变电站构架钢柱帽有限元简化分析模型探讨

杨伟张羽夏坚

(1．福建省建筑科学研究院福建福州350025;2．福建省绿色建筑技术重点实验室福建福州350025)

变电站构架钢柱帽有限元简化分析模型探讨

杨伟1，2张羽1，2夏坚1，2

(1．福建省建筑科学研究院福建福州350025;2．福建省绿色建筑技术重点实验室福建福州350025)

采用MIDAS/GEN软件建立了某变电站构架柱头钢柱帽的三种分析模型，即“一字型”“工字型”和“多尺度”3种有限元分析模型，对终端构架(无地线柱)、中间构架和终端构架(有地线柱)三种构架，分别采用以上3种模型分析其在风荷载和导线张力作用下的受力和变形情况。针对3种构架型式，将两种简化模型与多尺度模型的模拟结果进行对比分析，可以发现:对于终端构架(无地线柱)和中间构架型式，两种简化分析模型与多尺度分析模型在整体受力和变形方面均可保持基本一致;但对于终端构架(有地线柱)型式，“一字型”简化模型得到的内力和变形与多尺度模型分析结果偏差较大，而“工字型”简化模型分析结果与多尺度模型分析结果则基本接近。建议:对于带有地线柱的构架应采用“工字型”简化模型进行计算分析，无地线柱构架可采用“一字型”简化模型进行计算分析，以提高工作效率。

变电构架;多尺度有限元法;简化模型

0 引言

随着有限元技术的迅速普及，工程非线性计算已经得到了迅猛发展。目前结构计算模型和方法主要有:杆系模型，实体模型。其中，杆系模型难以追踪构件和节点的局部塑性失稳和承载力退化的破坏机制;实体模型的计算量巨大，对计算软硬件条件要求高，目前还难以解决计算规模和存储空间的要求。基于以上的原因，多尺度模拟和计算是一个正在迅速发展的热点［1］。多尺度有限元法，即根据结构构件或节点的复杂程度和破坏过程中的非线性程度，选择适当尺度的分析模型，并实现不同尺度模型之间的协同计算。通过选择合适的连接方式，使得宏观尺度模型与微观尺度的协同计算，则可更好把握结构的整体受力特征和微观破坏过程，从而能更好理解、把握结构的性能。

多尺度计算近年来已经在多个领域得到广泛应用［2－6］，它是在精度和计算代价之间的一个均衡解决途径。本文以某实际变电站构架作为研究案例，利用MIDAS/GEN软件对该构架采用多尺度方法进行有限元分析，并主要探讨其简化分析方法的合理性。

1 工程概况

某变电站110kV构架共6个子结构，均为单层单跨排架结构，竖向支承构件为钢筋混凝土环形杆组成的人字柱，柱顶标高均为10．0m，横梁均为格构式钢梁，现状构架总貌，如图1所示。

图1 构架实际分布情况

2 有限元模拟分析模型

根据工程结构分布特点及其对称性，采用MIDAS/GEN软件建立了3个构架模型进行有限元分析，即终端构架(无地线柱)、终端构架(有地线柱)和中间构架，建立的整体有限元分析模型，如图2所示。计算考虑的荷载包括构架自重、风荷载(WX、WY)及导线张力(DX)。材料强度:混凝土材料等级C30，钢材强度等级为Q235。

图2 构架整体有限元模型

2．1MIDAS/GEN多尺度计算模型

在MIDAS/GEN中，节点顶板、加劲板以及距顶板300mm以内的环形混凝土柱柱头部分均采用板单元模拟，各类板单元间采用共用节点的方式连接;建立的钢柱帽多尺度有限元模型(以下简称为“多尺度模型”)，如图3所示。混凝土环形柱的板单元柱头与梁单元柱身间采用MIDAS软件提供的刚性连接耦合节点各向平动及转动;桁架与顶板间采用刚性连接约束桁架上弦杆端的各项平动及梁轴线方向上的扭转;地线柱竖杆底部与顶板间采用刚性连接耦合节点各向平动及转动。添加的刚性连接方式，如图4所示。

图3 钢柱帽节点多尺度模型

图4 刚性连接

2．2MIDAS/GEN简化计算模型

由于建立多尺度模型，虽计算结果更加接近实际，但在实际变电站项目中，节点构造复杂、个数较多，均采用上述方法建模效率较低。因此，根据该节点的受力特点，设计了两种柱头节点(钢柱帽)的简化建模方式，即“一字型”刚性杆简化模型和“工字型”刚性杆简化模型，如图5～图6所示。

图5 “一字型”简化模型

图6 “工字型”简化模型

3 数值模拟结果

3．1终端构架(无地线柱)分析结果

3．1．1人字柱内力及变形结果

由图7～图9给出了各荷载工况下人字柱内力及变形结果。从图中数据可知，“一字型”“工字型”两种简化模型与“多尺度”模型在各工况作用下计算得到的弯矩和轴力均较为一致，在风荷载(WX、WY)和导线张力荷载(DX)作用下弯矩最大误差为5．9％，轴力最大误差仅为0．5％。同样，由图9中数据可知，各工况荷载作用下，两个简化模型与多尺度模型柱头变形结果亦基本接近，最大误差为6．2％。

3．1．2钢梁最大应力及变形结果

由图10～图11给出了各荷载工况下钢梁最大应力及变形结果。从图中数据可知，“一字型”简化模型和“工字型”简化模型与“多尺度”模型计算得到应力最大误差仅为0．2％，变形最大误差为6．2％。

3．2中间构架分析结果

3．2．1人字柱内力及变形结果

由图12～图14给出了各荷载工况下人字柱内力及变形结果。从图中数据可知，两种简化模型与“多尺度”模型计算得到的弯矩最大误差为5．6％，轴力最大误差为1．2％。同样，由图14中数据可知，各工况荷载作用下，两种简化模型与多尺度模型柱头变形结果最大误差为8．1％。

3．2．2钢梁最大应力及变形结果

由图15～图16给出了各荷载工况下钢梁最大应力及变形结果。从图中可知，各模型计算得到的最大应力和变形均较为一致，钢梁最大应力误差仅为0．2％，跨中变形最大误差为7．6％。

图7 人字柱弯矩结果对比(单位:kN·m)

图8 人字柱轴力结果对比(单位:kN)

图9 人字柱柱头位移对比(单位:mm)

图10 钢梁最大应力结果(单位:N/mm2)

图11 钢梁跨中变形结果对比(单位:mm)

图12 人字柱弯矩结果对比(单位:kN·m)

图13 人字柱轴力结果对比(单位:kN)

图14 人字柱柱头位移对比(单位:mm)

3．3终端构架(有地线柱)分析结果

3．3．1人字柱内力及变形结果

由图17～图19给出了各荷载工况下人字柱内力及变形结果。从图中数据可知，“工字型”简化模型与“多尺度”模型计算得到的弯矩和轴力较为一致。“一字型”简化模型计算结果与多尺度模型分别在X方向风荷载(WX)和导线张力(DX)荷载作用下计算得到的弯矩和轴力均可保持基本一致，在Y方向风荷载(WY)作用下有一定的误差;同样，在Y方向风荷载(WY)作用下，“一字型”简化模型与多尺度模型柱头变形亦有一定误差，最大误差为4．9％。

图15 钢梁最大应力结果(单位:N/mm2)

图16 钢梁跨中变形结果对比(单位:mm)

图17 人字柱弯矩结果对比(单位:kN·m)

3．3．2钢梁最大应力及变形结果

由图20～图21给出了各荷载工况下钢梁最大应力及变形结果。从图中数据可知，“一字型”和“工字型”简化模型与“多尺度”模型计算得到应力和变形最大误差分别为0．6％和8．4％。

图18 人字柱轴力结果对比(单位:kN)

图19 人字柱柱头位移对比(单位:mm)

图20 钢梁最大应力结果(单位:N/mm2)

图21 钢梁跨中变形结果对比(单位:mm)

3．3．3地线柱应力及变形结果

由图22～图23给出了各荷载工况下钢梁最大应力及变形结果。从图中可知，“工字型”模型与“多尺度”模型计算得到应力和变形较为一致。但“一字型”模型与“多尺度”模型分别在WY风荷载和DX导线荷载作用下计算得到的应力和变形误差均较大，误差最大值分别达到18．3％和30．8％。

图22 地线柱最大应力结果(单位:N/mm2)

图23 地线柱顶变形结果对比(单位:mm)

3．4钢柱帽应力结果

通过柱头节点处精细化模型(多尺度模型)，可以得到钢柱帽顶板、加劲板的详细应力情况。以下给出了包络工况下无地线柱终端构架钢柱帽的应力云图，如图24～图31所示。由图可知，钢柱帽顶板有效应力Seff为188．45MPa，最大剪应力Max－shear为105．49MPa。其它加劲板所受剪应力均较小。

图24 Sxx应力(单位:MPa)

图25 Syy应力(单位:MPa)

图26 Szz应力(单位:MPa)

图27 Sxy应力(单位:MPa)

图28 Syz应力(单位:MPa)

图29 Sxz应力(单位:MPa)

图30 有效应力Seff (单位:MPa)

图31 最大剪应力Max－shear (单位:MPa)

4 结论

(1)多尺度模型可较为准确模拟结构的整体变形和内力，且能够得到柱头钢柱帽的局部应力水平，模拟结果更能反应实际受力状态，但建模繁琐，工作量大，效率低。

(2)“工字型”简化模型与多尺度模型在不同构架型式下，均可得到较为一致的内力和变形。“一字型”简化模型对于无地线柱的构架亦可得到与多尺度模型的较为一致的内力和变形;对于有地线柱的构架，地线柱的内力及变形计算结果误差较大，但对人字柱计算结果影响较小。

(3)对于钢柱帽节点构造符合规范要求的构架，建议:无地线柱的构架可采用“一字型”刚性杆简化模型，以提高建模效率;带地线柱的构架应采用“工字型”刚性杆简化模型以避免采用“一字型”简化模型带来较大误差。

［1］陆新征，林旭川，叶列平．多尺度有限元建模方法及其应用［J］．华中科技大学学报(城市科学版)，2008，25(4): 76－79．

［2］丁幼亮，李爱群，缪长青，等．大跨桥梁结构损伤诊断与安全评估的多尺度有限元模拟研究［J］．地震工程与工程振动，2006，26(2):66－72．

［3］薛禹群，叶淑君，谢春红，等．多尺度有限元法在地下水模拟中的应用［J］．水利学报，2004，35(7):7－13．

［4］周妍．多尺度有限元法在复合材料液态成型模拟中的应用［D］．武汉:武汉理工大学，2009．

［5］孙正华，李兆霞，陈鸿天，等．考虑局部细节特性的结构多尺度模拟方法研究［J］．特种结构，2007，24(1):71－75．

［6］石永久，王萌，王元清．基于多尺度模型的钢框架抗震性能分析［J］．工程力学，2011，28(12):20－25．

Discussion of Simplified Finite Element Analysis Model of Steel Column Cap in Substation Structure

YANG Wei1，2ZHANG Yu1，2XIA Jian1，2
(1．Fujian Academy of Building Research，Fuzhou 350025; 2．Fujian Provincial Key Laboratory of Green Building Technology，Fuzhou 350025)

Three kinds of analysis models of column cap in a substation were established by using MIDAS/GEN software，namely"onetype"，"H－type"and"multi－scale"three kinds of finite element analysis model．The stress and deformation of the three kinds of structures，which were the terminal frame(without the ground column)，the middle frame and the terminal frame(with the ground column)，were analyzed under the action of wind load and wire tension in three models．By comparing the simulation results of two kinds of simplified models with multi－scale models，it could be found that the two simplified analytical models and the multi－scale analysis model could maintain the basic consistency in the whole stress and deformation for the terminal frame(without the ground column)and the intermediate frame type．But for the terminal frame(with the ground column)，the results of internal force and deformation of"one－type"simplified model had large deviation from multi－scale model，while the"H－type"simplified model analytical results were close to the multi－scale model．It is suggested that the substation structure with the ground column should be calculated and analyzed by using the"H－type"simplified model，and the one without ground column can be calculated and analyzed by using the"One－type"simplified model，so as to improve the efficiency of the work．

Substation structure;Multi－scale finite element method;Simplified model

TU3

:A

:1004－6135(2017)01－0055－05

杨伟(1979．10－)，男，高级工程师。

E-mail:ywluck@qq．com

2016－10－17