端撐對(duì)變電站構(gòu)架柱計(jì)算長(zhǎng)度的影響研究

郭 浩

(福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，福建 福州 350028)

0 前 言

為確保變電站構(gòu)架的整體穩(wěn)定，通常可在構(gòu)架柱邊設(shè)置端撐，根據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)果[1-3]表明端撐的存在能夠有效減低柱底內(nèi)力和變形，從而提高構(gòu)架的整體剛度。根據(jù)現(xiàn)有的變電站構(gòu)架形式，存在連續(xù)兩跨及以上構(gòu)架梁高度不同以及柱中設(shè)置端撐的情況，而現(xiàn)有的設(shè)計(jì)手冊(cè)[4-5]并未給出該類構(gòu)架柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)。

本文研究連續(xù)架梁高度不同以及柱中布置端撐對(duì)構(gòu)架柱計(jì)算長(zhǎng)度的影響，利用MIDAS GEN軟件建立有限元模型，對(duì)其進(jìn)行屈曲分析，得到該類構(gòu)架柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，為變電站構(gòu)架的設(shè)計(jì)提供參考價(jià)值。

1 模型概況

1)幾何尺寸。為了研究連續(xù)跨構(gòu)架梁高度不同以及柱中設(shè)置端撐桿件時(shí)對(duì)構(gòu)架柱計(jì)算長(zhǎng)度的影響，本文考慮了三種構(gòu)架形式，如圖1所示。在三種構(gòu)架中，構(gòu)架柱選用鋼筋混凝土環(huán)形柱，柱的外徑為300 mm、壁厚為50 mm；橫梁選用外徑為100 mm的圓鋼，材質(zhì)為Q235碳素鋼；端撐柱選用鋼管外徑為150 mm、壁厚為5 mm的圓鋼管，材質(zhì)為Q235碳素鋼。

(a)模型a

2)邊界條件。在有限元模型中，構(gòu)架柱、端撐與地面的連接方式選擇一般支撐，其中，構(gòu)架柱與地面間的節(jié)點(diǎn)約束整體坐標(biāo)系中X、Y、Z三個(gè)方向的位移和轉(zhuǎn)角(Ux、Uy、Uz、Rx、Ry、Rz)，端撐與地面間的節(jié)點(diǎn)約束整體坐標(biāo)系中X、Y、Z三個(gè)方向的位移(Ux、Uy、Uz)；端撐和構(gòu)架柱間選用鉸接，鋼梁兩端釋放除沿桿件軸線方向外的梁端彎矩。

3)荷載施加。在靜力荷載工況中添加恒荷載，初始荷載設(shè)為1 N，臨界荷載(Pcr)就是初始荷載與臨界荷載系數(shù)(由屈曲分析得到的特征值)的乘積，表示結(jié)構(gòu)構(gòu)件在臨界荷載作用下會(huì)發(fā)生屈曲失穩(wěn)；初始荷載統(tǒng)一施加在各構(gòu)架模型中柱的頂點(diǎn)位置處，同時(shí)，為了提高計(jì)算精度，需對(duì)構(gòu)架柱進(jìn)行分段。

2 數(shù)值分析

2.1 屈曲向量

利用有限元軟件MIDAS GEN建立三種構(gòu)架的有限元模型，并進(jìn)行屈曲分析，得到各模型中柱在壓力作用下的屈曲向量，如表1所示(表1中的節(jié)點(diǎn)號(hào)見圖1)。

表1 構(gòu)架中柱繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的屈曲向量

當(dāng)模型繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，模型b和模型c的屈曲向量比模型a的屈曲向量小，模型b在2號(hào)節(jié)點(diǎn)處的屈曲向量以及構(gòu)架c在3號(hào)節(jié)點(diǎn)處的屈曲向量減小顯著；當(dāng)模型繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，三種模型在各點(diǎn)處的位移向量和轉(zhuǎn)角向量較接近。

2.2 屈曲模態(tài)

當(dāng)初始荷載施加在構(gòu)架中柱頂部時(shí)，三種模型在繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)、繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)作用下的屈曲模態(tài)如圖2所示。圖2顯示，當(dāng)模型繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)，模型a、模型b、模型c的結(jié)果最大值為9.21×10-3、2.54×10-3、1.59×10-3，說明端撐的存在有效約束了構(gòu)架的變形，其中模型三的變形幅度最?。划?dāng)模型繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，模型a、模型b、模型c的結(jié)果最大值為5.57×10-3、5.50×10-3、5.49×10-3，計(jì)算結(jié)果較接近。

(a)模型a(繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng))

3 構(gòu)架柱計(jì)算長(zhǎng)度分析

3.1 歐拉公式

根據(jù)壓桿穩(wěn)定理論可知，在壓力作用下，桿件承受的荷載增加到某個(gè)限度時(shí)，受壓桿件將由穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化為不穩(wěn)定狀態(tài)，這個(gè)荷載的限值稱為臨界壓力(Pcr)，臨界壓力是受壓桿件保持直線穩(wěn)定形狀時(shí)所能承受的最小壓力[6]。通過屈曲分析可得到各柱的臨界壓力，最后通過歐拉公式得到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)算長(zhǎng)度，歐拉公式的通用形式如式(1)所示：

(1)

式中，E為構(gòu)架柱的彈性模量；I為構(gòu)架柱的截面慣性矩；μ為計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)；l為柱的長(zhǎng)度，mm。

3.2 計(jì)算長(zhǎng)度分析結(jié)果

通過對(duì)三種構(gòu)架模型進(jìn)行屈曲分析得到各模型的臨界壓力，現(xiàn)選擇三種模型的中柱作為研究對(duì)象，利用歐拉公式可求得各模型中柱沿x軸轉(zhuǎn)動(dòng)、沿y軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，如表2所示。

表2 三種模型中柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)

為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的可靠性，將現(xiàn)有規(guī)范[4-5]中的取值與其進(jìn)行對(duì)比?，F(xiàn)有規(guī)范中指明構(gòu)架柱設(shè)置端撐和未設(shè)置端撐時(shí)的計(jì)算長(zhǎng)度為0.7、2.0；單跨、多跨構(gòu)架柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)為1.4、0.8，所以但連續(xù)梁的高度不同時(shí)，構(gòu)架柱的計(jì)算長(zhǎng)度取值范圍取為0.8～1.4。從表2中可以看出，沿x軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，模型a和模型c的柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)接近現(xiàn)有規(guī)范中相對(duì)應(yīng)的取值；沿y軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，3個(gè)模型構(gòu)架柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)均在現(xiàn)有規(guī)范的取值范圍內(nèi)，說明由分析結(jié)果結(jié)果較合理。在沿y軸轉(zhuǎn)動(dòng)作用下，當(dāng)連續(xù)梁高度不同時(shí)，柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)宜取1.3；在沿x軸轉(zhuǎn)動(dòng)作用下，當(dāng)柱中設(shè)置端撐時(shí)，柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)宜取1.0。以上柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)的取值僅針對(duì)本文模型，對(duì)于其他類型的構(gòu)架，應(yīng)根據(jù)構(gòu)架柱的具體情況進(jìn)行相應(yīng)的分析。

4 結(jié) 論

1)端撐桿件的存在有效抑制了構(gòu)架柱的變形，構(gòu)架模型中柱頂部的屈曲向量大小順序?yàn)椋耗Ｐ蚢(未設(shè)置端撐)>模型b(柱中設(shè)置端撐)>模型c(設(shè)置端撐)。

2)連續(xù)構(gòu)架梁的高度不同、柱中設(shè)置端撐會(huì)對(duì)構(gòu)架柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)產(chǎn)生影響，其中，當(dāng)連續(xù)構(gòu)架梁高度不同時(shí)，柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)宜取1.3；當(dāng)柱中設(shè)置端撐桿件時(shí)，柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)宜取1.0。

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