某变电站工程翼缘加宽型钢框架结构受力性能数值模拟研究

王世斌，吕晓健 ，姚治，赵守信，冯玉龙，曾志豪 ，于飞

(1.国网安徽省电力有限公司滁州供电公司，安徽 滁州 239004；2.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

0 前言

传统变电站建设由于其施工周期长、工序复杂、受环境影响较大，难以满足我国城市建设及电网快速发展的要求和现代化工程建设的理念[1]。钢结构体系具有强度高、跨度大、施工工期短、抗震性能好等优势，较多的变电站采用钢结构形式[2]。变电站钢框架结构的梁柱节点较为常用的是腹板螺栓连接、翼缘焊接的连接形式[3]。近年来，为提高施工效率和质量，设计人员开始研究全螺栓连接形式。在全螺栓连接节点中，上部翼缘通过其上方的连接板与钢梁实现螺栓连接，楼板的钢板底模在连接板凸起位置现场切割，然后浇筑混凝土，以实现楼板与钢梁的紧密贴合。但是通过现场应用发现，将钢板底模切割后，导致浇筑混凝土时，在切割部位出现漏浆，既影响美观，又影响浇筑质量。

为解决变电站钢结构建筑采用全螺栓连接时的漏浆问题，设计人员提出了钢梁翼缘加宽型节点的改进措施。但改进节点解决漏浆问题的前提是要保证结构的安全。因此，明确翼缘加宽型钢框架节点及其结构的力学性能和在地震作用下的弹塑性性能是重要的。同时，钢梁翼缘加宽型节点对钢梁性能的影响程度也应满足“强柱弱梁”的设计目标，以防结构发生脆性破坏[4-5]。通过钢梁翼缘加宽型结构参数化分析，明确翼缘加宽型框架结构受力性能的主要影响因素，可以优化梁柱翼缘加宽型节点及其框架的设计，达到安全经济的设计原则。

基于此，本文通过对翼缘加宽型钢框架进行数值研究，进行了设计荷载校核、弹塑性推覆分析、普通框架对比分析，梁材料及连接板宽度的参数化分析，分析结果可为背景工程及其以后类似工程设计与施工提供参考。

1 工程概况

本文背景工程为安徽蚌埠香涧500kV输变电工程，其位于安徽省蚌埠市淮上区、龙子湖区、五河县、淮北市烈山区境内。该工程的继电器室采用单层钢框架结构，长16.8m，宽7m，长度和宽度方向分别设置4榀横向框架和2榀纵向框架，共有8根框架柱，截面型号为HW300×300×10×15(mm)，共 10 根框架主梁，截面型号为HN400×200×8×13(mm)，柱和梁的材料牌号均为Q355B，梁柱平面布置图如图1所示。针对项目全螺栓连接形式，在柱端钢梁拼接处的梁翼缘两边各加宽60mm，优化节点连接并解决漏浆问题，楼承板遇钢梁翼缘拼接板处节点如图2所示。

图1 梁柱平面布置图（单位：mm）

图2 楼承板遇钢梁翼缘拼接板处节点图

2 框架有限元建模

选取轴钢梁翼缘加宽型横向框架作为结构分析模型，并对其进行数值分析。该模型取柱高4900mm，梁长6700 mm，翼缘加宽部分翼缘宽度为320mm，翼缘连接板为一块尺寸为610×200×10 和两块尺寸为 610×80×12的Q235B钢板构成，上下翼缘均用16个10.9级M20摩擦型高强螺栓连接；腹板连接板为两块尺寸为330×310×8的Q235B钢板，使用16个10.9级M20摩擦型高强螺栓连接。选取的一榀横向框架ABAQUS有限元模型组装示意如图3所示。

图3 轴横向框架有限元模型组装示意图

在数值模型中，所有钢板单元采用C3D8R实体单元进行模拟，螺栓采用C3D8I实体单元模拟。材料本构模型选用双折线模型，其屈服后模量为初始弹性模量的0.01倍。所有接触位置均采用通用接触。通用接触属性中，采用“硬”接触模拟接触面法向接触，并允许接触后分离，切向设置摩擦属性，摩擦系数为0.4。对于实际上使用焊接的部分，如梁段与柱的连接，柱与加劲肋的连接，在模型中采用“tie”绑定进行模拟。对边界条件进行简化，设置柱底为完全固结。在网格划分时，对于连接板、螺栓及其连接部位进行网格细化处理[6]。部分部件网格划分如图4所示。

图4 部件网格划分图

3 设计校核与推覆分析

3.1 设计荷载下计算结果

根据背景工程设计条件，针对小震与竖向荷载共同作用下的工况，在框架上施加了如下设计荷载：柱顶水平集中力为16.632kN，梁上集中力(次梁传力)为 3×32.093kN，梁上线荷载为0.643kN/m，柱顶集中力为 2×21.733kN。

如图5所示，在设计荷载作用下整跨梁Mises应力在梁端部和梁中间段较大，梁中间段Mises应力在118.4MPa～236.7MPa，其值小于钢材强度设计值。需要注意的是，本文所有Mises应力云图的单位均是MPa，位移云图的单位均是mm。

图5 设计荷载作用下梁柱Mises应力云图

图6（a）为框架梁上翼缘的中部应力随着框架梁长方向（Z方向）路径变化图，由图可知，框架梁上翼缘Z方向Mis⁃es应力在5.6MPa～186.1MPa，其值小于钢材强度设计值。6（b）和（c）分别为框架梁根部截面和变截面处的上翼缘应力随着翼缘宽度方向（X方向）和腹板应力随着腹板高度方向（Y方向）路径变化图，如图6（b）所示，梁根部截面上翼缘X方向Mises应力在36.0MPa～75.1MPa；梁变截面上翼缘X方向Mis⁃es应力在38.7MPa～69.7MPa；如图6（c）所示梁端腹板Y方向Mises应力在27.5MPa～336.6MPa；梁变截面腹板Y方向Mises应力在34.1MPa～64.6MPa。由上可知，框架梁单元应力基本小于梁钢材强度设计值，这表明项目翼缘加宽型钢框架结构框架梁在小震和竖向荷载共同作用下基本保持弹性状态，满足规范小震弹性的抗震设计要求。

图6 设计荷载作用下结构构件应力路径图

如图5所示，柱上端节点域应力较大，节点域应力在137.3MPa～176.4MPa。图6（d）为柱翼缘和柱腹板的中部Mises应力沿框架柱长度方向（Y方向）路径变化图，如图所示框架柱翼缘Y方向Mises应力在2.0MPa～77.2MPa；框架柱腹板Y方向Mises应力在20.6MPa～142.8MPa。由图上可知，框架柱单元应力基本小于柱钢材强度设计值，这表明项目翼缘加宽型钢框架结构框架柱在小震和竖向荷载共同作用下基本保持弹性状态，满足规范小震弹性的抗震设计要求。

图6（e）和（f）分别是框架梁上翼缘连接板的中部Mises应力沿板宽度方向（X方向）和长度方向（Z方向）的路径图；如图6（e）所示梁上翼缘连接板X方向Mises应力在40.4MPa～93.3MPa；如图6（f）所示梁上翼缘连接板Z方向Mises应力在13.9MPa～64.3MPa。可知，连接板单元应力基本小于连接板钢材强度设计值，这表明项目翼缘加宽型钢框架结构的连接在小震和竖向荷载共同作用下基本保持弹性状态，满足规范小震弹性的抗震设计要求。

如图7所示，在设计荷载作用下，框架柱左柱柱顶水平位移约为4mm，位移角为1/1255，框架处于弹性阶段，满足规范框架结构小震位移角限值要求（1/200）。

图7 设计荷载作用下框架平面内位

综上，项目翼缘加宽型钢框架结构满足规范小震弹性的抗震设计要求。

3.2 推覆分析结果

3.2.1 2%位移角推覆结果

对框架柱端施加98mm位移（层间位移角为2%）后，得到结构应力、位移及反力模拟结果。由图8可知，应力比较大的区域是柱底和梁柱节点域。由图9可知，梁的应力出现两边大中间小的趋势，加载过程中，梁上下翼缘应力由梁端向梁跨中扩散，梁腹板应力由腹板翼缘相交处向腹板中部扩散。由于梁端受柱约束作用，应力由梁柱相交处向外扩散，梁端的应力最大，梁端下部翼缘和腹板交接处钢材首先出现屈服，随后是梁端上部翼缘和腹板交接处屈服，随着柱端加载位移的增大，梁端下部的钢材屈服主要集中在下翼缘和腹板的交接处，而梁端上部的屈服主要集中在上翼缘与柱交接处。由图10可知，变截面处应力相较于梁跨中要大，梁翼缘的应力在147.9MPa～236.7MPa，在变截面的翼缘角部出现了应力集中，应力大小在295.8MPa～325.4MPa。柱在加载过程中，应力由柱端向柱中部扩散，扩散的趋势与梁相同。由图11可知，柱端位移达到98mm时，柱子钢材屈服位置在柱上端节点域腹板处以及柱下端翼缘及翼缘和腹板相交处。

图8 一榀框架Mises应力云图

图9 梁Mises应力云图

图10 变截面处Mises应力云图

图11 柱Mises应力云图

3.2.2 4%层间位移角及6%层间位移角推覆结果

由图12所示位移荷载98mm对应反力为371.439kN，位移荷载196mm对应反力为394.661kN，而加载至294mm对应的反力为386.356kN，小于加载196mm时的反力，说明框架的强度在加载后期略有下降。从图12中可以看出，在层间位移角1%下，钢框架的反力位移曲线近似一条斜直线，水平位移施加至196mm（层间位移角为4%）时，力位移曲线上升变缓，当水平位移继续增大直至217mm（层间位移角为4.4%）时，力位移曲线出现下降段，增加至294mm（层间位移角为6%）时，钢材下降段不明显，这些结果表明翼缘加宽型钢框架结构具有很好的弹塑性性能。由图13和图14可知，翼缘加宽型钢框架在加载中，框架梁比柱先屈服，基本满足强柱弱梁的破坏模式。

图12 柱底总剪力-柱顶位移曲线

图13 4%位移角下框架Mises应力云图

图14 6%位移角下框架Mises应力云图

4 对比分析

4.1 对比模型

为探究翼缘加宽型框架和普通框架的力学性能差异，建立普通节点的一榀钢框架模型，普通框架模型钢梁全跨不做翼缘加宽处理，其余参数与翼缘加宽型框架一致，对比两种框架在2%位移角下的力学性能差异。普通框架与翼缘加宽型框架对比模型如图15所示。

图15 普通框架与翼缘加宽型框架对比模型图

4.2 分析结果

图16对比了普通框架和翼缘加宽型框架的梁端应力。普通框架的下翼缘与腹板交界处的屈服区域面积要小于翼缘加宽型框架，普通框架梁柱节点区域内上翼缘的应力大部分在266.6MPa～325.5MPa，而翼缘加宽型框架梁柱节点区域内上翼缘的应力大部分在148.1MPa～266.3MPa。由图17可知，在柱端位移施加到98mm时，普通框架和翼缘加宽型框架的反力随位移变化趋势基本一致，即在2%位移角下，节点形式的改变对一榀框架的刚度和强度基本没有影响。

图16 梁端Mises应力对比图

图17 不同钢梁节点形式柱底总剪力-柱顶位移曲线

5 参数化分析

5.1 参数化模型

为得到框架受力性能影响因素及其影响规律，对一榀钢框架进行参数化模型分析。为实现“强柱弱梁”的设计目标，参数1调整了梁材料，将梁的钢材定义为Q235B，柱子钢材仍为Q355B，观察一榀钢框架损伤模式；参数2在满足规范规定连接板的构造要求前提下，减小连接板的宽度，观察连接板的受力情况。

5.2 参数1分析结果

由图18可知，在柱端施加98mm位移荷载（2%层间位移角），钢梁在梁柱相交处的屈服区域相较于Q355B钢梁屈服区域要大，钢梁翼缘变截面处的钢材同样也屈服。由图19可知，在相同位移荷载作用下，改变钢梁的材料对框架结构弹性刚度影响不大；Q235B钢材梁和Q355B钢材梁随着加载位移的增大，反力均先上升后下降，但采用Q235B梁的钢框架反力下降早于采用Q355B梁的钢框架，且在加载位移200mm以后，采用Q235B梁的钢框架反力下降的程度明显大于采用Q355B梁钢框架。

图18 不同钢梁强度Mises应力云图

图19 不同钢梁强度柱底总剪力-柱顶位移曲线

5.3 参数2分析结果

由图20可知，同样在柱端施加98mm位移荷载（2%层间位移角），采用原尺寸200mm宽的外侧连接板最大应力为340.6MPa，而将宽度改为186mm的外侧连接板最大应力为333.8MPa，且连接板上屈服区域面积小于原宽度连接板的屈服区域面积。由图21可知，采用原尺寸80mm宽的内侧连接板最大应力为315.6MPa，而将宽度改为66mm的内侧连接板最大应力为324.8MPa，连接板上屈服区域面积同样小于原宽度连接板的屈服区域面积。

图20 外侧连接板Mises应力对比图

图21 内侧连接板Mises应力对比图

6 结论

本文以安徽蚌埠香涧变电站新建工程的500kV继电器室项目为背景工程，采用ABAQUS软件对一榀典型框架进行了数值模拟，主要研究结论包括以下几点：

①翼缘加宽型钢框架结构在设计荷载作用下，层间位移角较小，框架梁柱构件、梁柱节点及其连接板件均基本处于弹性，这表明钢框架结构受力性能满足设计要求；

②翼缘加宽型钢框架结构在推覆过程中，框架梁根部率先屈服，随后节点剪切域和柱底部屈服，基本满足强柱弱梁的破坏模式；1%位移角内推覆力位移曲线基本呈线性，具有较好的弹性刚度，2%位移角时曲线明显折转，6%位移角下结构曲线下降段不明显，结构具有较好的变形能力；这些结果表明翼缘加宽型钢框架结构具有较好的弹塑性性能；

③翼缘加宽型钢框架结构和普通框架结构对比研究表明，两者破坏模式基本相同，翼缘加宽可以减小框架梁根部局部应力，两者的力位移曲线基本吻合，即结构的初始刚度和强度基本不变；这些结果表明翼缘适当加宽并不会明显改变结构的整体力学性能；

④梁材料由Q355改为Q235B，1%位移角以内力位移曲线基本吻合，6%位移角时曲线下降斜率大，这表明梁材料参数对结构弹性刚度影响较小，对结构塑性性能有一定影响；梁翼缘连接板的宽度由200mm改为186mm，结构整体性能与连接板应力相差不大，这表明适当减小连接板宽度并不会明显改变结构力学性能。