750kV變電構(gòu)架剛、柔性法蘭設(shè)計優(yōu)化

750kV變電構(gòu)架剛、柔性法蘭設(shè)計優(yōu)化*摘要：以某750kV變電構(gòu)架的剛、柔性法蘭連接節(jié)點設(shè)計條件為依據(jù),應(yīng)用有限元軟件ABAQUS，對壓彎荷載作用下750kV變電構(gòu)架中剛、柔性法蘭進行非線性數(shù)值分析，比較不同法蘭盤厚度的節(jié)點在相同荷載作用下的應(yīng)力分布和受力特點，為法蘭盤的設(shè)計和優(yōu)化提供了理論依據(jù)。法蘭是變電構(gòu)架中鋼管結(jié)構(gòu)常用的連接方式[1]之一，法蘭連接節(jié)點設(shè)計是750kV變電構(gòu)架結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。法蘭一般分為剛性法蘭和柔性法蘭兩種形式[2]。剛性法蘭具有剛度大、承載力高、法蘭盤厚度薄等優(yōu)點，但由于有過多焊縫，易產(chǎn)生焊接變形[3]；柔性法蘭雖然在剛度上不如剛性法蘭，但去掉了加勁肋，使其具有焊接工作量小、加工安裝方便、外形簡潔美觀、法蘭盤平整度容易得到保證等優(yōu)點[4]，但隨著拉力和彎矩的增大，法蘭盤厚度增大非常顯著[5]。750kV變電構(gòu)架的梁、柱計算國內(nèi)現(xiàn)在已經(jīng)形成了一套完整的計算方法并已有專門的設(shè)計規(guī)范，如GB50135—2006《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[6]、DL/T5154—2012《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》[7]等。法蘭板的規(guī)范計算方法較多采用經(jīng)驗系數(shù)或近似公式，文獻[8]指出，現(xiàn)行國家標準[6]和電力行業(yè)標準[7]有關(guān)法蘭連接節(jié)點的設(shè)計方法偏于保守。法蘭盤及其連接件占整個構(gòu)架的比重約10%左右，有必要對法蘭盤厚度進行分析優(yōu)化。依托國內(nèi)某工程750kV變電構(gòu)架中的剛、柔性法蘭連接節(jié)點做法及受力，利用有限元軟件ABAQUS進行非線性有限元分析，得出了不同法蘭盤厚度的節(jié)點在相同荷載作用下的應(yīng)力分布和受力特點，以安全經(jīng)濟為目標，通過與相關(guān)規(guī)范計算結(jié)果對比分析，提出法蘭盤設(shè)計的優(yōu)化1法蘭的節(jié)點設(shè)計某工程750kV變電構(gòu)架中，構(gòu)架柱和梁弦桿分別采用剛性法蘭和柔性法蘭，分別采用φ351×12和φ219×8的圓鋼管，法蘭內(nèi)徑比圓鋼管每設(shè)計計算參照文獻[7]公式。本文主要研究這兩類法蘭在實際荷載作用下的受力情況，應(yīng)用非線性有限元方法進行建模和數(shù)值計算，并與相關(guān)規(guī)范計算結(jié)果進行比較，提出a-剛性法蘭；b-柔性法蘭。圖1法蘭連接節(jié)點示意2有限元模型的建立2.1幾何模型采用ABAQUS軟件單元庫中的C3D8實體單元對法蘭盤連接節(jié)點進行有2.2本構(gòu)模型有限元分析中法蘭連接板采用Q235B鋼，屈服強度為210MPa，管材均采用Q345B鋼，屈服強度為310MPa，泊松比為0.3，假定材料的本構(gòu)關(guān)系為理想彈塑性模型，彈性模量為2.1×105MPa，屈服準則服從vonMises屈服準則。本文研究內(nèi)容沒有考慮焊縫以及殘余應(yīng)力對節(jié)點極限承2.3有限元模型劃分產(chǎn)生節(jié)點和單元。通過多次試算以及對幾何模型的調(diào)整，有限元模型及網(wǎng)格劃分如圖2所示。a-法蘭連接幾何模型;b-法蘭連接網(wǎng)格劃分;c-法蘭端板;d-螺栓網(wǎng)圖2有限元模型及網(wǎng)格劃分2.4約束及荷載施加在法蘭盤主桿底部施加Ux、Uy、Uz3個方向的線位移約束，在法蘭盤主桿頂面圓心位置設(shè)一剛性點，并耦合各方向自由度，用以施加軸力和兩個方向的彎矩，如圖3所示。3有限元分析結(jié)果筆者依托國內(nèi)某750kV變電構(gòu)架實際法蘭盤節(jié)點做法及受力，利用有限元軟件ABAQUS建立三維空間模型，對厚度30，26，22mm3種柱法蘭及厚度28，24mm兩種梁法蘭在不同荷載工況下的受力分別計算，從節(jié)點