装配式变电站轻型结构钢框架梁柱节点设计与试验研究

摘要

针对我国变电站建设施工技术相对比较落后，标准化体系尚未形成的现状，国家电网公司开展“资源节约型、环境友好型、工业化”的两型—化变电站试点建设，以实现我国变电站向工业化建设方式的转变。本文结合前期“110KV全预制装配式变电站的设计和建造技术研究”的成果，进行多层“轻型结构装配式变电站设计与建造技术研究”，重点开展钢框架梁柱节点设计和试验研究。　　 本文对现有节点形式做出改进，采用方钢管作为框架柱，H型钢作为框架梁，提出了适合快速建造需要的带狗骨式短悬臂梁柱节点。该新型节点主要通过对短悬臂翼缘的狗骨式削弱，迫使节点域塑性铰的位置离开脆弱且受力复杂的焊缝而外移至梁上，达到减少节点脆性破坏可能性、提高节点延性的目的。本文采用非线性理论分析、有限元分析、试验研究相结合的方法，对新型节点的受力特性和抗震性能进行了比较系统的分析与研究。　　 利用非线性有限元程序ANSYS，分别对普通节点和新型节点进行了单向静力加载和低周反复加载下的模拟分析，探讨了新型节点的应力分布规律、梁端塑性铰外移的有效性，以及滞回性能、极限承载能力和节点破坏模式等。有限元分析结果表明，新型节点是一种有效的节点延性增强形式，在 相对普通节点降低约15％极限承载力的前提下显著提高节点的抗震性能，具有良好的延性和耗能性能。　　 对普通节点和新型节点进行拟静力试验研究，两种节点的悬臂段与框架梁模拟现场施工条件，均采用栓焊连接。试验结果验证了有限元分析对新型节点抗震性能的研究结论。试验结果表明，新型节点较普通节点的极限承载力下降约12％。新型节点试件的滞回曲线丰满，滞回环面积比较大：而普通节点试件的滞回曲线显得扁长、不丰满。新型节点的塑性转角大于0.04rad，延性系数大于5.0，达到了抗弯钢框架节点塑性转角不小于0.03rad，延性系数不小于4.0的要求。分析结果表明，新型节点可以使翼缘上应力峰值从梁根部的焊缝移至悬臂削弱处，降低了焊缝发生脆性破坏的可能性，并达到塑性铰位置向悬臂段中部偏移的目的。试验结果还验证了狗骨式削弱不会影响悬臂梁段与框架梁栓焊连接的受力性能。　　 提出一些对工程设计和施工具有一定参考价值的结论与建议，同时也提出了一些有待进一步探讨的问题。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 选题背景及来源

1.1.1 多层装配式变电站结构

1.1.2 多层钢框架变电站结构的研究重点

1.1.3 梁柱节点在结构设计中的重要性及其研究的工程意义

1.2 钢框架梁柱节点的类型

1.3 国内外研究现状

1.4 本文的研究内容及意义

2 带狗骨式短悬臂钢框架梁柱节点设计

2.1 目前规范对节点设计的基本要求

2.1.1 强柱弱梁的规定

2.1.2 节点域的规定

2.1.3 连接承载力的规定

2.1.4 节点转动能力的规定

2.1.5 梁柱节点刚性连接的构造要求

2.1.6 梁柱节点刚性连接的分析计算方法

2.2 狗骨式节点设计

2.2.1 狗骨式节点的设计原理

2.2.2 梁截面弯剪共同作用理论

2.2.3 截面削弱的弯剪控制设计

2.2.4 美国FEMA推荐狗骨式节点的设计方法

2.2.5 狗骨式节点的设计和构造要求

2.3 带狗骨式短悬臂梁段的梁柱节点设计

3 带狗骨式短悬臂梁柱节点的有限元模拟

3.1 有限元模型的非线性模拟

3.1.1 材料非线性和几何非线性

3.1.2 屈服准则

3.1.3 钢材弹塑性强化本构关系

3.1.4 结构的非线性分析

3.2 节点设计

3.2.1 强柱弱梁验算

3.2.2 结构抗震构造验算

3.2.3 节点削弱参数取值验算

3.2 节点有限元模型的建立

3.2.1 材料本构模型的建立

3.2.2 有限元单元的选取

3.2.3 有限元模型的建立

3.2.3 边界条件和加载方案

3.2.4 求解设定

3.3 节点有限元模型分析

3.3.1 弹性计算结果分析

3.3.2 弹塑性计算结果分析

3.3.3 节点P-△曲线

3.3.4 节点2应力分布和发展规律

3.3.5 循环荷载作用下的滞回曲线

3.4 本章小结

4 带狗骨式短悬臂梁柱节点的抗震试验研究

4.1 抗震试验概述

4.1.1 拟静力试验方法简介

4.1.2 拟静力试验的设备与加载方法

4.1.3 拟静力试验的量测内容

4.2 材性试验

4.3 节点试验

4.3.1 试件设计

4.3.2 加载装置

4.3.3 试验分析内容

4.3.4 加载步骤

4.4 试验破坏特征

4.4.1 节点1试验过程描述

4.4.1 节点2试验过程描述

4.5 试验结果与分析

4.5.1 应力分布

4.5.2 P-△滞回曲线

4.5.3 骨架曲线

4.5.4 刚度退化率

4.5.5 塑性转角和延性系数

4.5.6 试验结论

5 带狗骨式短悬臂梁柱节点的构造设计和安装方案

5.1 新型节点构造设计

5.2 新型节点的安装方案

6 结论与研究展望

6.1 主要结论

6.2 本文研究的不足之处

6.3 研究展望

参考文献

致谢