变电构架格构式梁柱连接节点分析研究

鞠洪涛　姜文　周红

摘  要：梁柱连接节点是变电构架结构关键部位，关系到构架的整体受力性能，该文采用通用有限元模拟软件对变电构架中梁柱连接节点受力性能进行数值模拟分析，得到了各节点的破坏形式，极限承载力和荷载—位移曲线。计算了I型、槽型和T型3种不同插板形式梁柱连接节点，并对比3种插板计算结果，提出变电构架格构式梁柱连接设计合理优化建议。

关键词：格构梁柱连接;有限元模拟;数值分析;插板

中图分类号： TU318          文献标志码：A

格构式梁柱变电构架断面通常为为四边形结构，主要用于自身高度、跨度及荷载水平较大的超高压和特高压构架结构，构架结构的安全可靠性是保证变电站正常运行的必要条件，而梁柱连接节点作为变电构架结构关键部位，关系到变电构架的整体受力性能，因此有必要对梁柱节点进行系统研究，从而能够更好地进行优化设计，保证变电构架安全可靠。

1 模型钢管长度确定和有限元验证

1.1 模型钢管长度确定

由于节点在分析过程中，边界条件和荷载均施加在各肢的端部，所以各肢建模长度的正确与否显得十分重要，为了避免端部约束对节点域的影响，支管长径比取5。

以构架梁柱连接节点中的I型插板形式节点进行试算，通过建立各肢长为别为4D、5D和6D三个不同有限元模型，其中D为各肢的外径。

通过计算对比极限承载力（表1）可知，4D、5D和6D的极限承载力都十分接近，并且荷载—位移曲线变化趋势接近，验证了国内外研究者在节点研究中支管长径比取5这一结论，所以构架梁柱节点中的钢管肢在有限元分析中均取5。

1.2 有限元模型验证

为了验证所研究节点的有限元软件建模的正确性，分别采用两种软件对有限元模型进行验证。具体验证的模型有I型插板形式的构架梁柱连接节点，2种程序的计算结果如图1和表2所示。

从图1和表2可以看出，ANSYS与SAP2000所建立的有限元模型计算得到的各节点荷载—位移曲线吻合较好，极限承载力较为接近，偏差均小于5%。

2 构架梁柱连接节点设计

2.1 有限元模型的选取和建立

根据变电构架模型選出最不利工况[1-2]下模型中的构架梁柱连接节点，节点选取示意图如图2所示。

构架柱主材选用Φ325 mm×10 mm，分别选用斜肢、横肢分别选用Φ95 mm×5 mm、Φ89 mm×5 mm;大节点板厚度20 mm，小节点板、加劲板、插板厚度10 mm。

2.2 节点设计

选用的插板形式有I型、槽型和T型3种，螺栓的布置通过SAP2000计算得到的节点各肢的内力，然后通过计算确定螺栓的布置形式。

各插板节点中螺栓的受力状态均为双剪状态，以节点中的肢2为例对整个构架梁柱节点的设计过程进行说明，设计前根据工程经验先选定节点板的厚度为10 mm。

由SAP2000软件计算获得肢2所受轴力采用4个M20螺栓双排双列排布。

2.2 构造措施

对螺栓进行双排双列排布，按钢结构的构造要求确定螺孔边距和中心距。 焊缝在相应节点板、钢管、加劲板接触长度范围内全部采用焊接连接。设计构件尺寸示意图如图3所示。

2.3 本构关系

材料选用Q345（Q355）钢材，钢材屈服强度为345（355）MPa，弹性模量E为206 GPa，6.8螺栓的屈服强度为320 MPa，弹性模量E为206 GPa[3]。有限元模型中钢材在多轴应力状态下采用Von-Mises屈服准则来判断钢材是否屈服，本构模型选择随动强化模型，强化模量Et取0.01E，泊松比取0.3。

3 单元选取和网格划分

在模型单元的选择上，节点板、肢和插板等采均用壳单元，螺栓采用实体单元。

实体单元库中，单元积分形式包括完全积分、减缩积分、非协调积分。对比完全积分单元，减缩积分单元在是每个方向上少用一个积分点，因而不会发生过约束，因此采用减缩积分。

单元网格的划分是有限元分析中至关重要的一环，对后续计算结果的准确性影响较大。网格划分技术有：扫略划分网格、自由化分网格、映射划分网格、结构划分网格和虚拟拓扑。网格划分示意图如图4所示。

4 边界条件与荷载施加

通过SAP2000建模计算结果得知在最不利工况（Y方向大风最不利）[4]下，节点的最不利肢分别为肢4（受压）和肢2（受压）。因此，针对最不利工况下的最不利肢制定加载方案，用以分析本节点的极限承载能力。具体加载方案的边界条件和荷载施加如下所示。

肢4加载方案的边界条件和荷载施加情况见表3。肢2的加载方案边界条件和荷载施加情况见表4。

5 计算结果分析

5.1  破坏模式

节点的破坏模式主要呈现为加载肢4和肢2的插板发生屈曲破坏，如图5所示。

5.2 荷载-位移曲线

有限元计算得到的荷载—位移曲线如图6和图7所示。3种插板形式中，I型插板节点的极限承载力最低，槽型插板节点较高，T型插板节点的最高，三者的荷载—位移曲线变化趋势相近，都是荷载上升到极限承载力后逐渐下降，这主要与加载肢受压屈曲有关。

5.3  极限承载力

表5列出了3种插板形式节点的极限承载力，其中对于肢4，槽型插板节点和T型插板节点的极限承载力相对于I型插板节点分别高了35.50%和49.74%;对于肢2，槽型插板节点和T型插板节点的极限承载力相对于I型插板节点分别高了72.34%和91.60%，说明插板形式的改善对于提高节点的承载能力效果十分显著。

6 结语

从计算结果可知，梁柱连接节点的破坏主要表现在插板和其对应肢的破坏。插板形式的改善对于提高节点的承载性能效果十分显著，槽型和T型插板节点相比于I型插板节点，承载能力较高，受力性能优越。因梁柱连接节点是结构关键部位，关系到变电构架的整体受力性能，因此建议优先采用槽型插板节点和T型插板节点，尽量少采用I型插板节点。

参考文献

[1]中南电力设计院.变电构架设计手册[M].武汉：湖北科学技术出版社，2006：20-28.

[2]国家能源局.DL/T 5154—2012，架空输电线路杆塔结构设计技术规定[S].北京：中国计划出版社，2013：18-21.

[3]国家能源局.DL/T 5457—2012，变电站建筑结构设计技术规程[S].北京：中国计划出版社，2012：9-11，36-42.

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50017—2017，钢结构设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2017：16-23，102-106.