角鋼格構式構架兩種梁柱連接形式對比研究

閆 勇，王義鵬，陳 寅，魯 偉

（中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071）

1 概述

對于國外變電工程，為便于集港運輸、節約工程造價，配電裝置構架通常采用角鋼格構式結構，即構架梁、柱均采用四邊形格構式塔架，主材及腹桿均采用角鋼。相比于國內常用的圓鋼管A 字柱構架，角鋼格構式構架具有節點較多、構造復雜、所有桿件均為二力桿、主要承受軸向的拉力和壓力等特點。構架梁柱節點的連接形式是角鋼格構式構架設計的關鍵點和難點，常用的梁柱節點連接形式有以下兩種：一種是構架梁下弦端部兩個節點與構架柱節點采用螺栓連接，受力特性類似于梁柱鉸接，以下簡稱A 方案；另一種是構架梁上、下弦端部四個節點均與構架柱節點采用螺栓連接，由于連接剛度較大，可以傳遞彎矩，受力特性類似于梁柱剛接，以下簡稱B 方案。

2 模態對比

本文以巴基斯坦某換流站132kV 構架為例，該132kV 構架采用單排雙跨角鋼格構式塔架結構，構架全高18m，梁底標高12m，構架梁跨度12m。在同等條件下（構架梁柱各桿件截面相同、風荷載和導線拉力等荷載條件相同）利用有限元軟件STAAD.Pro 分別建立兩種梁柱連接形式（A 方案和B 方案）的計算模型。

采用STAAD.Pro 軟件對該132kV 構架進行模態分析，并取前三階振型進行對比，計算結果見表1；通過對比可知，兩方案Z 向（平面外）和扭轉振型計算結果相近，而X 向（平面內）振型自振頻率A 方案（3.41Hz）大于B方案（2.37Hz）。初步看來，兩種梁柱連接形式主要影響構架X 向（平面內）整體剛度，而對Z 向（平面外）剛度影響不大。

表1 兩種連接形式前三階振型及方向對比

3 內力對比

分別選取兩種模型構架梁、柱弦桿在基本工況下各節間最大內力進行對比，計算結果見表2，可以看到，對于構架柱節間內力，A 方案（梁柱鉸接）是B 方案（梁柱剛接）的1.16～1.38 倍；而對于構架梁節間內力，B 方案是A方案的 1.32～1.55 倍。

表2 兩種連接方案基本組合梁柱節間最大內力對比

值得一提的是，模型計算結果與簡化的平面鋼架定性分析結果基本一致：對A 方案，構架梁內力曲線呈現典型的簡支梁特征，即跨中內力較大，而梁端內力較小；對B 方案，構架梁內力曲線呈現典型的兩端剛接的雙跨連續梁受力特征，梁端內力較大，而跨中內力較小。

圖1 A 梁柱鉸接第 1 階振型（X 向，平面內）

圖2 B 梁柱剛接第 1 階振型（Z 向，平面外）

表3 兩種連接方案梁柱標準組合最大位移對比

表4 兩種連接方案經濟性對比

4 位移對比

分別選取兩種模型構架梁、柱在標準工況下各節點最大位移進行對比，計算結果見表3，從計算結果可知，Z向（平面外）節點位移計算結果相差不大，而X 向（平面內）節點位移相差較大。對于柱頂位移，A 方案（梁柱鉸接）是B 方案（梁柱剛接）的 2.62 倍；對于梁底位移，A 方案是B 方案的1.91 倍。

從位移計算結果可以看出，兩種梁柱連接節點方案主要影響構架X 向剛度（平面內），這是由于B 方案（梁柱剛接）能夠傳遞梁端彎矩，提高了構架X 向整體抗側剛度。

5 扭轉角對比

由于導線掛點位于構架梁下弦節點，導線拉力對構架梁形心存在扭轉力矩，為便于研究兩種不同模型構架梁在受力情況下的扭轉情況，在STAAD 計算模型結果上，引入扭轉角θ 的概念，構架梁每個截面上的扭轉角可以用以下公式計算：

θ=arctan|（Δ2x-Δ1x）/（h+Δ1y-Δ2y）|

其中Δ1x、Δ1y分別表示梁截面出線側下弦節點水平位移、豎向位移；Δ2x、Δ2y分別表示梁截面出線側上弦節點水平位移、豎向位移；h 表示梁截面高度。經計算，B 方案（梁柱剛接）梁截面平均扭轉角0.017rad、最大扭轉角0.045rad；A 方案（梁柱鉸接） 梁截面平均扭轉角0.035rad、最大扭轉角0.071rad，分別是B 方案的2.06倍、1.58 倍。對比可發現，雖然兩種模型扭轉角數值都相對比較小，但梁柱剛接模型的梁截面抗扭性能明顯更優。

6 經濟性對比

以上計算分析均在同等條件（相同截面、相同荷載）下利用兩種梁柱連接方式模型計算結果進行對比，為了便于進行經濟性比較，基于以上計算結果，按計算內力選擇合適截面，各截面應力比均按80%左右控制，統計兩種連接方案經濟性對比見表4。從表4 可以看出，A 方案構架柱用鋼量較大，B 方案構架梁用鋼量較大，由于構架柱數量多于構架梁，總體上看兩方案經濟性相差不大，而B方案經濟性更好。

7 結論

本文對角鋼格構式構架常用的兩種梁柱連接形式進行對比研究，可以得出以下結論：

（1）兩種連接形式對構架平面外剛度影響不大，而對構架平面內剛度梁柱剛接大于梁柱鉸接。

（2）梁柱剛接構架柱內力較小、構架梁內力較大；兩種連接方式構架平面外位移相差不大；而梁柱剛接構架平面內位移較小；梁柱剛接可以有效約束構架梁扭轉變形，扭轉角更小。

（3）總體上看兩種連接形式對鋼材量影響不大，梁柱剛接構架結構性能更優，推薦工程設計采用梁柱剛接方案。