变电站GIS构架交叉端撑节点有限元分析

陈培煌， 柳兆涛， 臧正义

(1. 合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2. 中国能源建设集团安徽省电力设计院有限公司，安徽 合肥 230013)

目前我国高压、超高压、特高压输电技术得到了大力发展，因此也极大地促进了变电站构架设计的发展和进步。然而目前土地资源愈发稀缺，土地征用成本节节攀升，土地资源地理位置的限制等土地空间使用问题日益严峻，结构紧凑型变电站构架设计已成为业内着重研究的重要课题。以型钢管结构为主的电力构架综合力学性能优秀，因此成为新型变电站构架设计采用的主要结构形式。“X”型钢管插板节点是该新型变电站构架的重要组成构件，其力学性能对变电站构架结构的整体力学性能起着关键作用。

1 交叉节点

1.1 交叉节点的形成

变电站110kV-220kV GIS构架端撑部位通过交叉连接，土地使用节约达5%左右。构架高度19.5m，纵向长度80m，横向宽度5m，本文所研究的“X”型交叉节点位于距地面高为3.5 m处，节点具体结构形式如图1所示。

节点中的主管、副管、节点板、各插板钢材均为Q345B，其本构模型为采用具有一定强化刚度的双折线模型，如图2所示，弹性阶段的弹性模量E取为206GPa，塑性阶段的弹性模量E1取E的2%为6.18GPa，以便有限元分析结果的收敛，泊松比为0.3，并取屈服强度为345MPa，极限强度为540MPa。

图3 钢材本构模型

1.2 节点边界条件

节点在实际使用过程中下部固定，并主要有以下2种荷载工况，分别为大风工况1： N1为压、N2为拉；大风工况2：N1为拉、N2为压工况，2种工况下各管件的设计荷载值如表1和表2所列，固定端如图1所示。在有限元分析中，各管件荷载最大值加载至1.5倍各工况设计荷载。

2 节点有限元分析

2.1 节点有限元模型

表1 大风工况1节点的设计荷载

表2 大风工况2节点的设计荷载

由于此端撑交叉节点构造复杂，模型尺寸比较大，为保证关键部位计算的准确性，采用实体单元Solid186模拟，共划分了19970个单元，如图4所示。由于节点所使用的材料延伸率较大，塑性性能优越，判定材料性能采用Von-Mises屈服准则[8]。

2.2 节点应力有限元分析结果

(1) 大风工况1:N1为压力、N2为拉力有限元分析结果。图5为端撑交叉节点在1.5倍大风工况1设计荷载作用下，有限元分析得到节点整体和局部的Von-Mises应力云图。所得到的最大应力值为116.08MPa，出现在加强板与主管连接处且处于材料线弹性范围内；贯穿板与主管连局部连接处局部应力约为70MPa，其余部位应力分布均匀且均在50MPa以下；螺栓孔处应力水平较大，也均在90MPa以下；节点整体应力变化均匀，主管、副管、贯穿板、插板和连接板的应力水平均较低，均在50MPa以下。由此可知，该端撑交叉节点在1.5倍大风工况1设计荷载下的应力水平较低，节点设计能够满足强度要求。

图4 节点有限元模型

图6为端撑交叉节点在1.5倍大风工况1设计荷载作用下，有限元分析得到节点整体的位移云图，所得到的最大位移值为1.3217mm，出现于上部副管顶部；主管、插板、连接板等处位移上部区域比下部区域略大，且都小于1mm；由此可知，该端撑交叉节点在大风工况1下的变形较小，节点设计能够满足刚度要求。

图5 大风工况1节点在1.5倍设计荷载下应力云图

图6大风工况1节点在1.5倍设计荷载下位移云图

(2) 大风工况2:N1为拉力、N2为压力有限元分析结果。图7为端撑交叉节点在1.5倍大风工况2设计荷载作用下，有限元分析得到节点整体和局部的Von-Mises应力云图。所得到的最大应力值为113.8MPa，出现在加强版与主管连接处且处于材料线弹性范围内；贯穿板与主管连接处局部应力约为65MPa，其余部位应力分布均匀且均在50MPa以下；螺栓孔处应力水平较大，也均在90MPa以下；节点整体应力变化均匀，主管、副管、贯穿板、插板和连接板的应力水平均较低，均在60MPa以下。由此可知，该端撑交叉节点在1.5倍大风工况2设计荷载下的应力水平较低，节点设计能够满足强度要求。

图7 大风工况2节点在1.5倍设计荷载下应力云图

图8为端撑交叉节点在1.5倍大风工况2设计荷载作用下，有限元分析得到节点整体的位移云图，

图8 大风工况2节点在1.5倍设计荷载下位移云图

所得到的最大位移值为1.3208mm，出现于上部副管顶部；主管、插板、连接板等处位移上部区域比下部区域略大，且都小于1mm；由此可知，该端撑交叉节点在大风工况2下的变形较小，节点设计能够满足刚度要求。

3 节点极限承载力

本文采用了对结构施加一阶屈曲模态10%的方法，在对节点采用弹塑性分析法时，得出整体节点的荷载-位移曲线，荷载-位移曲线的极值点中的荷载即为极限承载力。在2种工况下，节点的荷载-位移曲线如图9所示。

由图9(a)可知，对于大风工况1节点的荷载-位移曲线有明显的极值点。在10.83倍设计荷载时，荷载-位移曲线达到极值点，此时荷载即为其极限承载力。此时的破坏模式为上部副管顶部偏向右侧位移发生突变，导致主管相贯处在平面内方向发生褶皱，屈曲失稳，承载力大幅下降，如图10(a)所示。

对于大风工况2，节点的荷载-位移曲线也有明显的极值点。在11.09倍设计荷载时，荷载-位移曲线达到极值点，此时荷载即为其极限承载力。此工况下的破坏模式为是主管顶部偏向左侧位移发生突变，导致主管相贯处在平面外方向发生褶皱，屈曲失稳，承载能力大幅下降，如图10(b)所示。

图9 各工况荷载-位移曲线

图10 各工况极限承载力下节点破坏形式

4 结论

通过有限元软件workbench分析可知，节点在1.5倍大风工况1和大风工况2两种控制工况设计荷载下，节点各区域应力未超出Q345材料的屈服强度，且未出现较大变形。

通过对节点进行非线性有限元分析，分别得出节点在大风工况1和大风工况2下的极限荷载，分别为设计荷载的10.83倍和11.09倍，且得出节点在两种工况下的破坏模式。

由分析结果可知该节点在2种工况设计荷载下有足够的安全储备，此端撑交叉节点的设计合理、安全可靠。

[参 考 文 献]

[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] 邢海军, 李茂华, 赵冠远. 钢管塔交叉节点采用十字型插板的X型斜材计算[C] .全国钢结构学术年会论文集, 2010.

[3] 陈誉,黄勇,冯然. X形圆管斜插板节点轴压性能试验研究[J]. 建筑结构学报, 2015, (3): 90-97.

[4] 李晨, 张大长, 李布辉. 圆钢管T形相贯节点平面内抗弯承载力试验及计算理论研究[J]. 建筑结构, 2017,(2):23-27.

[5] 沈国辉,陈震,郭勇,等.带加劲肋十字型钢管节点支管轴压的承载力研究[J].工程力学,2013,(9): 70-75.