750kV钢管格构式变电构架主、腹材连接节点受力分析及设计优化

建筑与结构设计ｌ　Ａ　ｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｌ　７５０ｋＶ钢管格构式变电构架主、腹材连接节点受力分析及　设计优化　ＪｏｉｎｔＡｎａｌｙｓｉｓＡｎｄＤｅｓｉｇｎＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ７５０ｋＶＳｔｅｅｌＧａｎｔｒｙ　崔洪波，王洪涛　（国核电力规划设计研究院，北京１　０００９５）　ＣＵＩ　Ｈｏｎｇ－ｂｏ，ＷＡＮＧ　Ｈｏｎｇ－ｔａｏ　（ＳｔａｔｅＮｕｃｌｅａｒＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＰｌａｎｎｉｎｇＤｅｓｉｇｎ＆ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００９５，Ｃｈｉｎａ）　【摘要】工程中７５０ｋＶ构架主材与腹材连接节点承载力经常出现弱于杆件承载力的情况，节点型式也不能有效降低应力集中的程　度。论文以具有代表性的Ｋ型节点为例，通过对比计算、有限元分析，明确在７５０ｋＶ构架设计中以杆件承载能力作为节点的计算依　据是切实可行的，并对节点型式进行探讨，给出了节点设计方案。　【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｊｏｉｎｔｐｏｉｎｔｂｅａｒｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙｏｆｔｈｅｍａｉｎｐｏｌｅ　ａｎｄｗｅｂｍｅｍｂｅｒｉｓｗｅａｋｅｒｔｈａｎｍｅｍｂｅｒｂａｒｏｔｔｅｎａｐｐｅａｒｓｉｎｔｈｅｐａｓｔ　７５０ｋＶ　ｓｔｅｅｌ　ｇａｎｔｒｙ，ｔｈｉｓｔｙｐｅｏｆｎｏｄｅｃａｎ＇ｔｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｒｅｄｕｃｅｔｈｅｓｔｒｅｓｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｊｏｉｎｔｔｙｐｅ　ａｓｔｈｅｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅｅｘａｍｐｌｅ，ｂｙｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔａｎｄｍｏｄｅｌｏｆｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ，ｃｏｎｆｉｒｍｔｈａｔｂｅａｔｉｎｇｃａｐａｃｉｔ￣　ｏｆｍｅｍｂｅｒｂａｒａｓｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｂａｓｉｓｏｆａｎｏｄｅｉｓｆｅａｓｉｂｌｅ　ｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆ７５０ｋＶｓｔｅｅｌｇａｎｔｒｙ，ａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｎｏｄｅｔｙｐｅｓ，ｏｐｔｉｍｉｚｅｄｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｄｅｓｉｇｎ．　【关键词】钢管格构式构架；节点；优化；有限元　【Ｋｅｙｗｏｒｄｓ】ｓｔｅｅｌｐｉｐｅｌａｔｔｉｃｅｔｒｕｓｓ；ｎｏｄｅ；ｏｐｔｉｉｚｍｅ；ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ　【中图分类号］ＴＵ３９２．３；ＴＵ９７３．２＋５７　［ＤＯＩ］Ｏ．１３６１６／ｊ．ｃｎｋｉ．ｇｃｊｓｙｓｊ．２０１４．０５．００４　【文献标志码】Ａ　【文章编号】１００７．９４６７（２０１４）０５．００３３．０４　１　概述　随着越来越多的７５０ｋＶ变电站投运，７５０ｋＶ及以上电压　主材连接节点，多为法兰连接（见图１）；第二类为梁、柱本身的　主材与腹材连接节点，以Ｋ型节点最具代表性，这些节点的承　载力直接决定梁、柱作为一个整体构件的承载能力（见图２）；　等级变电构架越来越受关注。７５０ｋＶ配电装置区构架作为站　第三类为梁、柱连接的节点，这些节点构件交汇较多，构造也　内最主要的构筑物，其本身的安全问题将直接影响到变电站　运行的可靠性。从结构专业的角度来考虑，７５０ｋＶ构架的安全　问题又集中反映在其节点的安全性上。因此，研究节点的受力　特点是解决７５０ｋＶ构架安全问题最基本也是最有效的手段。　最为复杂（见图３）。　ａ正面　ｂ侧面　图２第二类节点（Ｋ型节点）　上述三类节点中，第二类节点所占比例最大，在以往工程　图１第一类节点　钢管格构式７５０ｋＶ构架的节点主要有三类【ｌＪ：第一类为　【作者简介】崔洪波（１９７５一），男，山东营南人，工程师，从事超、特　高压变电站设计与研究，（电子信箱）ｃｈｂｂｅｉｊｉｎｇ＠ｌ２６．ｃｏｒｎ。　中受到的关注也较少，其受力特点的分析较多地停留在按规　范公式计算的层面，应力分布及最优型式尚不完全明确。因　此，本文将第二类节点中Ｋ型节点作为研究对象，通过有限元　３３　Ｉ工程建设与设计　ｌ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ＆ＤｅｓｉｇｎＦｏｒ件　ｅｃ‘　分析来明确整个节点应力分布特点，并给出控制应力分布的　最佳构造措施。　一　１　…广Ｔ弋　度　』一　ｒ　一　ｂ侧面　ａ正面　图３第三类节点　２计算方法探讨　以往的工程，第二类节点的计算一般按规范计算以下内　容口一。　１）腹杆按实际受力选择截面　强度计算：ｔｒ＝Ｎ／Ａ　＜－ｆ　（１）　稳定计算：　＝Ｎ／　－＜－ｆ　（２）　式中，｜７、『为轴心拉力和轴心压力，Ｎ；Ａ　为净截面面积，ｍｍ￣；ｆ　为钢材的强度设计值，Ｎ／ｍｍ２；　为轴心受压构件稳定系数；Ａ　为构件毛截面面积，１￥１１￥１２。　２）确定在杆件力作用下需要的螺栓等级、直径及数量　螺栓抗剪承载力：　（３）　式中，　为每个螺栓的受剪面数目，个；ｄ为螺栓杆亘径，ｍｉｌｌ　为螺栓的抗剪强度设计值，Ｎ／ｍｍ　。　３）节点板的抗拉压强度及孔壁承压承载力计算　节点板强度：　＝Ｎ／Ａ　＜－ｆ　（４）　孔壁承压承载力：　＝鲁≤厂　口　（５）　式中，ｄ０为螺栓孔直径，ｍｍ；ｔ为节点板厚度，ｍｌｎ。　４）节点板与主材之间的焊缝长度及焊脚尺寸计算　正面角焊缝：　≤　（６）　侦师角焊缝：ｔ，　≤　（７）　式中，ｈ　为角焊缝的有效长度，ａｒｍ；／．为角焊缝的计算长度，　ｍｍ；　为正面角焊缝的强度设计值增大系数　为角焊缝的　强度设计值Ｎ／ａｒｍ　。　焊缝承载力综合判断：、／（　）　＋　，２　（８）　４　式中，　，为焊缝正应力，Ｎ／ｎｎｎ２；ｆ，为焊缝剪应力，Ｎ／ｍｉｌｌ２。　５）节点板自身稳定承载力计算　节点板自身稳定承载力：　ｔ　≤ｚ　ｆ　ｂｉ　ｔ＝ｌ　式中，ｔ为节点板厚度，ｍｍ；　为受压斜腹杆的轴向力，Ｎ；　为　各分区曲折线长度，ｍｍ；ｔｐ　为各受压区板件的轴心受压稳定　系数；６　为各折线段在有效宽度线上的投影长度，ｒｎｌＴｌ。　节点板失稳的问题在很多工程中并未受到足够的重视，　在很多情况下是控制端板的尺寸。由于板失稳的问题比较复　杂，通常做法是将节点板失稳按照《钢结构设计规范》　（ＧＢ５００１７－－２００３）附录Ｆ分三个区域分别计算，此公式本质　上仍是以杆件失稳来考虑节点板的失稳问题。　以往的７５０ｋＶ构架设计，腹杆根据整体结构计算结果选　择截面，保留一定的安全裕度；节点计算按本文第２部分所述　方法以腹杆实际受力大小作为计算依据，同时也保留一定的　裕度。这一方法在理论上不存在问题，计算结果能够满足承载　力要求。其缺点在于杆件和节点分开来考虑，尤其是出现杆件　归并时，节点承载力经常会出现较杆件弱的情况，不符合钢结　构“强节点”的理念，也与我们计算模型的破坏型式不符，不是　最优计算方法。　鉴于上述第二类节点承载力可能弱于杆件承载力的情　况，本文建议在计算７５０ｋＶ构架节点时，以杆件承载能力作为　节点的计算依据，使节点的承载力超出杆件承载力，从而保证　结构的破坏不出现在节点，与构架的整体计算模型能够较好　地吻合。　为说明在７５０ｋＶ构架设计中“以杆件承载能力作为节点　计算依据”方法的可行性，以某变电站７５０ｋＶ构架实际Ｋ型　节点为例，分别按实际内力和杆件承载能力为依据，对比两种　方法计算出的节点的具体区别。　节点型式及各杆件规格如图４所示。　根据计算模型，各杆件受力分别为：主材①号杆主要承受　压力，大小为９００ｋＮ；斜腹材②号杆受压力２５０ｋＮ，斜腹材③　号杆受压力１３０ｋＮ，两根斜腹材取相同规格钢管；水平腹材④　号杆受拉力２０ｋＮ。按实际受力计算时，以斜腹材②号杆所受　压力作为计算依据。此方案记为方案一。　堡堡　堕塑塑　ｌ　ＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌａｎｄＳｔｒｔｗｔｕｒａｌ　ｌ　／　＼＼　看　蓦　／／　①　５　［　卜１　、、＼　ｃ全铰接连接　图４不同杆件边界条件的桁架内力比较（单位：ｋＮ）　表１不同杆件边界条件的桁架内力比较　内伸至④轴，并在④轴（见图３）上设置转换桁架（见图５）以　确保悬挑桁架的荷载可以沿最短路径传递至基础。同时工程　整个建筑体型较小，抗倾覆能力较弱。设计时进行了悬挑桁　通过图３及表ｌ对比可得，弦杆连续，腹杆与弦杆铰接连　架施工阶段的抗倾覆验算，图纸中明确了悬挑桁架支撑的拆　接与全刚接连接两种情况各杆件的内力差异在５％以内，这表　除条件。　明腹杆杆端边界条件对桁架受力的影响基本可以忽略；全铰　５结论　接模型与全刚接模型部分杆件（杆件①、⑤、⑥）内力相差较　大跨度混凝土悬挑桁架的合理运用能够有效解决特定条　大，引起差异的原因是这些杆件受杆端弯矩影响较大，这表明　图５转换桁架　尽管方案阶段可以按理想桁架来简单计算桁架内力并估算桁　件下的工程难题，缩短工期，降低工程造价。混凝土桁架设计　架各杆件截面，但在施工图阶段，还是有必要按桁架各杆件实　时应注意设定正确的计算参数。桁架杆件边界条件对桁架内　际边界条件对杆件进行复核。　力具有一定影响，尽管方案阶段可以按理想桁架来简单计算　３．４变形分析　桁架内力并估算桁架杆件截面，但在施工图阶段还是有必要　上述计算分析均基于弹ｌ生模型，但混凝土在正常使用状　按桁架各杆件实际边界条件对杆件进行复核，应考虑混凝土　态下为带裂缝工作，混凝土开裂后抗拉刚度退化（降低），这将　开裂对桁架受力和变形的影响，注意对悬挑桁架进行施工阶　使钢筋混凝土桁架的挠度增大。本工程设计时将桁架拉杆的　段的抗倾覆验算。（黪　抗拉刚度乘以折减系数０．３ｍ考虑混凝土开裂的影响。同时，　【参考文献】　设计时对拉杆进行裂缝宽度验算，严格控制拉杆的裂缝宽度　【１】赖洪涛，江毅．谈某工程的混凝土大悬挑结构设计【Ｊ］．四川建材，　不大于０．２０ｍｍ。　２００７，３３（５）：２０４．２０６．　４其他　【２】陈岱林．多层及高层结构ｃＡＤ软件高级应用　．北京：中国建筑　工业出版社，２００４．　本工程混凝土悬挑桁架悬挑长度较大，设计时增大了桁　【收稿日期１２０１４—０３．１０　架根部框架柱的截面以增大其抗倾覆能力，同时悬挑桁架向　（上接第３６页）　【４１（钢结构设计手册》编辑委员会．钢结构设计手册（第三版）【Ｋ］．北　【参考文献】　京：中国建筑工业出版社，２００９．　【１】中南电力设计院．变电构架计算手册［Ｋ】．武汉：湖北科学技术出版　【５】陈誉，赵宪忠，平面ＫＴ型圆钢管搭接节点有限元参数分析与承载　社，２００６．　力计算［Ｊ】．建筑结构学报，２０１１，３２（４）：１３４．１４１．　【２】ＧＢ５００１７－－２００３钢结构设计规范【ｓ］．　【６】胡晓光，杨靖波，李茂华，朱彬荣，高渊．钢管塔Ｋ节点的加劲肋布　【３】李星荣，魏才昂，丁峙岷．钢结构连接节点设计手册（第二版）［１（】．北　置和极限承载力研究［Ｊ］．科技导报，２０１１，２９（２６）：５０．５６．　京：中国建筑工业出版社，２００９．　【收稿日期］２０１３．１１．０６　３９