shí)， 全栓接的連接方式可避免現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)火的問題，符合綠色施工的要求。 綜合來看，本設(shè)計(jì)方案選擇全栓接方式，是一種安全、便捷、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的節(jié)點(diǎn)連接方案，適合應(yīng)用于變電站鋼結(jié)構(gòu)梁柱連接的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 全栓接方式便于施工現(xiàn)場(chǎng)的拆卸和更換，方便維修保養(yǎng)，減少了維護(hù)成本。

4 結(jié)語

本研究通過對(duì)變電站鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)連接的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探討，總結(jié)了梁柱節(jié)點(diǎn)連接結(jié)構(gòu)的安全性原則、可靠性原則、經(jīng)濟(jì)性原則和施工可行性原則，并提出基于受力特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求選擇合適的節(jié)點(diǎn)連接形式的設(shè)計(jì)方法。本次優(yōu)化設(shè)計(jì)針對(duì)配電綜合樓的梁柱節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)行了詳細(xì)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過對(duì)節(jié)點(diǎn)受力特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求的綜合考慮，采用了全栓接的連接方式，使節(jié)點(diǎn)連接更安全可靠，并針對(duì)上翼緣螺帽影響組合樓板施工這一問題給出了解決方案。 該設(shè)計(jì)方案具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、施工方便、綠色環(huán)保、裝配率高等優(yōu)點(diǎn)，為類似大空間結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)提供了參考和借鑒。