750 kV格構式構架鋼管節(jié)點承載力試驗研究

郭宏超，簡政，司建輝，劉茂社，郎旭海，胡峰

(1.西安理工大學，土木建筑工程學院，陜西 西安 710048;2.中國電力工程顧問集團西北電力設計院 電網(wǎng)設計分公司，陜西 西安 710075)

到目前為止，我國已經(jīng)有二十多座750 kV變電站的成功設計、施工和運行經(jīng)驗。設計經(jīng)驗的不斷成熟，使得在750 kV構架設計中，除了保證結(jié)構的安全可靠外，越來越追求其型式變化多樣、觀感新穎輕巧。借鑒國內(nèi)外變電構架的成功設計經(jīng)驗，通過合理選型、精心設計，研究出適合于750 kV配電裝置需要的構架形式，即鋼管格構柱、矩形斷面梁組成的格構式構架，并一直成為國內(nèi)750 kV和1 000 kV構架設計的主流[1-2]。

結(jié)構能否正常受力,節(jié)點形式和其強度、剛度大小是關鍵因素之一，節(jié)點的破壞往往導致與之相連的若干桿件的失效，因此，節(jié)點設計的好壞是750 kV格構式構架結(jié)構設計成敗的關鍵之一。另外，節(jié)點板材的重量在構架總用鋼量中也占有較大的比重。經(jīng)過初步統(tǒng)計，目前在750 kV格構式構架用鋼量中，節(jié)點板材的重量約占構架總用鋼量的30%左右。鑒于以上因素，本課題以敞開式布置的哈密南750 kV變電站為依托，對其中復雜的梁柱節(jié)點進行真型足尺試驗，分析其實際受力特點，以期達到減小節(jié)點板厚度的目的，做到結(jié)構安全且節(jié)省材料。

1 試驗概況

1.1 試件設計

為了解構架節(jié)點的真實受力性能及實際工程中連接板的富裕程度，本次試驗以敞開式布置的哈密南750 kV變電站工程為背景，取荷載較大的K型、KT型平面節(jié)點為試驗試件，其截面規(guī)格、連接方式、夾角、連接板厚度等控制參數(shù)均取自實際工程[3-4]。采用1∶1足尺模型，共4組，5個試件，其中三組試件取自鋼管格構柱，用ZJD-X表示，一組取自矩形格構梁，用LJD-X表示。在主桿上焊接連接板，腹桿上焊接插板，主、腹桿間通過6.8級普通螺栓連接，主要連接形式為T型和槽型。試件的主、腹桿均采用鋼管截面，鋼材牌號為Q345B，連接板為鋼板，鋼材牌號為Q235B。

主管桿長約3 500 mm、2 600 mm兩種規(guī)格，腹管桿長約500 mm。桿件截面尺寸、連接板厚度等參數(shù)詳見表1。節(jié)點試件由陜西銀河電力桿塔有限責任公司制作，由于試件節(jié)點尺寸大，焊接量較多，螺栓孔位誤差等因素，各試件均存在不同程度的初始偏心。

根據(jù)桿件及節(jié)點板規(guī)格進行材料性能試驗，試驗在西安理工大學建筑材料實驗室進行。按照相關標準[5-6]確定材料在單向拉伸作用下的應力-應變關系曲線，確定鋼材彈性模量、屈服應力、極限抗拉強度、伸長率等性能參數(shù)，參數(shù)詳見表2。

表1 試件參數(shù)表

表2 材性試驗結(jié)果

1.2 試驗裝置及測點布置

試驗裝置如圖1所示。

圖1 試驗裝置圖

試件為平面受力結(jié)構，將節(jié)點置于封閉的門架加載系統(tǒng)內(nèi)，門架頂部通過H400×250×8×16型鋼梁剛性連接，形成一榀封閉自平衡系統(tǒng)，在主桿兩側(cè)設鋼板與門架連接，實現(xiàn)剛性約束，以固定試件；在斜腹桿受壓端設置帶角度的十字加載頭，固定于門架側(cè)面，用千斤頂給桿件反向加載壓力；在斜腹桿受拉端設置連接板，通過4個M30拉桿與遠端帶角度的十字加載頭連接，用千斤頂沿門架外側(cè)給桿件反向施加拉力。試件設計荷載均較小，采用100 t油壓千斤頂2個，50 t油壓千斤頂1個，可滿足加載要求。

門架系統(tǒng)梁、柱截面較大，具備足夠的強度和剛度，在加載過程中不會因為試驗裝置本身產(chǎn)生較大變形而對節(jié)點試件造成過大的次應力。在試件各控制截面布置應變片和百分表，為測量結(jié)構在試驗過程中底部支座水平滑移及加載端的位移，在支座及加載端布置位移計。儀表布置如圖2所示[7]。

圖2 測點布置圖

1.3 加載方案

根據(jù)西北電力設計院提供的桿件實際受力情況，在主桿兩端施加固定約束，限值其水平和豎向位移，對各腹桿同時施加拉、壓荷載，以設計荷載的1.5倍作為本次試驗所施加的極限荷載。試件安裝完畢后，進行幾何對中，使節(jié)點各桿件與外荷載作用線在同一力線上。隨后進行預加載，按預定加載制度進行三個循環(huán)加載，檢查傳感器、百分表、應變片讀數(shù)是否合理，確定試驗系統(tǒng)各部分接觸良好。預加載完成后卸載，初始化所有測量儀器及應變片，隨后進入試驗的正常加載，按設計階段和極限階段兩種情況加載。

施加荷載在極限荷載的0%～50%之間時，每級所施加的荷載取極限荷載的10%，當施加荷載在極限荷載的50%～80%，每級所施加的荷載取極限荷載的5%，當施加荷載達到極限荷載的80%后，荷載級差調(diào)整為2%。每級持荷時間為1 min。依據(jù)試驗過程中各儀表讀數(shù)出現(xiàn)突變，判定試件臨界破壞狀態(tài)。

2 試驗結(jié)果

2.1 試驗現(xiàn)象

1) ZJD-A。加載初期，試件各部位受力不大，各處應變片數(shù)值均較小。隨著荷載逐級增加，應變值隨之增大。加載至350 kN時，試件有輕微響聲。加載至后期，部分測點進入屈服階段，但測點處的塑性區(qū)域發(fā)展緩慢，塑性區(qū)域沒有連通，塑性變形很小。整個試驗過程中，桿件及連接板沒有明顯現(xiàn)象，螺栓在拉壓荷載作用下，有部分滑移，伴隨輕微響聲，主管與連接板焊縫完好。節(jié)點整體性好，在設計荷載作用下，試件處于彈性狀態(tài)，后期超加載階段，試件亦沒有明顯變形，焊縫完好無損，無裂紋產(chǎn)生，表明節(jié)點有較大富裕量，安全可靠。

2) ZJD-B。加載至78 kN時，加載裝置沒有頂緊，試件有輕微響聲。加載后期，雖然部分測點已進入屈服階段，但測點處的塑性區(qū)域發(fā)展緩慢，塑性區(qū)域沒有連通，塑性變形很小。加載至406 kN時，由于受拉端板變形，位移計表針與端板脫開。整個試驗過程中，桿件及連接板沒有明顯現(xiàn)象，螺栓在拉壓荷載作用下，有部分滑移，伴隨輕微響聲，主管與連接板焊縫完好。在設計荷載作用下，試件處于彈性狀態(tài)，后期超加載階段，試件亦沒有明顯變形，焊縫完好無損，無裂紋產(chǎn)生。

3) ZJD-C1。隨著荷載逐級增加，應變值隨之增大。在設計荷載加載階段，桿件及連接板無明顯現(xiàn)象，螺栓有滑移，伴隨輕微響聲，孔壁有磨損，如圖3 (a)所示。加載至535 kN時，受拉桿連接端板四角開始翹曲，進入屈服，如圖3 (b)所示；加載至660 kN時，在拉、壓荷載作用下節(jié)點區(qū)受力不平衡，試件整體上拱明顯；雖然部分測點已進入屈服階段，但測點處的塑性區(qū)域發(fā)展緩慢，塑性區(qū)域沒有連通，塑性變形很?。恍遁d階段試件有較大響聲。后期超加載階段，受拉桿連接端板四角翹曲，彎曲變形明顯；桿件及連接板沒有明顯現(xiàn)象，焊縫完好無損，無裂紋產(chǎn)生。

圖3試驗現(xiàn)象

4) ZJD-C2。加載至550 kN時，受拉端板開始屈服；加載至650 kN時，試件整體上拱，受拉桿連接端板四角翹曲，彎曲變形明顯,如圖3 (b)所示；加載至720 kN時，受壓桿T型插板有輕微變形，開始屈曲，但現(xiàn)象并不明顯,如圖3 (c)所示；加載后期，由于拉、壓桿節(jié)點角度及荷載大小不一，節(jié)點區(qū)受力不平衡，試件整體上拱明顯；雖然部分測點已進入屈服階段，但測點處的塑性區(qū)域發(fā)展緩慢，塑性區(qū)域沒有連通，塑性變形很小。整個試驗過程中，主管與連接板焊縫完好，后期超加載階段，受壓T型插板有輕微變形，但現(xiàn)象并不明顯；節(jié)點板沒有明顯變形，焊縫完好無損，無裂紋產(chǎn)生。

5) LJD-A。隨著荷載逐級增加，應變值隨之增大。在設計荷載加載階段，桿件及連接板無明顯現(xiàn)象，螺栓有滑移，伴隨輕微響聲。加載至290 kN時，在拉、壓荷載作用下節(jié)點區(qū)受力不平衡，試件整體上拱；加載至340 kN時，試件有較大響聲。整個試驗過程中，桿件沒有明顯現(xiàn)象，螺栓在拉壓荷載作用下有部分滑移，節(jié)點板沒有明顯變形，焊縫完好無損，無裂紋產(chǎn)生。

2.2 節(jié)點板等效應力分析

將試件在各級荷載下的Mises等效應力繪成曲線，以直觀反映連接板周圍的應力分布規(guī)律和發(fā)展情況。圖4～8為五個試件連接板上的Mises等效應力分布圖，可清晰反映連接板不同位置處等效應力的分布和增長。

1) ZJD-A。由圖4可以看出，ZJD-A節(jié)點連接板區(qū)域的應力分布復雜，沿拉、壓端力線方向的等效應力較大，增長較快，加載至最大荷載時，等效應力約240 MPa，基本處于彈性狀態(tài)；在受拉、受壓端連接板邊緣位置的等效應力較小，一直處于彈性狀態(tài)。加載至后期荷載較大，系統(tǒng)不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)有回彈跳躍。

圖4 ZJD-A荷載應變曲線

2) ZJD-B。ZJD-B節(jié)點試件為K型節(jié)點，節(jié)點在拉壓荷載作用下不平衡，連接板區(qū)域的應力分布復雜。由圖5可以看出，沿受壓端力線方向及受拉端連接板邊緣位置的等效應力較大，增長較快，加載至最大荷載時，等效應力約280 MPa，部分已進入塑性；在受壓端連接板邊緣位置的等效應力較小，處于彈性狀態(tài)。

圖5 ZJD-B荷載應變曲線

3) ZJD-C1。由圖6可以看出，ZJD-C1節(jié)點在加載初期，沿受拉端力線方向的等效應力較大，增長較快，加載至380 kN左右時，沿受壓端力線方向的等效應力較大，但基本處于彈性狀態(tài)；受壓端連接板邊緣位置的等效應力最大，增長較快，加載至最大荷載時，等效應力約230 MPa，均未屈服。整個加載過程中，拉、壓荷載不均衡、不穩(wěn)定，曲線沒有明顯規(guī)律。

圖6 ZJD-C1荷載應變曲線

4) ZJD-C2。由圖7可以看出，ZJD-C2節(jié)點連接板區(qū)域的應力分布復雜，沿拉、壓端力線方向的等效應力較大，增長較快，加載至最大荷載時，受壓端沿力線方向局部進入塑性，受拉端沿力線方向的等效應力約240 MPa，處于彈性狀態(tài)；在受拉、受壓端連接板邊緣位置的等效應力較小，一直處于彈性狀態(tài)，均未屈服。

圖7 ZJD-C2荷載應變曲線

5) LJD-A。由圖8可以看出，LJD-A節(jié)點在加載初期，沿受拉端力線方向的等效應力較大，增長較快，加載至110 kN左右時，沿受壓端力線方向的等效應力較大，但基本處于彈性狀態(tài)；受拉端連接板邊緣位置的等效應力最大，增長較快，加載至最大荷載時，等效應力約310 MPa，部分區(qū)域已屈服。整個加載過程中，拉、壓荷載級不均衡、不穩(wěn)定，曲線沒有明顯規(guī)律。

圖8 LJD-A荷載應變曲線

2.3 桿件及連接板變形

為研究試件關鍵位置的變形，以主桿和連接板的荷載-位移曲線說明其變化情況。

1) ZJD-A。由圖9(a～c)可知，在加載初期，受拉加載端及各連接部位有間隙，受拉端板位移增加較快，中期有回彈現(xiàn)象，加載至后期趨于穩(wěn)定，端板最大拉伸位移不足10 mm(圖9(a))；連接板面外方向，由于加載過程中的輕微振動及拉、壓荷載不平衡等干擾因素，數(shù)值離散，常有回彈反號現(xiàn)象，沒有明顯規(guī)律；主桿跨中豎向位移隨荷載值的增加而逐漸增大，最大約18 mm。

圖9 荷載位移曲線

2) ZJD-B。由圖9(d～f)可知，加載初期，受拉端板位移增加較快，在出現(xiàn)回彈現(xiàn)象后，位移隨荷載增加逐漸增大，端板最大拉伸量約18 mm；連接板面外方向，由于加載過程中的輕微振動及拉、壓荷載級不平衡等干擾因素，加載初期有回彈現(xiàn)象，后期趨于穩(wěn)定，面外變形值較小約3 mm；主桿跨中豎向位移在達到最大值9 mm后，出現(xiàn)回彈現(xiàn)象。

3) ZJD-C1。由圖9(g～i)可知，加載初期，受拉端板有反號現(xiàn)象，在中期發(fā)展趨于穩(wěn)定，位移隨荷載的增加逐漸增大，在加載后期受拉端板四角有翹曲變形，其拉伸變形值增加較大約70 mm；拉、壓荷載級較均衡，回彈現(xiàn)象基本沒有，面外變形值最大約12 mm；主桿跨中豎向位移在加載初期有反號現(xiàn)象，后期發(fā)展穩(wěn)定，最大約9 mm。

4) ZJD-C2。由圖9(j～l)可知，加載初期，受拉端板有反號現(xiàn)象，在中期發(fā)展趨于穩(wěn)定，位移隨荷載的增加逐漸增大，在加載后期受拉端板四角有翹曲變形，其拉伸變形值增加較大約110 mm；連接板面外變形值隨荷載的增加而逐漸增大，由于拉、壓荷載級較均衡，回彈現(xiàn)象基本沒有，面外變形值最大約15 mm；主桿跨中豎向位移在加載初期有回彈現(xiàn)象，后期發(fā)展穩(wěn)定，最大約5 mm。

5) LJD-A。由圖9(m～o)可知，加載初期，受拉端板有反號現(xiàn)象，中期發(fā)展趨于穩(wěn)定，位移隨荷載的增加逐漸增大，在加載后期受拉端板四角有翹曲變形，其拉伸變形值約20 mm；連接板面外變形值隨荷載的增加而逐漸增大，由于拉、壓荷載級較均衡，回彈現(xiàn)象相對較小，面外變形值最大約10 mm；主桿跨中豎向位移隨荷載值的增加而逐漸增大，最大約20 mm。

3 結(jié) 論

通過750 KV格構式構架管節(jié)點的足尺試驗研究，可得到以下結(jié)論：

1) 在設計荷載作用下，桿件及連接板無明顯現(xiàn)象，均處于彈性工作狀態(tài)；在超加載階段，桿件沒有明顯現(xiàn)象，連接板個別部位進入塑性，但屈服區(qū)域較小，且發(fā)展緩慢。

2) 在超加載階段，T型插板沒有明顯現(xiàn)象，有較大富裕量，且優(yōu)化后的連接板與插板剛度有明顯差異，設計中可對插板厚度適當優(yōu)化，以減小用鋼量。

3) 連接板厚度由原設計14 mm減小到10 mm后，試驗過程中表現(xiàn)良好，無明顯現(xiàn)象，焊縫完好無損，優(yōu)化后的節(jié)點安全可靠，可滿足工程設計要求。

4) 試驗過程中由于拉、壓加載不同步，試件節(jié)點受力不平衡，經(jīng)常出現(xiàn)回彈或反號現(xiàn)象，但各組試件應力及變形發(fā)展趨勢基本一致。

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