變電構(gòu)架的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

楊 杰，朱英偉，徐國(guó)忠

(金華電力設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 金華 321000)

變電構(gòu)架的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

楊 杰，朱英偉，徐國(guó)忠

(金華電力設(shè)計(jì)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(xiàn)板和梁柱連接節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中情況，同時(shí)給出了消除應(yīng)力集中的解決方案，供工程設(shè)計(jì)人員參考。

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

目前國(guó)內(nèi)大量的變電站220kV/110kV電壓等級(jí)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(kāi)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(chǎng)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(shí)際情況中的應(yīng)用也越來(lái)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(jì)的安全性顯得尤為重要，而節(jié)點(diǎn)的合理設(shè)計(jì)是保證構(gòu)架正常運(yùn)行的重要部分。

1 構(gòu)架內(nèi)力計(jì)算

1.1 荷載條件

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

220kV出線(xiàn)構(gòu)架導(dǎo)線(xiàn)掛點(diǎn)高14.5 m，地線(xiàn)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(xiàn)構(gòu)架導(dǎo)、地線(xiàn)荷載見(jiàn)表1。

表1 220kV出線(xiàn)構(gòu)架導(dǎo)、地線(xiàn)荷載

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

地面粗糙度統(tǒng)一按B類(lèi)考慮。

荷載按照《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)軟件和STAAD. Pro進(jìn)行分析計(jì)算。對(duì)于A字柱、地線(xiàn)柱、單鋼管梁、避雷針等，按空間桿系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算；對(duì)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(jì)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(duì)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(guò)焊接或螺栓連接，構(gòu)造簡(jiǎn)單，受力明確，不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且在工程實(shí)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(mǎn)足實(shí)際的受力要求。但對(duì)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(duì)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(duì)梁柱連接的構(gòu)造進(jìn)行實(shí)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(shí)，在單鋼管梁的結(jié)構(gòu)中，掛線(xiàn)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(shí)體模型，進(jìn)行有限元分析。

2.2 梁掛線(xiàn)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(xiàn)張力一般控制20 kN以?xún)?nèi)(垂直于單鋼管梁的水平張力)，同時(shí)考慮到一些具體的工程，由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件的限制，張力會(huì)達(dá)到30 kN。綜合上述要求，在單鋼管梁掛線(xiàn)板應(yīng)力分析中，導(dǎo)線(xiàn)張力荷載按照20 kN和30 kN兩種工況考慮，導(dǎo)線(xiàn)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(huì)有一定的差異，鋼管直徑對(duì)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(shí)際工程中，單鋼管梁的壁厚一般不會(huì)小于8 mm，同時(shí)壁厚太厚的話(huà)，構(gòu)架的用鋼量就會(huì)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(xiàn)張力和鋼管壁厚，分如下4種情況進(jìn)行應(yīng)力分析，見(jiàn)表2。

表2 4種情況進(jìn)行應(yīng)力分析

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

圖1 單鋼管梁掛線(xiàn)板豎向布置應(yīng)力云圖

圖2 單鋼管梁掛線(xiàn)板水平布置應(yīng)力云圖

表3 單鋼管梁掛線(xiàn)板豎向布置應(yīng)力值

表4 單鋼管梁掛線(xiàn)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(xiàn)張力達(dá)到30 kN時(shí)，無(wú)論鋼管的壁厚是8 mm還是10 mm，掛線(xiàn)板和鋼管接觸處的上下兩點(diǎn)的應(yīng)力都超過(guò)了310 N/mm2的設(shè)計(jì)值，所以上述的掛線(xiàn)板設(shè)計(jì)過(guò)于簡(jiǎn)單，需對(duì)它進(jìn)行改進(jìn)。

從上述的應(yīng)力云圖中可知，掛線(xiàn)板的最大應(yīng)力出現(xiàn)在掛線(xiàn)板和鋼管接觸處的端部?jī)牲c(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(xiàn)板的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)就能滿(mǎn)足要求，基于此種思路，在掛線(xiàn)板豎向布置的上下端部增加與掛線(xiàn)板垂直的加勁板，在掛線(xiàn)板水平布置的左右端部增加與掛線(xiàn)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(jiàn)表5、表6，應(yīng)力分布見(jiàn)圖3、圖4。

表5 單鋼管梁掛線(xiàn)板豎向布置應(yīng)力值(改進(jìn)方案)

表6 單鋼管梁掛線(xiàn)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(xiàn)板豎向布置的上下端部增加與掛線(xiàn)板垂直的加勁板，在掛線(xiàn)板水平布置的左右端部增加與掛線(xiàn)板垂直的加勁板，在基本上不增加用鋼量的情況下，將掛線(xiàn)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(mǎn)足工程實(shí)際的需求。同時(shí)，掛線(xiàn)板豎向布置的方案的應(yīng)力小于對(duì)應(yīng)工況下掛線(xiàn)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(shí)際工程中采用改進(jìn)方案的掛線(xiàn)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(jì)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(shí)體模型，進(jìn)行應(yīng)力分析。

圖3 單鋼管梁掛線(xiàn)板豎向布置應(yīng)力云圖(改進(jìn)方案)

圖4 單鋼管梁掛線(xiàn)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(shí)，構(gòu)架的受力模型見(jiàn)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(jiàn)圖6。具體的實(shí)體有限元模型見(jiàn)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(shí)際工程的各種工況，本次的實(shí)體模型分如下四種工況，見(jiàn)表7。具體應(yīng)力分布見(jiàn)圖8，分析見(jiàn)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(shí)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?shù)摴芟嚓P(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(duì)應(yīng)力的減小的作用越來(lái)越小，當(dāng)梁鋼管的壁厚增大到16 mm時(shí)，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?shù)摴苤g增加加勁板，以減小這部為的應(yīng)力，優(yōu)化后的實(shí)體模型如圖9。增加加勁板后，具體的工況見(jiàn)表9。具體應(yīng)力分布見(jiàn)圖10，分析見(jiàn)表10。

圖9 梁柱連接實(shí)體模型(改進(jìn)方案)

圖10 單鋼管梁掛線(xiàn)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(xiàn)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?shù)摴苤g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(shí)，最大應(yīng)力只有應(yīng)力設(shè)計(jì)值的87%，已經(jīng)滿(mǎn)足規(guī)范要求。此種構(gòu)造較單純?cè)龃罅轰摴鼙诤竦淖龇ㄓ休^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(duì)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(xiàn)性隨動(dòng)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(duì)于工況4，將荷載逐漸增加到設(shè)計(jì)荷載的2倍后，7號(hào)加勁板和梁鋼管的應(yīng)力變化見(jiàn)圖11～圖16。

從上述的應(yīng)力云圖可知，在1.4倍設(shè)計(jì)荷載的情況下，7號(hào)加勁板恰好處于彈性階段的滿(mǎn)應(yīng)力狀態(tài)，隨著荷載慢慢增大到2倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)，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(lái)越大，但荷載達(dá)到2倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)，進(jìn)入塑性工作的面積總體不大，對(duì)于梁鋼管，當(dāng)荷載增大到設(shè)計(jì)荷載的2倍時(shí)，鋼管還未屈服，所以對(duì)于節(jié)點(diǎn)整體來(lái)說(shuō)，考慮材料的塑性性能，當(dāng)實(shí)際的荷載大于節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)荷載不多時(shí)，節(jié)點(diǎn)不會(huì)破壞，有一定的安全儲(chǔ)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(shí)，構(gòu)架的受力模型見(jiàn)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(jiàn)圖18。

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

3 結(jié)論

圖11 1.4倍設(shè)計(jì)荷載

圖12 1.5倍設(shè)計(jì)荷載

圖13 2倍設(shè)計(jì)荷載

圖14 1.4倍設(shè)計(jì)荷載

圖15 1.5倍設(shè)計(jì)荷載

圖16 2倍設(shè)計(jì)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(duì)復(fù)雜，通過(guò)節(jié)點(diǎn)有限元實(shí)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(xiàn)板和梁柱連接節(jié)點(diǎn)的受力都能滿(mǎn)足工程實(shí)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(jì)技術(shù)規(guī)程[S].

[2]GB50017－2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)，結(jié)構(gòu)耐久性研究。