角钢格构式构架两种梁柱连接形式对比研究

2021-01-12王义鹏

科技创新与应用 2021年1期

闫勇，王义鹏，陈寅，鲁伟

（中南电力设计院有限公司，湖北武汉 430071）

1 概述

对于国外变电工程，为便于集港运输、节约工程造价，配电装置构架通常采用角钢格构式结构，即构架梁、柱均采用四边形格构式塔架，主材及腹杆均采用角钢。相比于国内常用的圆钢管A 字柱构架，角钢格构式构架具有节点较多、构造复杂、所有杆件均为二力杆、主要承受轴向的拉力和压力等特点。构架梁柱节点的连接形式是角钢格构式构架设计的关键点和难点，常用的梁柱节点连接形式有以下两种：一种是构架梁下弦端部两个节点与构架柱节点采用螺栓连接，受力特性类似于梁柱铰接，以下简称A 方案；另一种是构架梁上、下弦端部四个节点均与构架柱节点采用螺栓连接，由于连接刚度较大，可以传递弯矩，受力特性类似于梁柱刚接，以下简称B 方案。

2 模态对比

本文以巴基斯坦某换流站132kV 构架为例，该132kV 构架采用单排双跨角钢格构式塔架结构，构架全高18m，梁底标高12m，构架梁跨度12m。在同等条件下（构架梁柱各杆件截面相同、风荷载和导线拉力等荷载条件相同）利用有限元软件STAAD.Pro 分别建立两种梁柱连接形式（A 方案和B 方案）的计算模型。

采用STAAD.Pro 软件对该132kV 构架进行模态分析，并取前三阶振型进行对比，计算结果见表1；通过对比可知，两方案Z 向（平面外）和扭转振型计算结果相近，而X 向（平面内）振型自振频率A 方案（3.41Hz）大于B方案（2.37Hz）。初步看来，两种梁柱连接形式主要影响构架X 向（平面内）整体刚度，而对Z 向（平面外）刚度影响不大。

表1 两种连接形式前三阶振型及方向对比

3 内力对比

分别选取两种模型构架梁、柱弦杆在基本工况下各节间最大内力进行对比，计算结果见表2，可以看到，对于构架柱节间内力，A 方案（梁柱铰接）是B 方案（梁柱刚接）的1.16～1.38 倍；而对于构架梁节间内力，B 方案是A方案的 1.32～1.55 倍。

表2 两种连接方案基本组合梁柱节间最大内力对比

值得一提的是，模型计算结果与简化的平面钢架定性分析结果基本一致：对A 方案，构架梁内力曲线呈现典型的简支梁特征，即跨中内力较大，而梁端内力较小；对B 方案，构架梁内力曲线呈现典型的两端刚接的双跨连续梁受力特征，梁端内力较大，而跨中内力较小。

图1 A 梁柱铰接第 1 阶振型（X 向，平面内）

图2 B 梁柱刚接第 1 阶振型（Z 向，平面外）

表3 两种连接方案梁柱标准组合最大位移对比

表4 两种连接方案经济性对比

4 位移对比

分别选取两种模型构架梁、柱在标准工况下各节点最大位移进行对比，计算结果见表3，从计算结果可知，Z向（平面外）节点位移计算结果相差不大，而X 向（平面内）节点位移相差较大。对于柱顶位移，A 方案（梁柱铰接）是B 方案（梁柱刚接）的 2.62 倍；对于梁底位移，A 方案是B 方案的1.91 倍。

从位移计算结果可以看出，两种梁柱连接节点方案主要影响构架X 向刚度（平面内），这是由于B 方案（梁柱刚接）能够传递梁端弯矩，提高了构架X 向整体抗侧刚度。

5 扭转角对比

由于导线挂点位于构架梁下弦节点，导线拉力对构架梁形心存在扭转力矩，为便于研究两种不同模型构架梁在受力情况下的扭转情况，在STAAD 计算模型结果上，引入扭转角θ 的概念，构架梁每个截面上的扭转角可以用以下公式计算：

θ=arctan|（Δ2x-Δ1x）/（h+Δ1y-Δ2y）|

其中Δ1x、Δ1y分别表示梁截面出线侧下弦节点水平位移、竖向位移；Δ2x、Δ2y分别表示梁截面出线侧上弦节点水平位移、竖向位移；h 表示梁截面高度。经计算，B 方案（梁柱刚接）梁截面平均扭转角0.017rad、最大扭转角0.045rad；A 方案（梁柱铰接）梁截面平均扭转角0.035rad、最大扭转角0.071rad，分别是B 方案的2.06倍、1.58 倍。对比可发现，虽然两种模型扭转角数值都相对比较小，但梁柱刚接模型的梁截面抗扭性能明显更优。

6 经济性对比

以上计算分析均在同等条件（相同截面、相同荷载）下利用两种梁柱连接方式模型计算结果进行对比，为了便于进行经济性比较，基于以上计算结果，按计算内力选择合适截面，各截面应力比均按80%左右控制，统计两种连接方案经济性对比见表4。从表4 可以看出，A 方案构架柱用钢量较大，B 方案构架梁用钢量较大，由于构架柱数量多于构架梁，总体上看两方案经济性相差不大，而B方案经济性更好。