变电构架的节点设计

杨 杰，朱英伟，徐国忠

(金华电力设计院有限公司，浙江 金华 321000)

变电构架的节点设计

杨 杰，朱英伟，徐国忠

(金华电力设计院有限公司，浙江 金华 321000)

“钢管A字柱＋单钢管梁”是一种新型的变电构架的结构形式，部分节点易应力集中。本文分析了梁挂线板和梁柱连接节点的应力集中情况，同时给出了消除应力集中的解决方案，供工程设计人员参考。

变电构架；节点设计； A字柱；单钢管梁。

目前国内大量的变电站220kV/110kV电压等级构架多采用“钢管A字柱＋三角桁架梁”的结构形式，随着经济的发展，亦有少量工程开始采用“钢管A字柱＋单钢管梁”的结构形式，“钢管A字柱＋单钢管梁”的变电构架，虽然在相同条件下，钢材的用钢量较多，但现场安装的工程量较少，可以较大幅度的缩减工期，加快工程进度，所以这种变电构架的结构形式有他的优越性，在实际情况中的应用也越来越多。

变电构架是变电站内最主要的构筑物，作为新出现的变电构架的结构形式，构架设计的安全性显得尤为重要，而节点的合理设计是保证构架正常运行的重要部分。

1 构架内力计算

1.1 荷载条件

以某220kV变电站工程中某一榀220kV出线构架为分析比较研究对象。

220kV出线构架导线挂点高14.5 m，地线挂点高18.5 m，上部避雷针高44 m，横梁跨度13 m，单排构架，9跨组成一榀。220kV出线构架导、地线荷载见表1。

表1 220kV出线构架导、地线荷载

50 a一遇基本设计风速统一取为30 m/s。

地面粗糙度统一按B类考虑。

荷载按照《变电站建筑结构设计技术规程》(DL/T5457—2012)和《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)进行组合。

1.2 计算软件及方法

构架采用两种空间分析程序延拓变电构架设计软件和STAAD. Pro进行分析计算。对于A字柱、地线柱、单钢管梁、避雷针等，按空间杆系结构进行分析计算；对于三角桁架梁、矩形断面格构式梁柱等，按空间桁架结构进行分析计算。

2 节点应力分析

2.1 节点应力分析概述

对于“A字柱+三角形桁架梁”和“矩形断面角钢格构式梁、柱”的构架结构形式，杆件之间通过焊接或螺栓连接，构造简单，受力明确，不会出现应力集中现象，并且在工程实际中已经有较广泛的应用，各种节点的构造可以很好的满足实际的受力要求。但对于“A字柱+单钢管梁”的构架结构形式，梁柱连接处构造相对复杂，应力分布不规则，易出现应力集中现象，所以有必要对梁柱连接的构造进行实体模型的有限元分析，以提出合理的节点构造型式。同时，在单钢管梁的结构中，挂线板直接焊接在较大直径的钢管上，此种结构也可能导致单钢管梁的应力集中，也需要建立相应的实体模型，进行有限元分析。

2.2 梁挂线板应力分析

按照规范要求，110kV构架和220kV构架的导线张力一般控制20 kN以内(垂直于单钢管梁的水平张力)，同时考虑到一些具体的工程，由于现场实际条件的限制，张力会达到30 kN。综合上述要求，在单钢管梁挂线板应力分析中，导线张力荷载按照20 kN和30 kN两种工况考虑，导线的偏角按照规范的要求，统一按照5°考虑。

考虑到110kV构架和220kV构架不同的间隔宽度和受力条件，单钢管梁的直径和壁厚会有一定的差异，钢管直径对节点板处应力的影响较小，我们主要考虑钢管的壁厚，实际工程中，单钢管梁的壁厚一般不会小于8 mm，同时壁厚太厚的话，构架的用钢量就会上升，所以采用8 mm和10 mm两种壁厚进行有限元分析。

考虑到导线张力和钢管壁厚，分如下4种情况进行应力分析，见表2。

表2 4种情况进行应力分析

单钢管梁挂线板布置分竖向布置和水平布置。具体应力分布见图1、图2，分析见表3、表4。

图1 单钢管梁挂线板竖向布置应力云图

图2 单钢管梁挂线板水平布置应力云图

表3 单钢管梁挂线板竖向布置应力值

表4 单钢管梁挂线板水平布置应力值

从上述的应力云图和应力表格中可以看出，在导线张力达到30 kN时，无论钢管的壁厚是8 mm还是10 mm，挂线板和钢管接触处的上下两点的应力都超过了310 N/mm2的设计值，所以上述的挂线板设计过于简单，需对它进行改进。

从上述的应力云图中可知，挂线板的最大应力出现在挂线板和钢管接触处的端部两点，其他处的应力水平较低，只要降低这两点的应力，挂线板的节点设计就能满足要求，基于此种思路，在挂线板竖向布置的上下端部增加与挂线板垂直的加劲板，在挂线板水平布置的左右端部增加与挂线板垂直的加劲板，消除这两点的应力集中现象。分析见表5、表6，应力分布见图3、图4。

表5 单钢管梁挂线板竖向布置应力值(改进方案)

表6 单钢管梁挂线板水平布置应力值(改进方案)

从上述的应力云图和应力表格中可以看出，在挂线板竖向布置的上下端部增加与挂线板垂直的加劲板，在挂线板水平布置的左右端部增加与挂线板垂直的加劲板，在基本上不增加用钢量的情况下，将挂线板的应力大大降低，在最不利工况最大的应力为315 N/mm2，最大的利用率为102%，基本上能满足工程实际的需求。同时，挂线板竖向布置的方案的应力小于对应工况下挂线板水平布置的方案的应力，竖向布置最不利工况的最大的应力仅175 N/mm2，最大的利用率为56%，所以建议实际工程中采用改进方案的挂线板竖向布置的做法。

2.3 梁柱连接应力分析

“A字柱+单钢管梁”的方案中，梁柱连接处的受力比较复杂，梁柱连接节点的设计是保证构架正常运行的重要一环。结合220kV构架梁柱连接节点处的内力，采用ANSYS软件，建立有限元的实体模型，进行应力分析。

图3 单钢管梁挂线板竖向布置应力云图(改进方案)

图4 单钢管梁挂线板水平布置应力云图(改进方案)

2.3.1 构架平面内梁柱连接弹性应力分析

当顶部设置避雷针，大风工况，大风沿着构架方向作用时，构架的受力模型见图5。由于上部设置避雷针，上述红框处的梁柱节点所受的内力最大，为平面内最不利工况，梁柱节点的受力见图6。具体的实体有限元模型见图7，单钢管梁与A字柱和顶部的避雷针都采用相关焊接。为了涵盖实际工程的各种工况，本次的实体模型分如下四种工况，见表7。具体应力分布见图8，分析见表8。

图5 构架平面内最不利工况荷载布置及梁柱节点内力最大位置图

图6 节点受力图

图7 梁柱连接实体模型

图8 梁柱连接应力云图

表7 4种情况进行应力分析

表8 4种情况应力值

从上述的应力云图和应力表格中可以看出，梁柱连接的最大应力出现在梁钢管与避雷针钢管相关焊接处，此处的应力随着梁钢管的壁厚增加而减小，但随着壁厚的增加，增加壁厚对应力的减小的作用越来越小，当梁钢管的壁厚增大到16 mm时，最大的应力为380 N/mm2，所以单纯的增加钢管的壁厚不能很好的降低梁柱连接节点的应力，为此，考虑在梁钢管和避雷针钢管之间增加加劲板，以减小这部为的应力，优化后的实体模型如图9。增加加劲板后，具体的工况见表9。具体应力分布见图10，分析见表10。

图9 梁柱连接实体模型(改进方案)

图10 单钢管梁挂线板应力云图(改进方案)

表9 4种情况进行应力分析

表10 单钢管梁挂线板应力值(改进方案)

从上述的应力云图和应力表格中可以看出，当梁钢管和避雷针钢管之间增加加劲板后，随着梁钢管壁厚和加劲板壁厚的增加，梁柱连接节点的最大应力快速下降，当梁钢管壁厚和加劲板壁厚都增大到12 mm时，最大应力只有应力设计值的87%，已经满足规范要求。此种构造较单纯增大梁钢管壁厚的做法有较大的改进。

2.3.2 构架平面内梁柱连接弹塑性应力分析

为了进一步分析此节点的受力性能，分析材料进入塑性阶段后节点的应力变化，对节点进行弹塑性分析，弹塑性分析的钢材材料本构关系采用ANSYS中双线性随动强化模型(BKIN模型)，屈服强度为310 MPa，不考虑屈服后强化。对于工况4，将荷载逐渐增加到设计荷载的2倍后，7号加劲板和梁钢管的应力变化见图11～图16。

从上述的应力云图可知，在1.4倍设计荷载的情况下，7号加劲板恰好处于弹性阶段的满应力状态，随着荷载慢慢增大到2倍设计荷载时，加劲板屈服进入塑性变形阶段，并且进入塑性工作的面积越来越大，但荷载达到2倍设计荷载时，进入塑性工作的面积总体不大，对于梁钢管，当荷载增大到设计荷载的2倍时，钢管还未屈服，所以对于节点整体来说，考虑材料的塑性性能，当实际的荷载大于节点的设计荷载不多时，节点不会破坏，有一定的安全储备。

2.3.3 构架平面外梁柱连接应力分析

当顶部设置避雷针，大风工况，大风垂直构架方向作用时，构架的受力模型见图17。

由于上部设置避雷针，上述红框处的梁柱节点所受的内力最大，为平面外最不利工况，梁柱节点的受力见图18。

基于与平面内同样的有限元分析，只要增加11号和12号加劲板，同时选择合适的厚度，节点应力满足规范要求。

3 结论

图11 1.4倍设计荷载

图12 1.5倍设计荷载

图13 2倍设计荷载

图14 1.4倍设计荷载

图15 1.5倍设计荷载

图16 2倍设计荷载

“A字柱+单钢管梁”的结构形式，梁柱连接处构造相对复杂，通过节点有限元实体模型分析后发现，只要采取适当的构造措施，挂线板和梁柱连接节点的受力都能满足工程实际的需要。

图17 构架平面外最不利工况荷载布置及梁柱节点内力最大位置图

图18 节点受力图

[1]DL/T5457－2012,变电站建筑结构设计技术规程[S].

[2]GB50017－2003,钢结构设计规范[S].

[3]GB 50009－2012,建筑结构荷载规范[S].

Node Design of Substation Framework

YANG Jie,ZHU Ying-wei,XYU Guo-zhong
(Jinhua Electric Power Design Institute Co.,Ltd.,Jinhua 321000,china)

‘A type steel column + single steel beam’ is a new type structure of substation framework,some nodes are prone to stress concentration. This paper analyzes the stress concentration of beam hanging plate and beam column connections,at the same time gives to eliminate stress concentration solution for engineering design reference.

substation framework; node design; A type steel column; single steel beam.

TM63

A

1671-9913(2017)05-0064-07

2016-11-03

杨杰(1981- )，男，硕士，工程师，从事变电站土建设计，结构耐久性研究。