摘要：装配式钢结构实现了标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修和信息化管理，有效降低了施工现场的劳动强度，缩短了施工工期，将成为中国建筑发展的趋势。以2008年国家电网公司提出建设项目全寿命周期管理的要求，要推行全过程和全寿命周期最优设计和建设，实现建设项目全寿命周期内功能匹配、寿命协调、费用平衡，全面提高建设项目的效率和效益，从根本上改变传统电网资产管理方式和电网发展方式。装配式变电站正是在这样的大环境下诞生。本文主要介绍装配式钢结构在变电站应用中的受力性能。
关键词：装配式钢结构；变电站；受力性能；有限元模型
1.分层组装的装配式钢结构的构造
变电站是典型的工业建筑，其荷载情况、内力分布、跨度等因素对主控楼的装配式钢结构的梁柱连接节点有一定影响。本文所述的变电站生产综合楼装配式钢结构梁柱连接节点如图1所示。
图1.法兰连接装配式空腹梁钢框架节点：
1.1钢柱及其法兰连接节点
钢柱分为“柱座”和“柱身”，均为箱型截面。在柱座的上下均有封板，封板的四周设有螺栓孔，用于与柱身的法兰连接。借鉴了湖南远大可建科技有限公司的“空腹梁斜支撑钢框架”的柱连接节点，下柱和柱座的上封板顶部，均设有限位销，便于钢柱或柱座的吊装就位和临时固定。在上柱和柱座的底部封板上开孔，孔径比限位销的直径大10mm，作为限位孔。
1.2钢梁及梁柱连接节点
梁与柱连接时，腹板与腹板采用螺栓连接，上下翼缘与柱身的盖板采用高强螺栓连接。因此，整体钢框架的安装施工全部采用螺栓连接，装配化程度高。钢梁截面可采用空腹梁、实腹梁，本文中的空腹梁即为桁架梁。箱型柱与桁架梁连接节点，在试验加载过程中，腹杆和弦杆的焊缝发生了破坏，从而影响节点整体性能。因此，对于楼面荷载较大、或承受动力荷载、或跨度较大情况下，宜采用整体性更好的轧制的实腹H型钢梁。因为空腹梁是由角钢与板件或C型钢等焊接而成，焊缝较多，隐患较大。翼缘盖板之间采用高强摩擦型螺栓连接，实际上是一个很好的耗能区。全螺栓连接节点模型在设计时，由于腹板连接螺栓太少而导致试验过程中腹板产生滑移破坏，从而降低了节点整体的抗震性能指标。
2.某220kV变电站装配式钢结构的设计
2.1结构设计概况
某220kV户内变电站生产综合楼为地上2层，层高4m。变电站横向最大柱距为9m，竖向最大跨度为11m。本工程拟采用装配式空腹梁钢框架结构体系，主要荷载考虑恒载、活载、风荷载、雪荷载、地震作用、温度作用，结构内力分析采用SAP2000程序。
2.2分析模型
ANSYS是一款可进行结构动力学分析的大型通用有限元分析软件。节点分析模型采用国际单位制建模（N-m），构件实体建模使用SOLID45单元。所有连接的高强螺栓均采用10.9级高强螺栓。高强螺栓预紧力的模拟，采用等效力法，即在两侧或上下对称施加等效预紧力值。在柱身与柱座、翼缘与盖板、柱座与空腹梁的腹板连接处建立接触对，分别使用TARGE170、CONTA174单元。
2.3内力、变形分析结果——M20高强螺栓连接
从内力和变形分析结果看出，空腹梁上下翼缘与盖板连接处发生了明显的滑移，导致钢梁整体转动较大，梁端最大变形为101mm。钢梁转动后，下翼缘与柱法兰板接触，局部挤压导致应力集中。空腹梁其他部位应力较小，材料强度未得到充分发挥。造成这种结果的原因是上下翼缘与腹板之间的螺栓连接不够强，摩擦力不足。解决方法有：增加螺栓根数、增大螺栓直径、提高摩擦系数。
2.4内力、变形分析结果——M24高强螺栓连接
针对上一个分析节点进行改进，采用M24高强螺栓，其预紧力为P=225kN。翼缘采用10根M24螺栓连接，钢结构表面改用喷砂除锈方式，摩擦系数μ=0.5。从内力和变形分析结果可以看出：（1）通过增加翼缘连接螺栓的直径和根数，以及提高钢构件表面的摩擦系数，在梁端荷载作用下，盖板和空腹梁翼缘之间没有发生滑移。（2）在设计荷载下，最大应力为277MPa，出现在盖板与空腹梁上弦交界处及腹杆上，最大应力约为屈服强度的88%。
2.5向上加载——M24高强螺栓连接
经过对装配式空腹梁钢框架节点的应力图和竖向变形图进行分析，翼缘与盖板未发生滑移，说明翼缘的抗剪满足设计要求。装配式节点的最大应力为275MPa，出现在下翼缘与盖板交界处及腹杆上，为钢材屈服强度的88%，与向下加载相同。向上的最大变形为22.2mm，与向下加载基本一致，刚度相当，说明空腹梁的整体刚度均匀。2.61.5倍的设计荷载作用下的分析结果为保证设计有一定的富余量，在梁端继续加载到1.5倍的设计荷载。在1.5倍设计荷载下，钢柱的法兰连接、翼缘和腹板之间的螺栓连接均未发生滑移破坏。装配式节点最大应力达到了破坏应力，出现在腹杆与下弦杆的焊缝处，该处腹杆模型有部分锐角，导致应力集中。
2.6与传统变电站建造比较
与传统变电站建造方式相比较，钢结构具有强度高、自重轻、韧性好、空间布置灵活、安装机械化程度高、低碳环保可重复利用等优点，但传统变电站在防火和耐久性方面具有良好优势。
结论：
简而言之，文章主要介绍了分层组装的装配式钢结构的构造，结合某220kV变电站生产综合楼项目，对其结构进行了受力性能分析。采用ANSYS软件建立了装配式节点的有限元模型，分析了装配式空腹梁钢框架节点在设计荷载及1.5倍设计荷载下的承载力性能。
参考文献：
[1]刘学春，浦双辉，徐阿新等.模块化装配式多高层钢结构全螺栓连接节点静力及抗震性能试验研究[J].建筑结构学报，2019，36（12）：43-51
[2]王伟，陈以一，余亚超等.分层装配式支撑钢结构工业化建筑体系[J].建筑结构，2018，42（10）：48-52
论文作者:陈建东,胡文凯,吴凡
论文发表刊物:《基层建设》2019年第20期
论文发表时间:2019/9/24
标签：螺栓论文; 节点论文; 荷载论文; 变电站论文; 钢结构论文; 腹板论文; 盖板论文; 《基层建设》2019年第20期论文;