变电站钢结构梁柱节点连接的优化设计

谢军

（南京电力设计研究院有限公司，江苏南京 210000）

1 研究背景和意义

随着电力行业的不断发展， 变电站作为电力系统中的重要环节， 其建设和更新换代也日趋重要。 变电站钢结构作为变电站的主要承重结构，其设计和施工质量直接影响着变电站的稳定性和安全性。 其梁柱节点连接作为钢结构中最重要的连接方式之一，对结构的安全性、可靠性、经济性和施工可行性都起到至关重要的影响。 因此，对变电站钢结构梁柱节点连接的优化设计， 已经成为当前钢结构领域中的研究热点。 然而，现有的研究在节点连接形式的比选和设计方法等方面存在一些不足之处，需要进一步深入探究。 因此，本研究旨在通过分析和总结现有研究成果， 探究变电站钢结构梁柱节点连接的优化设计方法和原则， 以期为变电站钢结构设计提供一定的参考和指导。

2 变电站钢结构梁柱节点连接设计方法

2.1 基本步骤

当进行变电站钢结构梁柱节点连接设计时，需按照一定的步骤进行。 首先，需确定节点类型和荷载情况，以明确节点所受的静、动荷载和地震作用等。 其次，需根据节点类型和荷载情况选择合适的节点连接方式，如焊接、螺栓连接、栓焊连接等。在节点尺寸和构造的设计过程中， 需结合节点类型、荷载情况和材料选择，确定节点尺寸和构造，包括节点板厚、焊缝尺寸、螺栓数量和直径及节点域是否加强等。 此外，针对节点的疲劳和抗震性能要求，需进行相关的计算和分析，确保节点在长期使用和地震作用下的安全性能。 最后，根据设计计算结果，编制节点连接设计图纸，包括节点立面图、横断面图、材料清单、焊接或螺栓连接示意图等。这些步骤在进行变电站钢结构梁柱节点连接设计时，都是必须的，可以保证设计出具备可靠性、安全性、经济性和施工可行性的节点连接方案。

2.2 带悬臂段与不带悬臂段设计方案比选

带悬臂段与不带悬臂段比选是结构工程中常用的一种设计方法。 一般情况下，悬臂段是指梁或柱在跨度较大的一侧超出支座部分的一段构件。带悬臂段的结构设计在满足强度、刚度等要求的基础上，可更好控制结构的振动和变形，减小结构的动态响应和震动反应。 同时，带悬臂段的结构也具有更好的应力分布， 更为合理地分配结构的内力，有利于整个结构的稳定性和安全性。 相比之下，不带悬臂段的结构设计则相对简单，且较易于施工和维护。 但在跨度较大或荷载较大的情况下，不带悬臂段的结构易出现较大的变形和振动，影响结构的安全性和使用寿命。 因此，在进行带悬臂段与不带悬臂段比选时，需综合考虑结构的实际情况、使用要求和工程成本等方面因素，选择更合适的结构设计方案。其中包括：①结构的实际情况。考虑结构的受力特点、支撑条件、节点连接形式、荷载大小等实际情况，以确保设计的合理性和可行性。②使用要求。包括结构的安全性、稳定性、耐久性、维护方便性等因素，选择最适合的设计方案。③工程成本。结构的设计、 制造和施工等成本要素也需纳入考虑范围。需通过权衡成本和性能间的关系，确定最经济合理的设计方案。

3 变电站钢结构梁柱节点连接的优化设计

3.1 选择合适的节点连接形式

选择节点连接形式应根据受力特点和设计要求选择适合的节点连接形式。焊接连接是将构件通过熔合焊接在一起，其连接强度较高，但需进行较复杂的工艺控制。螺栓连接则是采用螺栓将构件连接在一起，其安装和维护较方便，但需控制螺栓预紧力。此外，在选择节点连接形式时，还需考虑构件的布置和空间限制等因素，以保证连接的稳定性和可靠性。针对变电站结构的特点，如跨度大、平面不规则、楼面荷载大等，需考虑结构的受力特点和装配式施工的因素以选择节点连接形式。 例如，多层变电站钢结构方案，当选用全栓接时，就需重点关注节点的抗震设计，且全栓接虽然提升了全站装配率， 但也给组合楼板或楼承板的施工带来不便，此时就需综合比选全栓接和焊接两种型式。 同时，在考虑装配式施工的因素时，需要优先选择易于安装和调整的节点连接形式， 以提高施工效率和质量。因此，在选择节点连接形式过程中，需要综合考虑结构的受力特点、 装配式施工的因素和设计要求，选择合适的节点连接形式进行优化设计。

3.2 实例分析

本实例为某110 kV 变电站配电综合楼， 建筑物为一栋三层建筑物，地下一层，层高3.5 m，地上两层，地上一层层高5 m，二层层高5 m。 最大柱距9 m，楼板采用压型钢板底模式楼板。 主变室和GIS室属于大空间结构，屋面高度较高，因此梁柱节点连接的设计对结构安全和稳定性至关重要。根据现有的设计方案，鉴于目前变电站的高装配率和绿色施工的要求， 我们考虑采用全栓接的节点型式，并对节点进行了深化设计。 通过实例分析得出：①全栓接施工方便。全栓接的连接方式可以在工厂进行预制，减少现场施工时间和工序，降低了施工难度和风险。②节约材料。 全栓接的连接方式可以根据实际应力需求和构件尺寸进行优化设计，避免了在焊接过程中可能产生的金属浪费和强度损失。③提高连接质量。全栓接的连接方式可保证连接质量和一致性，避免了焊接过程中可能产生的缺陷和质量问题。 在该实例中，采用全栓接的连接方式可满足变电站结构的受力要求， 并可实现预制化生产，降低施工难度和风险，提高施工效率和工作质量。 同时， 全栓接的连接方式可避免现场动火的问题，符合绿色施工的要求。 综合来看，本设计方案选择全栓接方式，是一种安全、便捷、经济、实用的节点连接方案，适合应用于变电站钢结构梁柱连接的优化设计。 全栓接方式便于施工现场的拆卸和更换，方便维修保养，减少了维护成本。

4 结语

本研究通过对变电站钢结构梁柱节点连接的优化设计方法进行探讨，总结了梁柱节点连接结构的安全性原则、可靠性原则、经济性原则和施工可行性原则，并提出基于受力特点和设计要求选择合适的节点连接形式的设计方法。本次优化设计针对配电综合楼的梁柱节点连接进行了详细分析和优化设计。通过对节点受力特点和设计要求的综合考虑，采用了全栓接的连接方式，使节点连接更安全可靠，并针对上翼缘螺帽影响组合楼板施工这一问题给出了解决方案。 该设计方案具有结构稳定性好、施工方便、绿色环保、装配率高等优点，为类似大空间结构的节点连接设计提供了参考和借鉴。