陳培煌， 柳兆濤， 臧正義

(1. 合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2. 中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)安徽省電力設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230013)

目前我國(guó)高壓、超高壓、特高壓輸電技術(shù)得到了大力發(fā)展，因此也極大地促進(jìn)了變電站構(gòu)架設(shè)計(jì)的發(fā)展和進(jìn)步。然而目前土地資源愈發(fā)稀缺，土地征用成本節(jié)節(jié)攀升，土地資源地理位置的限制等土地空間使用問題日益嚴(yán)峻，結(jié)構(gòu)緊湊型變電站構(gòu)架設(shè)計(jì)已成為業(yè)內(nèi)著重研究的重要課題。以型鋼管結(jié)構(gòu)為主的電力構(gòu)架綜合力學(xué)性能優(yōu)秀，因此成為新型變電站構(gòu)架設(shè)計(jì)采用的主要結(jié)構(gòu)形式?！癤”型鋼管插板節(jié)點(diǎn)是該新型變電站構(gòu)架的重要組成構(gòu)件，其力學(xué)性能對(duì)變電站構(gòu)架結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能起著關(guān)鍵作用。

1 交叉節(jié)點(diǎn)

1.1 交叉節(jié)點(diǎn)的形成

變電站110kV-220kV GIS構(gòu)架端撐部位通過交叉連接，土地使用節(jié)約達(dá)5%左右。構(gòu)架高度19.5m，縱向長(zhǎng)度80m，橫向?qū)挾?m，本文所研究的“X”型交叉節(jié)點(diǎn)位于距地面高為3.5 m處，節(jié)點(diǎn)具體結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

節(jié)點(diǎn)中的主管、副管、節(jié)點(diǎn)板、各插板鋼材均為Q345B，其本構(gòu)模型為采用具有一定強(qiáng)化剛度的雙折線模型，如圖2所示，彈性階段的彈性模量E取為206GPa，塑性階段的彈性模量E1取E的2%為6.18GPa，以便有限元分析結(jié)果的收斂，泊松比為0.3，并取屈服強(qiáng)度為345MPa，極限強(qiáng)度為540MPa。

圖3 鋼材本構(gòu)模型

1.2 節(jié)點(diǎn)邊界條件

節(jié)點(diǎn)在實(shí)際使用過程中下部固定，并主要有以下2種荷載工況，分別為大風(fēng)工況1： N1為壓、N2為拉；大風(fēng)工況2：N1為拉、N2為壓工況，2種工況下各管件的設(shè)計(jì)荷載值如表1和表2所列，固定端如圖1所示。在有限元分析中，各管件荷載最大值加載至1.5倍各工況設(shè)計(jì)荷載。

2 節(jié)點(diǎn)有限元分析

2.1 節(jié)點(diǎn)有限元模型

表1 大風(fēng)工況1節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)荷載

表2 大風(fēng)工況2節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)荷載

由于此端撐交叉節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，模型尺寸比較大，為保證關(guān)鍵部位計(jì)算的準(zhǔn)確性，采用實(shí)體單元Solid186模擬，共劃分了19970個(gè)單元，如圖4所示。由于節(jié)點(diǎn)所使用的材料延伸率較大，塑性性能優(yōu)越，判定材料性能采用Von-Mises屈服準(zhǔn)則[8]。

2.2 節(jié)點(diǎn)應(yīng)力有限元分析結(jié)果

(1) 大風(fēng)工況1:N1為壓力、N2為拉力有限元分析結(jié)果。圖5為端撐交叉節(jié)點(diǎn)在1.5倍大風(fēng)工況1設(shè)計(jì)荷載作用下，有限元分析得到節(jié)點(diǎn)整體和局部的Von-Mises應(yīng)力云圖。所得到的最大應(yīng)力值為116.08MPa，出現(xiàn)在加強(qiáng)板與主管連接處且處于材料線彈性范圍內(nèi)；貫穿板與主管連局部連接處局部應(yīng)力約為70MPa，其余部位應(yīng)力分布均勻且均在50MPa以下；螺栓孔處應(yīng)力水平較大，也均在90MPa以下；節(jié)點(diǎn)整體應(yīng)力變化均勻，主管、副管、貫穿板、插板和連接板的應(yīng)力水平均較低，均在50MPa以下。由此可知，該端撐交叉節(jié)點(diǎn)在1.5倍大風(fēng)工況1設(shè)計(jì)荷載下的應(yīng)力水平較低，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)能夠滿足強(qiáng)度要求。

圖4 節(jié)點(diǎn)有限元模型

圖6為端撐交叉節(jié)點(diǎn)在1.5倍大風(fēng)工況1設(shè)計(jì)荷載作用下，有限元分析得到節(jié)點(diǎn)整體的位移云圖，所得到的最大位移值為1.3217mm，出現(xiàn)于上部副管頂部；主管、插板、連接板等處位移上部區(qū)域比下部區(qū)域略大，且都小于1mm；由此可知，該端撐交叉節(jié)點(diǎn)在大風(fēng)工況1下的變形較小，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)能夠滿足剛度要求。

圖5 大風(fēng)工況1節(jié)點(diǎn)在1.5倍設(shè)計(jì)荷載下應(yīng)力云圖

圖6大風(fēng)工況1節(jié)點(diǎn)在1.5倍設(shè)計(jì)荷載下位移云圖

(2) 大風(fēng)工況2:N1為拉力、N2為壓力有限元分析結(jié)果。圖7為端撐交叉節(jié)點(diǎn)在1.5倍大風(fēng)工況2設(shè)計(jì)荷載作用下，有限元分析得到節(jié)點(diǎn)整體和局部的Von-Mises應(yīng)力云圖。所得到的最大應(yīng)力值為113.8MPa，出現(xiàn)在加強(qiáng)版與主管連接處且處于材料線彈性范圍內(nèi)；貫穿板與主管連接處局部應(yīng)力約為65MPa，其余部位應(yīng)力分布均勻且均在50MPa以下；螺栓孔處應(yīng)力水平較大，也均在90MPa以下；節(jié)點(diǎn)整體應(yīng)力變化均勻，主管、副管、貫穿板、插板和連接板的應(yīng)力水平均較低，均在60MPa以下。由此可知，該端撐交叉節(jié)點(diǎn)在1.5倍大風(fēng)工況2設(shè)計(jì)荷載下的應(yīng)力水平較低，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)能夠滿足強(qiáng)度要求。

圖7 大風(fēng)工況2節(jié)點(diǎn)在1.5倍設(shè)計(jì)荷載下應(yīng)力云圖

圖8為端撐交叉節(jié)點(diǎn)在1.5倍大風(fēng)工況2設(shè)計(jì)荷載作用下，有限元分析得到節(jié)點(diǎn)整體的位移云圖，

圖8 大風(fēng)工況2節(jié)點(diǎn)在1.5倍設(shè)計(jì)荷載下位移云圖

所得到的最大位移值為1.3208mm，出現(xiàn)于上部副管頂部；主管、插板、連接板等處位移上部區(qū)域比下部區(qū)域略大，且都小于1mm；由此可知，該端撐交叉節(jié)點(diǎn)在大風(fēng)工況2下的變形較小，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)能夠滿足剛度要求。

3 節(jié)點(diǎn)極限承載力

本文采用了對(duì)結(jié)構(gòu)施加一階屈曲模態(tài)10%的方法，在對(duì)節(jié)點(diǎn)采用彈塑性分析法時(shí)，得出整體節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線，荷載-位移曲線的極值點(diǎn)中的荷載即為極限承載力。在2種工況下，節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線如圖9所示。

由圖9(a)可知，對(duì)于大風(fēng)工況1節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線有明顯的極值點(diǎn)。在10.83倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)，荷載-位移曲線達(dá)到極值點(diǎn)，此時(shí)荷載即為其極限承載力。此時(shí)的破壞模式為上部副管頂部偏向右側(cè)位移發(fā)生突變，導(dǎo)致主管相貫處在平面內(nèi)方向發(fā)生褶皺，屈曲失穩(wěn)，承載力大幅下降，如圖10(a)所示。

對(duì)于大風(fēng)工況2，節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線也有明顯的極值點(diǎn)。在11.09倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)，荷載-位移曲線達(dá)到極值點(diǎn)，此時(shí)荷載即為其極限承載力。此工況下的破壞模式為是主管頂部偏向左側(cè)位移發(fā)生突變，導(dǎo)致主管相貫處在平面外方向發(fā)生褶皺，屈曲失穩(wěn)，承載能力大幅下降，如圖10(b)所示。

圖9 各工況荷載-位移曲線

圖10 各工況極限承載力下節(jié)點(diǎn)破壞形式

4 結(jié)論

通過有限元軟件workbench分析可知，節(jié)點(diǎn)在1.5倍大風(fēng)工況1和大風(fēng)工況2兩種控制工況設(shè)計(jì)荷載下，節(jié)點(diǎn)各區(qū)域應(yīng)力未超出Q345材料的屈服強(qiáng)度，且未出現(xiàn)較大變形。

通過對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行非線性有限元分析，分別得出節(jié)點(diǎn)在大風(fēng)工況1和大風(fēng)工況2下的極限荷載，分別為設(shè)計(jì)荷載的10.83倍和11.09倍，且得出節(jié)點(diǎn)在兩種工況下的破壞模式。

由分析結(jié)果可知該節(jié)點(diǎn)在2種工況設(shè)計(jì)荷載下有足夠的安全儲(chǔ)備，此端撐交叉節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)合理、安全可靠。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1] Makino Y, Kurobane Y, Ochi K, et al. Database of test and numerical analysis results for unstiffened tubular joints [R]. IIW Doc. XV-E-96―220. Villepinte, France: International Institute of Welding, 1996.

[2] 邢海軍, 李茂華, 趙冠遠(yuǎn). 鋼管塔交叉節(jié)點(diǎn)采用十字型插板的X型斜材計(jì)算[C] .全國(guó)鋼結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集, 2010.

[3] 陳譽(yù),黃勇,馮然. X形圓管斜插板節(jié)點(diǎn)軸壓性能試驗(yàn)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2015, (3): 90-97.

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