户内变电站全螺栓连接钢框架静力性能数值模拟分析

胡晨，张慧洁，王昭阳

（1.国网安徽省电力有限公司经济技术研究院，安徽 合肥 230061；2.合肥工业大学，安徽 合肥 230009）

0 前言

110kV～220 kV户内变电站主体结构常采用一层或两层钢框架结构体系，钢梁与钢柱之间一般采用翼缘板焊接、腹板螺栓连接节点，施工现场存在大量的节点现场焊接作业。钢框架结构方形钢管柱在平面内两个方向的惯性矩相等、截面抗扭性能优越，在变电站主体结构体系里应用方钢管柱-H型钢梁体系具有承载性能可靠，建筑布置灵活等特点。

基于110kV～220kV户内变电站主体结构方钢管柱-H型钢梁体系，改变传统梁柱节点连接方式，设计一种柱内无内隔板的卡槽式外环全螺栓连接钢框架结构体系，为了验证该体系的承载性能，采用数值模拟的方法对钢框架体系的承载性能进行分析，为新结构体系的工程应用提供依据。

1 卡槽式全螺栓连接钢框架构造

根据实际工程案例，确定分析的钢框架钢柱采用250×250×12mm的方钢管柱截面，柱子长2900mm；钢梁采用HN300×200×8×12mm截面，梁两端300mm处翼缘加厚为16mm，梁长2670mm，梁柱钢材型号为Q355。框架梁柱节点所使用的螺栓为10.9级，直径为24mm，螺栓预紧力为240kN，摩擦系数为0.4。

卡槽式全螺栓连接钢框架梁柱连接节点如图1所示，按照我国《钢结构设计标准》（GB50017-2017）的要求，确定了柱端板和梁连接端板上的螺栓间距和位置，同时依据螺栓间距对柱面连接板和梁连接端板的尺寸进行了设计，柱面连接板与柱通过焊接相连，梁连接端板通过角焊缝焊接与钢梁连接，每边柱面连接板与梁连接端板通过8颗高强螺栓连接，形成梁柱连接节点。

图1 卡槽式全螺栓连接钢框架梁柱连接节点

2 钢框架分析模型建立

使用Abaqus软件对卡槽式全螺栓连接钢框架进行三维实体有限元数值模拟分析，建模过程中考虑了材料非线性、几何非线性以及边界非线性的影响。钢管柱、工字梁、节点套板均采用的是Q345钢，取钢材密度为 ρ=7.85×105g/mm3，弹性模量 E=2.06×105N/mm2，泊松比μ=0.3；高强螺栓所用型号为10.9级M24摩擦型，材料为20MnTi钢，弹性模量E=2.06×105N/mm2，泊松比 μ=0.3，屈服强度为 940MPa。

选用Abaqus单元库中的C3D8I（八节点六面体线性非协调模式）单元来进行网格划分。在进行有限元模型网格划分时，考虑到模型计算结果的精确度和模型分析所需时间，不同的构件采用了不同的网格尺寸，柱端板和梁连接端板的网格尺寸为10mm，高强螺栓的网格尺寸为5mm，梁、柱网格尺寸均为15mm，整体框架的网格划分如图2所示。

图2 框架网格划分

在受到外力作用时，钢框架的节点区域各部件之间是否处于接触状态，其接触面积、接触内力都是难以预料的，所以对于接触问题的求解是相当复杂，需要进行多次的迭代循环。在建立的卡槽式全螺栓连接钢框架有限元模型中，节点板上的螺栓杆与节点板孔壁之间、螺帽与梁连接端板之间，柱端板和梁端翼缘套板之间都存在有接触关系。在Abaqus中，通过将可能接触的两个面定义为一组“接触对”，能够较为准确地模拟各部件之间的接触关系，而在选择主从面时，一般将刚度相对较大的面定义为“接触”的主面，刚度较小的面定义为从面。本模型采用通用接触，除了考虑摩擦的三组接触对外一般的面均采用Introp-1接触属性，即采用默认的属性设置；而考虑摩擦的三组接触对则采用设置了切向行为（摩擦公式为罚摩擦公式，摩擦系数取0.4）的Introp-2接触属性。

3 数值模拟分析结果

3.1 基本模型分析结果

图3 钢框架Mises应力云图

图4 荷载-位移曲线

为研究新型外环卡槽螺栓连接钢框架结构静力性能，使用Abaqus分析框架的承载力状态。对框架跨中施加单调竖向荷载，通过分析得到框架的Mises应力云图（图3）以及荷载位移曲线图（图4）。

从钢框架Mises应力变形云图可以看到，梁跨中外力荷载对框架的应力影响主要在梁跨中局部区域及节点上靠近钢梁的区域。在单调竖向荷载作用下，钢梁上最大应力集中于钢梁与节点连接处，随着荷载的增加，应力逐渐增大，梁端传递给梁连接端板的外力越来越大，造成梁连接端板发生形变，梁连接端板与柱面连接板发生部分脱离，使得梁两端靠近节点处形成塑性铰。同时，梁跨中上翼缘区域也因局部承受压力较大使翼缘板发生了明显屈曲变形，下翼缘处由于拉应力过大而进入屈服，梁跨中位置也形成塑性铰。方钢管柱上的最大应力发生在柱端板与钢柱的连接处，但未发生屈服。螺栓最大应力出现在靠近梁的螺栓孔壁上，最大应力为956MPa，出现局部应力集中。

梁端连接端板最大应力发生在与钢梁上翼缘接触的位置，最大应力550MPa，如图5。柱面连接板最大应力发生在靠近梁的螺孔附近，最大应力430MPa，如图6。框架结构节点区域在梁屈服时未出现整体破坏。

图5 梁连接端板Mises应力云图

图6 柱面连接板Mises应力云图

从荷载-位移图（图4）中可以看出，在加载的初期，钢框架还处于弹性阶段，模型计算施加的竖向荷载与梁跨中挠度呈线性关系，且刚度较大；当荷载增加到600kN之后，框架已进入弹塑性阶段，荷载-位移曲线的切线斜率逐渐减小，刚度相应减小；临近加载后期，曲线趋于平缓，达到曲线上的设计状态时，外荷载已达到950kN，认为框架已经破坏。图中设计状态是指当框架有限元模型上应力较大的截面，也就是钢梁两端与梁连接端板接触处截面的大部分区域应力达到材料的极限应力时，即认为框架已经破坏，由此所定义的一个特定的时刻状态。

3.2 变参数分析结果

为研究梁连接端板厚度对框架性能的影响，在保持钢框架的其它几何参数不变的情况下，梁连接端板的厚度分别取为20mm、25mm、30mm，框架模型依次为 KB-1(20mm)，KB-2(25mm)，KB-3(30mm)，下面分别给出了框架在竖向荷载作用下框架弹性阶段、塑性阶段、破坏阶段对应的应力分布云图。

图7 单调荷载下应力云图

由图7可知，随着梁连接端板厚度增大，框架节点处柱端板和梁连接端板的连接更加紧密，两者的位移形变减小，试件的钢梁跨中以及梁与梁连接端板接触处的最大应力区域逐渐减小，钢柱节点处受力更加均匀。KB1～KB3试件的破坏时，最大应力都集中于钢梁与节点连接处，且分布于钢梁上下翼缘处，应力已达到材料的屈服强度，框架在此处发生塑性破坏。综上可知，随着梁连接端板厚度的增大，梁连接端板与柱面连接板的连接增强，框架整体刚度随之增大。

试件的荷载位移曲线如图8所示，三组试件的荷载位移曲线的总体变化趋势一致，都经历了由弹性进入塑性然后破坏的阶段，从KB-1到KB-3，随着梁连接端板厚度的增加，试件的屈服荷载和极限荷载得到提高，但增加的幅度不大。

图8 荷载位移曲线

4 结论

卡槽式全螺栓连接节点是一种新型装配式钢框架连接节点，适用于装配式工业化建筑结构，对采用卡槽式全螺栓连接节点的钢框架的静力性能进行数值模拟分析，通过分析可得：

①建立的实体模型考虑了螺栓杆与孔壁、螺帽与梁端翼缘套板，柱面连接板和梁端翼缘套板的接触关系，建立的模型可以真实反映结构的受力特征。

②分析得到了卡槽式全螺栓连接节点的钢框架的破坏机理，结构首先在钢梁与节点的梁连接端板连接处产生塑性变形，梁连接端板与柱端板发生脱离，从而在梁两端形成塑性铰，而框架结构的节点区域在梁屈服时并未出现整体破坏。

③随着梁连接端板厚度的增大，试件节点处柱面连接板和梁连接端板的连接更加紧密，框架整体刚度随之增大。