750kV變電構(gòu)架柱頭節(jié)點靜力性能試驗研究

楊 超，楊俊芬，閆西峰，胡盼盼，張廣平，奚增紅

（1.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院， 陜西 西安 710055； 2.甘肅省電力設(shè)計院， 甘肅 蘭州730050）

人字柱變電構(gòu)架，如圖1(a)所示，以其受力明確、風(fēng)壓體型系數(shù)小、構(gòu)件數(shù)量少、安裝速度快、制作和運輸方便以及節(jié)省占地面積等優(yōu)點而成為國內(nèi)500 kV以上變電構(gòu)架中應(yīng)用最為廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式[1]．相比傳統(tǒng)構(gòu)架，750 kV特高壓變電構(gòu)架的高度、跨度及荷載水平均比較高，其構(gòu)架結(jié)構(gòu)的合理選型是保證變電站設(shè)計達(dá)到“安全適用、經(jīng)濟(jì)合理”的重要前提條件之一．研究和實踐表明[2]，鋼管混凝土構(gòu)件作為一種較為合理的構(gòu)件形式可以很好地發(fā)揮鋼材和混凝土的材料特性和潛力，一般都有很好地經(jīng)濟(jì)性．已有的經(jīng)濟(jì)性分析表明[3-4]，人字形鋼管混凝土構(gòu)架用于750 kV變電站工程將有效減小構(gòu)架柱的截面尺寸、降低單件吊裝構(gòu)件自重，相比其它結(jié)構(gòu)形式可降低工程造價約 30 ～40%．

人字柱柱頭節(jié)點，如圖1(b)，作為重要的傳力部件之一將決定整榀構(gòu)架的安全性，同時占用相當(dāng)大一部分用鋼量．目前，人字柱柱頭節(jié)點構(gòu)造要求可以參考《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》DLT 5457-2012[5](以下簡稱《變電規(guī)程》)和《變電構(gòu)架設(shè)計手冊》[6](以下簡稱《手冊》)等規(guī)定，這些構(gòu)造規(guī)定皆依據(jù)電力行業(yè)的設(shè)計經(jīng)驗以及東北電力設(shè)計院和浙江省電力設(shè)計院的試驗結(jié)果確定．近年來國內(nèi)學(xué)者雖然對人字柱頭節(jié)點進(jìn)行了一些研究，但研究領(lǐng)域僅限于純鋼節(jié)點．朱愛珠、郭耀杰等[7]提出了一種螺栓連接的新型構(gòu)架柱柱頭連接，并對節(jié)點進(jìn)行了試驗研究和有限元分析，結(jié)果表明節(jié)點的剛度受豎板厚度影響較大．盧海路[8]和劉廣鵬[9]分別對高強鋼人字柱節(jié)點和普通鋼人字柱節(jié)點進(jìn)行了試驗研究和有限元分析，得到了單調(diào)水平荷載作用下節(jié)點的承載力、破壞模式、受力機理和應(yīng)變分布及變化規(guī)律．目前，國內(nèi)對于鋼管混凝土人字柱柱頭節(jié)點的受力性能還鮮有研究，僅有Huang C等[10]進(jìn)行過在高層斜角網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中類似節(jié)點的試驗研究．

以我國首例750 kV鋼管混凝土人字形變電構(gòu)架結(jié)構(gòu)—甘肅橋灣750 kV變電站工程為背景，對該類節(jié)點進(jìn)行初步設(shè)計和單調(diào)靜力試驗研究，以驗證節(jié)點承載能力和剛度是否滿足工程要求．

1 試驗概況

圖1 人字柱構(gòu)架柱頭節(jié)點Fig. 1 The top-joint of substation truss structures and top-joint

1.1 試件設(shè)計與制作

試件設(shè)計根據(jù)節(jié)點最不利工況的內(nèi)力設(shè)計值，并結(jié)合試驗設(shè)備條件，按考慮頂板和剪切板板厚的不同共設(shè)計了兩個1:2縮尺試件，分別編號為ZT1和ZT2．此外，為考慮圣維南效應(yīng)的影響，試件中柱子長度取值均大于5倍管徑．節(jié)點試件的三維大樣見圖 1，具體的試件加工簡圖見圖 2，縮尺前后試件規(guī)格和設(shè)計荷載見表1．

圖2 試件幾何尺寸Fig. 2 Geometry size of specmens

表1 試件設(shè)計參數(shù)Tab.1 Experimental parameters of specimens

1.2 材性試驗

試驗所用鋼材均為Q345B，焊條為E50型，材性試驗結(jié)果見表2．試件鋼管內(nèi)灌C50商品混凝土，澆筑混凝土的同時一次性制作了2組共6個邊長為100mm的混凝土立方體試塊，自然養(yǎng)護(hù)，28 d實測立方體抗壓強度為49.2 MPa．

表2 鋼材材性Tab.2 Material properties of steel

1.3 加載方案

試驗在西安建筑科技大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與抗震教育部重點實驗室進(jìn)行，為單調(diào)靜力加載試驗，試驗裝置見圖3．

試驗中首先通過豎向千斤頂施加豎向荷載至設(shè)計荷載(120 kN)，再通過一臺50 t MTS電液伺服作動器施加水平單調(diào)荷載至試件破壞，作動器由西向東施加推力，即試件西側(cè)為受拉側(cè)、東側(cè)為受壓側(cè)，下文依此描述．

圖3 試驗裝置圖Fig. 3 Test setup

豎向荷載通過一個固定于滾輪裝置的100 t液壓千斤頂提供，滾輪裝置可實現(xiàn)加載過程中千斤頂?shù)乃揭苿樱疄榕c實際受力接近，試驗中設(shè)計了一個剛度很大的加載頭，加載頭水平力作用線距離節(jié)點頂板0.5 m(與實際桁架梁形心位置接近)，加載頭與柱頂板通過16個10.9級M24高強螺栓緊固，以傳遞水平剪力．豎向荷載也通過該剛性加載頭均勻地傳遞到節(jié)點頂板的受力點上．各試件的設(shè)計荷載見表1，首先采用力控制方式加載到設(shè)計荷載，之后以位移控制方式加載到試件破壞．豎向荷載(120 kN)一次性施加到位，之后的水平加載過程維持此荷載不變．水平荷載采用力控制方式分級加載，每級荷載大小為20 kN，加載到試件屈服．之后為了試驗安全，采用位移控制方式，即每級位移增量步為5 mm，逐級施加水平位移加載到試件破壞．

1.4 測試方案

位移測量布置如圖4所示．柱頂加載點水平位移由磁滯位移計W-1測得，節(jié)點頂板水平位移由位移計 W-2(±150 mm)測得，頂板豎向變形百分表B-3(±50 mm)、B-4(±50 mm)測得．考慮到試驗過程中試件與地梁、地梁與地面間可能出現(xiàn)滑移，在柱腳底板(B-5)與底座(B-6)一側(cè)分別布置 1個量程為30 mm的電子百分表，精度為0.01 mm．

圖4 測量裝置布置Fig.4 Arrangement of measuring units

圖5 應(yīng)變片布置Fig. 5 Arrangement of strain gauges

應(yīng)變測點布置如圖5所示．鋼管監(jiān)控點：檢驗試驗加載的準(zhǔn)確性、有效性，同時測量鋼管主要受力區(qū)域應(yīng)力發(fā)展情況，布置32個應(yīng)變片、4個應(yīng)變花．頂板監(jiān)控點：測量加載過程中頂板主要區(qū)域應(yīng)力發(fā)展情況，布置6個應(yīng)變花．剪切板監(jiān)控點：測量加載過程中剪切板主要區(qū)域應(yīng)力發(fā)展情況，布置3個應(yīng)變花．

2 試驗過程及破壞特征

當(dāng)ZT1和ZT2兩試件在加載至設(shè)計荷載 140 kN時，兩試件在外觀上幾乎沒有任何變化．此時，由位移計W-2顯示的ZT1和ZT2試件柱頂位移分別為6.94和8.06 mm，遠(yuǎn)小于規(guī)程[5]規(guī)定的H/200 =11.88 mm (H為構(gòu)架柱高度，此處為2 375 mm)，滿足工程要求．此后繼續(xù)加載，當(dāng)水平荷載加載到160～180 kN時，受拉側(cè)(西柱)柱腳軸向應(yīng)變達(dá)到屈服；當(dāng)加載到200～220 kN時，受壓側(cè)(東柱)柱腳軸向應(yīng)變達(dá)到屈服；當(dāng)加載240～260 kN時，受拉側(cè)柱(東柱)中位置軸向應(yīng)變達(dá)到屈服；當(dāng)加載到約300 kN時，受拉側(cè)柱頂位置軸向應(yīng)變達(dá)到屈服，這也說明此刻受拉一側(cè)柱子鋼管管壁屈服范圍已經(jīng)從柱腳蔓延到柱頂位置，此時也觀察到受壓側(cè)柱腳微微鼓曲．

在位移加載后期，ZT1試件在加載到260 mm位移時，因達(dá)到豎向千斤頂滾動裝置最大位移而停止加載，試件因殘余變形而傾斜嚴(yán)重，此時下柱底部受壓一側(cè)鋼管管壁明顯鼓曲(如圖 6(a)所示)，同時剪切板與鋼管之間的焊縫處有裂紋出現(xiàn)(如圖6(b)所示)，但節(jié)點區(qū)域各板件未見明顯變形和屈服．對ZT2試件，當(dāng)水平位移達(dá)到248 mm時，西柱柱腳熱影響區(qū)鋼管管壁突然拉斷(圖 7(a))，停止加載，此時下柱底部受壓一側(cè)鋼管管壁亦明顯鼓曲，如圖7(b)所示，試件因殘余變形而傾斜嚴(yán)重，剪切板與鋼管之間的焊縫完好無裂紋，節(jié)點區(qū)域各板件亦無明顯變形．

圖6 試件ZT1破壞形態(tài)Fig. 6 Failure pattern of ZT1 specimen

試驗結(jié)束后切開鋼管對內(nèi)填混凝土裂縫進(jìn)行觀測可知：兩試件內(nèi)填混凝土裂縫分布特征基本一致，受拉柱(西柱)內(nèi)填混凝土出現(xiàn)沿整個柱子密集分布的環(huán)向裂縫，西柱柱頂剪切板底部對應(yīng)位置出現(xiàn)寬度較大的貫通裂縫，裂縫寬度約5 mm；東柱柱腳位置混凝土局部壓碎、柱頂剪切板處有微裂紋出現(xiàn)，而節(jié)點區(qū)域混凝土完好無裂縫，分別如圖6(c)、(d)和圖 7(c)、(d)所示．

圖7 試件ZT2破壞形態(tài)Fig. 7 Failure pattern of ZT2 specimen

綜上，ZT1和ZT2試件加載到其設(shè)計荷載時，兩試件的承載力和變形均滿足規(guī)范要求，滿足工程設(shè)計的需求．最終，兩試件的破壞形態(tài)為非節(jié)點區(qū)桿件破壞，而節(jié)點區(qū)板件未見明顯變形或材料屈服，且內(nèi)填混凝土完好無裂縫．總體上，兩種構(gòu)造形式均可滿足“強節(jié)點弱桿件”的設(shè)計原則．值得注意的是，試驗觀察到剪切板較薄的ZT1試件剪切板與鋼管之間的焊縫處出現(xiàn)明顯的裂紋，而剪切板較厚的ZT2試件卻無此現(xiàn)象出現(xiàn)．為避免變形過大時剪切板與鋼管管壁之間焊縫出現(xiàn)裂紋，建議設(shè)計時剪切板厚度宜在規(guī)程[5]規(guī)定的“不低于管壁厚度”基礎(chǔ)上適當(dāng)加厚，可參考ZT2試件取為20 mm．

3 主要試驗結(jié)果及分析

3.1 荷載-位移曲線

試驗測得的荷載-位移曲線如圖8所示．由于材料的非線性，荷載-位移曲線往往沒有明顯的屈服點．目前，國際上暫無確定屈服位移的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，存在多種不同的方法[11-13]，本文選用易于操作的通用屈服彎矩法[13]，具體計算結(jié)果見表3．

圖8 荷載—位移曲線Fig. 8 Load vs. displacement curves

根據(jù)圖8和表3可知，兩試件加載到設(shè)計荷載時，節(jié)點尚處于彈性階段，求得的屈服荷載約為設(shè)計荷載的2倍，最大荷載為屈服荷載的1.3倍，且具有相當(dāng)長的塑性變形段，當(dāng)達(dá)到最大加載能力時荷載仍然沒有特別明顯下降的趨勢．可見，在最不利荷載工況下，按照本文的兩種構(gòu)造方法進(jìn)行設(shè)計的柱頭節(jié)點均可滿足工程要求，并具有較大的強度儲備和延性．

表3 試件試驗結(jié)果Tab.3 Experimental results of specimens

3.2 應(yīng)變分析

3.2.1 鋼管管壁應(yīng)變

試件鋼管管壁受拉和受壓側(cè)荷載與 Von Mises等效應(yīng)變的關(guān)系曲線如圖9所示．總體上來看，ZT1和 ZT2試件的受拉側(cè)與受壓側(cè)柱頂處應(yīng)力發(fā)展水平基本一致，但各試件受拉側(cè)應(yīng)變水平明顯高于受壓側(cè)．究其原因，ZT1和ZT2試件的破壞形態(tài)為非節(jié)點區(qū)鋼管拉斷、桿件彎曲、柱腳鼓曲，呈強節(jié)點破壞特征．外力做功所產(chǎn)生的能量主要在節(jié)點以外柱子管壁和內(nèi)填混凝土處消耗，表現(xiàn)為受拉側(cè)鋼管管壁應(yīng)變由柱腳至柱頂幾乎全部達(dá)到屈服，受壓側(cè)由柱底到柱中位置部分達(dá)到屈服，且柱腳嚴(yán)重鼓曲．能量在受拉側(cè)被整個柱段所消耗，而受壓側(cè)僅僅在柱腳位置消耗，因此在整個加載過程中受拉側(cè)柱頂位置鋼管受拉側(cè)應(yīng)變水平明顯高于受壓側(cè)．此外，當(dāng)達(dá)到設(shè)計荷載時，兩試件柱頂位置的應(yīng)變值均處于彈性狀態(tài)，滿足工程設(shè)計的需要．

圖9 柱頂管壁荷載—等效應(yīng)變曲線Fig. 9 Load vs. the strain on tube top curves

3.2.2 剪切板應(yīng)變

剪切板各測點的荷載與 Von Mises等效應(yīng)變的關(guān)系曲線如圖10所示．

圖10 剪切板荷載—等效應(yīng)變曲線Fig. 10 Load vs. the strain on share-plate curves

從圖10可以看出：一方面，整個加載過程中，ZT1和ZT2試件的剪切板各測點應(yīng)力水平均很低，遠(yuǎn)處于彈性范圍以內(nèi)，且靠近下方的位置應(yīng)變水平較高；另一方面，對于剪切板厚度相差約1倍的ZT1和ZT2試件來說，兩者的應(yīng)力水平相差卻不大．試驗結(jié)束后沒有觀察到剪切板有明顯的變形．綜上，按照規(guī)程[5]的構(gòu)造要求，即剪切板厚度不低于鋼管管壁厚度的規(guī)定對于鋼管混凝土柱頭節(jié)點來說強度仍然是偏于安全的．但是，試驗觀察到剪切板較薄的ZT1試件在剪切板根部焊縫處出現(xiàn)裂紋，建議設(shè)計時剪切板厚度宜參考ZT2試件的構(gòu)造方法．

3.2.3 頂板應(yīng)變

頂板拉壓兩側(cè)各測點的荷載與Von Mises等效應(yīng)變的關(guān)系曲線如圖11所示．

圖11 頂板荷載—等效應(yīng)變曲線Fig. 11 Load vs. strain on top-plate curves

從圖 11也可以看出：總體上，整個加載過程中各測點應(yīng)力水平較低，遠(yuǎn)在彈性范圍以內(nèi)，在變形滿足要求的情況下還可進(jìn)一步優(yōu)化；對于頂板厚度相差50%的ZT1和ZT2試件來說，兩者的應(yīng)力水平相差卻不大，這是由于節(jié)點彎矩主要靠與頂板相連的各加勁板承擔(dān)，各加勁板相互連接組成一個自身剛度很大剛性體，抗彎和抗剪能力很強，勢必導(dǎo)致頂板變形很小，故ZT1和ZT2的頂板應(yīng)變差別不大．因此，頂板厚度對節(jié)點受力性能影響不明顯，其厚度的取值可以參考現(xiàn)有規(guī)程的規(guī)定．

4 結(jié)論

通過本文的試驗研究，可初步得到如下結(jié)論：

(1) 考慮頂板較厚和剪切板較厚兩種構(gòu)造措施的柱頭節(jié)點件在加載至設(shè)計荷載時，外觀上均無任何變化，各應(yīng)變測點未見屈服，且試件的柱頂位移均滿足《變電規(guī)程》規(guī)定的位移限值．

(2) 考慮頂板較厚和剪切板較厚兩種構(gòu)造措施的柱頭節(jié)點均具有較高的強度儲備和延性，破壞形態(tài)為非節(jié)點區(qū)桿件破壞，而節(jié)點區(qū)鋼板無明顯變形和材料屈服、內(nèi)填混凝土完好無裂縫，均滿足“強節(jié)點弱桿件”的設(shè)計原則．

(3) 試驗觀察到剪切板較薄的ZT1試件的剪切板與鋼管之間的焊縫處有裂紋，而剪切板較厚的ZT2試件卻無此現(xiàn)象出現(xiàn)，建議設(shè)計時可參考ZT2試件的構(gòu)造方法．頂板厚度對節(jié)點受力性能影響不明顯，頂板厚度可參考現(xiàn)行規(guī)程的規(guī)定．

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