角鋼格構(gòu)式構(gòu)架兩種梁柱連接形式對(duì)比研究

閆 勇，王義鵬，陳 寅，魯 偉

（中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071）

1 概述

對(duì)于國(guó)外變電工程，為便于集港運(yùn)輸、節(jié)約工程造價(jià)，配電裝置構(gòu)架通常采用角鋼格構(gòu)式結(jié)構(gòu)，即構(gòu)架梁、柱均采用四邊形格構(gòu)式塔架，主材及腹桿均采用角鋼。相比于國(guó)內(nèi)常用的圓鋼管A 字柱構(gòu)架，角鋼格構(gòu)式構(gòu)架具有節(jié)點(diǎn)較多、構(gòu)造復(fù)雜、所有桿件均為二力桿、主要承受軸向的拉力和壓力等特點(diǎn)。構(gòu)架梁柱節(jié)點(diǎn)的連接形式是角鋼格構(gòu)式構(gòu)架設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)，常用的梁柱節(jié)點(diǎn)連接形式有以下兩種：一種是構(gòu)架梁下弦端部?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)與構(gòu)架柱節(jié)點(diǎn)采用螺栓連接，受力特性類(lèi)似于梁柱鉸接，以下簡(jiǎn)稱(chēng)A 方案；另一種是構(gòu)架梁上、下弦端部四個(gè)節(jié)點(diǎn)均與構(gòu)架柱節(jié)點(diǎn)采用螺栓連接，由于連接剛度較大，可以傳遞彎矩，受力特性類(lèi)似于梁柱剛接，以下簡(jiǎn)稱(chēng)B 方案。

2 模態(tài)對(duì)比

本文以巴基斯坦某換流站132kV 構(gòu)架為例，該132kV 構(gòu)架采用單排雙跨角鋼格構(gòu)式塔架結(jié)構(gòu)，構(gòu)架全高18m，梁底標(biāo)高12m，構(gòu)架梁跨度12m。在同等條件下（構(gòu)架梁柱各桿件截面相同、風(fēng)荷載和導(dǎo)線(xiàn)拉力等荷載條件相同）利用有限元軟件STAAD.Pro 分別建立兩種梁柱連接形式（A 方案和B 方案）的計(jì)算模型。

采用STAAD.Pro 軟件對(duì)該132kV 構(gòu)架進(jìn)行模態(tài)分析，并取前三階振型進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1；通過(guò)對(duì)比可知，兩方案Z 向（平面外）和扭轉(zhuǎn)振型計(jì)算結(jié)果相近，而X 向（平面內(nèi)）振型自振頻率A 方案（3.41Hz）大于B方案（2.37Hz）。初步看來(lái)，兩種梁柱連接形式主要影響構(gòu)架X 向（平面內(nèi)）整體剛度，而對(duì)Z 向（平面外）剛度影響不大。

表1 兩種連接形式前三階振型及方向?qū)Ρ?/p>

3 內(nèi)力對(duì)比

分別選取兩種模型構(gòu)架梁、柱弦桿在基本工況下各節(jié)間最大內(nèi)力進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，可以看到，對(duì)于構(gòu)架柱節(jié)間內(nèi)力，A 方案（梁柱鉸接）是B 方案（梁柱剛接）的1.16～1.38 倍；而對(duì)于構(gòu)架梁節(jié)間內(nèi)力，B 方案是A方案的 1.32～1.55 倍。

表2 兩種連接方案基本組合梁柱節(jié)間最大內(nèi)力對(duì)比

值得一提的是，模型計(jì)算結(jié)果與簡(jiǎn)化的平面鋼架定性分析結(jié)果基本一致：對(duì)A 方案，構(gòu)架梁內(nèi)力曲線(xiàn)呈現(xiàn)典型的簡(jiǎn)支梁特征，即跨中內(nèi)力較大，而梁端內(nèi)力較小；對(duì)B 方案，構(gòu)架梁內(nèi)力曲線(xiàn)呈現(xiàn)典型的兩端剛接的雙跨連續(xù)梁受力特征，梁端內(nèi)力較大，而跨中內(nèi)力較小。

圖1 A 梁柱鉸接第 1 階振型（X 向，平面內(nèi)）

圖2 B 梁柱剛接第 1 階振型（Z 向，平面外）

表3 兩種連接方案梁柱標(biāo)準(zhǔn)組合最大位移對(duì)比

表4 兩種連接方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

4 位移對(duì)比

分別選取兩種模型構(gòu)架梁、柱在標(biāo)準(zhǔn)工況下各節(jié)點(diǎn)最大位移進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，從計(jì)算結(jié)果可知，Z向（平面外）節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算結(jié)果相差不大，而X 向（平面內(nèi)）節(jié)點(diǎn)位移相差較大。對(duì)于柱頂位移，A 方案（梁柱鉸接）是B 方案（梁柱剛接）的 2.62 倍；對(duì)于梁底位移，A 方案是B 方案的1.91 倍。

從位移計(jì)算結(jié)果可以看出，兩種梁柱連接節(jié)點(diǎn)方案主要影響構(gòu)架X 向剛度（平面內(nèi)），這是由于B 方案（梁柱剛接）能夠傳遞梁端彎矩，提高了構(gòu)架X 向整體抗側(cè)剛度。

5 扭轉(zhuǎn)角對(duì)比

由于導(dǎo)線(xiàn)掛點(diǎn)位于構(gòu)架梁下弦節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)線(xiàn)拉力對(duì)構(gòu)架梁形心存在扭轉(zhuǎn)力矩，為便于研究?jī)煞N不同模型構(gòu)架梁在受力情況下的扭轉(zhuǎn)情況，在STAAD 計(jì)算模型結(jié)果上，引入扭轉(zhuǎn)角θ 的概念，構(gòu)架梁每個(gè)截面上的扭轉(zhuǎn)角可以用以下公式計(jì)算：

θ=arctan|（Δ2x-Δ1x）/（h+Δ1y-Δ2y）|

其中Δ1x、Δ1y分別表示梁截面出線(xiàn)側(cè)下弦節(jié)點(diǎn)水平位移、豎向位移；Δ2x、Δ2y分別表示梁截面出線(xiàn)側(cè)上弦節(jié)點(diǎn)水平位移、豎向位移；h 表示梁截面高度。經(jīng)計(jì)算，B 方案（梁柱剛接）梁截面平均扭轉(zhuǎn)角0.017rad、最大扭轉(zhuǎn)角0.045rad；A 方案（梁柱鉸接） 梁截面平均扭轉(zhuǎn)角0.035rad、最大扭轉(zhuǎn)角0.071rad，分別是B 方案的2.06倍、1.58 倍。對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，雖然兩種模型扭轉(zhuǎn)角數(shù)值都相對(duì)比較小，但梁柱剛接模型的梁截面抗扭性能明顯更優(yōu)。

6 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

以上計(jì)算分析均在同等條件（相同截面、相同荷載）下利用兩種梁柱連接方式模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，為了便于進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較，基于以上計(jì)算結(jié)果，按計(jì)算內(nèi)力選擇合適截面，各截面應(yīng)力比均按80%左右控制，統(tǒng)計(jì)兩種連接方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比見(jiàn)表4。從表4 可以看出，A 方案構(gòu)架柱用鋼量較大，B 方案構(gòu)架梁用鋼量較大，由于構(gòu)架柱數(shù)量多于構(gòu)架梁，總體上看兩方案經(jīng)濟(jì)性相差不大，而B(niǎo)方案經(jīng)濟(jì)性更好。

7 結(jié)論

本文對(duì)角鋼格構(gòu)式構(gòu)架常用的兩種梁柱連接形式進(jìn)行對(duì)比研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）兩種連接形式對(duì)構(gòu)架平面外剛度影響不大，而對(duì)構(gòu)架平面內(nèi)剛度梁柱剛接大于梁柱鉸接。

（2）梁柱剛接構(gòu)架柱內(nèi)力較小、構(gòu)架梁內(nèi)力較大；兩種連接方式構(gòu)架平面外位移相差不大；而梁柱剛接構(gòu)架平面內(nèi)位移較?。涣褐鶆偨涌梢杂行Ъs束構(gòu)架梁扭轉(zhuǎn)變形，扭轉(zhuǎn)角更小。

（3）總體上看兩種連接形式對(duì)鋼材量影響不大，梁柱剛接構(gòu)架結(jié)構(gòu)性能更優(yōu)，推薦工程設(shè)計(jì)采用梁柱剛接方案。