Page 27 - 电力与能源2022年第三期

汪 洋, 等: 110kV 变电站钢框架结构的抗火性能 2 7
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折减系数。 Renner 研究了 S275 钢的拉伸性能, 配式建设常用的钢结构主体结构及墙板构件的耐
指出钢材高温下的抗拉强度与应变速率相关。文 火极限不如传统钢筋混凝土及砌体填充墙的, 因
献[ 7 ] 在试验分析的基础上, 给出了高温下钢筋的 此需要研究变电站钢结构的抗火性能, 可为变电
强度拟合公式。文献[ 8 ] 对 16Mn 钢、 SM41 钢及 站抗火防护处理提供参考 [ 9 ] 。
S355 钢等进行了大量的火灾高温试验, 得出高温 本研究( 装配式智能化变电站 110kV-A2-6
下钢材弹性模量的计算公式。 方案) 变电站钢框架整体结构如图 1 所示, 是一个
钢结构的抗火研究主要有两种方法, 一种是 两层十榀的大型钢框架结构。钢框架一层高度
采用同比例缩小尺寸的梁、 柱或节点构件的试验 4.5m , 二层高度 8.0m , 每榀跨度从左至右分别
方法; 另一种是根据构件或结构的实际承载和约 为 6 , 7.5 , 6 , 7.5 , 6 , 7.5 , 6 , 5 , 5m , 钢架最大跨度
束工况, 应用有限元理论, 采用商用有限元软件进 19m 。结构柱采用宽翼缘 H 型钢, 框架主梁采用
行等效模拟。两种研究方法各有利弊: ① 试验研 中翼缘 H 型钢, 次梁采用窄翼缘 H 型钢, 具体的
究方法得到的结论只能适用于特定形式和工况下 材料尺寸及钢材等级见表 1 。
的结构设计, 不具有普遍适用性, 并且试验环境与
实际应用环境的偶然影响因素较为复杂, 不能保
证试验工况能够有效模拟, 但是试验研究具有易
于操作和学习的优点; ② 有限元计算模拟方法适
用于绝大部分的钢结构抗火设计研究, 无论研究
的对象是构件亦或是结构整体, 通过分析构件或
结构实际工况下的荷载及约束情况, 定义使用材
料的性能和边界条件, 就可以有效模拟分析结构
图 1 变电站钢框架整体结构
的性能。 表 1 钢结构材料表
建筑结构抗火, 尤其是抗火性能较差的钢结 名称 尺寸 / mm 钢材
构, 是一个特别需要关注的问题。变电站结构, 关 GZ HW400×400×13×21 Q345
乎一个地区或城市的用电安全, 影响区域经济健 GL1 HM488×300×11×18 Q345
康发展和社会稳定和谐。因此, 变电站钢结构的 GL2 HM390×300×10×16 Q345
抗火性能更需要深入研究, 首先研究钢结构抗火 GL3 HN300×150×6.5×9 Q345
的材料参数、 火源模式等; 然后采用热结构耦合方 2 热结构耦合方法
式研究不同工况下的温度场、 结构变形、 力学性
能, 并对耐火极限进行分析。 采用大型通用有 限 元 软 件 ANSYS , 采 用 热
结构耦合方法研究钢结构的抗火性能。 ANSYS
1 研究背景 软件不仅能解决纯粹的热分析问题, 还能解决与
热有关的其他诸多问题, 如热 - 应力、 热 - 电等。将
以现行推广的装配式智能化变电站 110kV-
A2-6 方案为背景, 开展变电站钢框架的抗火计算 这类涉及两个或两个以上的物理场之间的相互作
分析。“ 装配式变电站”, 是指建筑钢构件在工厂 用称为耦合场。耦合场分析的过程依赖于所耦合
预制完成后运输到工地, 利用施工机械装配而成 的物理场, 可分为直接耦合和 顺序耦合 ( 间接耦
的变电站结构。钢结构建筑的抗震能力和预装性 合) 两大类。当进行直接耦合时, 多个物理场( 如
能都很突出, 已被公认为是未来建筑的发展方向。 热 - 电) 的自由度同时进行计算, 适用于多个物理
在变电站领域, 钢结构应用仍处于起步阶段, 在全 场各自的响应互相依赖的情况。间接耦合分析是
国范围内钢结构变电站仅有少量应用实例。装配 以特定的顺序求解单个物理场的模型, 将前一个
式变电站使得变电站建筑物建设模式由传统“ 钢 分析的结果作为后续分析的边界条件。如在热应
筋混凝土框架 + 砌体填充墙 + 现浇钢筋混凝土屋 力分析中, 用户可以先对结构进行热分析, 然后将
热分析所得到的节点温度作为“ 体载荷” 施加到结
面” 现场建造模式, 转变为“ 钢框架 + 成品墙板 +
压型钢板底模混凝土屋面” 的工厂制造模式。装 构的节点上, 求解后就可以得到由于温度分布不