构架结构

构架结构（精选7篇）

构架结构 篇1

0 引言

随着我国经济的高速发展, 国家用电负荷的快速增长, 三十多年来我国的电网建设也经历了高速发展。变电站是电网建设中的重要一环, 关系着整个电网的正常运行。构架是变电站最主要、最复杂的构筑物, 而且随着电压等级越高, 构架的重要性和复杂性就越高。

1 国内外变电站构架的结构型式现状[1,2,3]

目前国内外变电站构架的结构型式主要有以下四种:

1) 钢筋混凝土环形杆柱结构, 该结构的主要受力构件是钢筋混凝土环形杆, 现场安装时构件的连接方式均采用螺栓连接或焊接。

2) A型高强度钢管结构, 该结构由高强度单杆式钢管梁和A型钢管构架柱组成, 梁柱之间采用刚接连接。

3) A型普通钢管结构, 该结构由三角形断面的格构式钢梁和A型等普通钢管构架柱组成, 梁柱采用铰接连接。构架柱和构架梁主杆采用普通钢管, 构架柱和构架梁主杆拼接接头采用法兰连接。

4) 格构式钢构架, 该结构由矩形或三角形断面格构式柱和矩形或三角形断面格构式构架梁组成, 构架梁和柱之间采用铰接或刚接连接。依据杆件类型不同又可分为钢管格构式和角钢格构式。

2 变电站构架结构选型分析

2. 1 钢筋混凝土环形杆柱结构

该结构可以简化为桁架结构, 只受轴向方向的力。由于在设计、施工和制作上积累了广泛的经验, 而且混凝土构件不存在防腐这一问题, 使得钢筋混凝土环形杆柱结构在早期变电站构架上使用较为广泛, 但是钢筋混凝土环形柱存在易开裂、难修复、钢箍焊接点难防腐等问题, 而且支座时杆长会有限制。该结构多用于220 k V及以下电压等级的变电站。

总的来说, 钢筋混凝土环形杆结构前期投资较少, 但是后期维护花费较大, 总体费用较大。从全寿命周期分析来看经济性不突出, 目前逐渐被钢管、角钢结构取代。

2. 2 A型高强度钢管结构

该结构的主要特点是钢材强度高, 常用的420 MPa, 520 MPa两种, 截面多为多边形。高强度钢管构架柱节省用钢量, 由于构架梁一般由稳定和扰度起控制作用, 所以高强度钢管构架梁并不节省钢材梁。总体造价略高于普通钢管结构。由于构架梁的跨度一般较大, 所以高强度钢管构架梁的截面尺寸较大, 并不美观。所以高强度钢管构架在国内应用不广, 多用于220 k V架构。

2. 3 A型普通钢管结构

该结构可以简化为排架—桁架的力学模型, 在进行受力计算时只需考虑轴力, 不需要考虑梁柱的共同作用, 在进行现场安装时均采用螺栓的连接方式, 普通钢管结构在进行运输和安装时较为方便, 在防腐方面, 通常对钢构件采取镀锌处理。构架梁主杆通过节点板与腹杆螺栓连接, 包装、运输方便、安装快捷。目前国内220 k V和500 k V变电站的构架多采用这种结构型式。

2. 4 格构式钢结构

该结构根据主杆和腹杆的类型不同可分为钢管格构式和角钢格构式。

钢管格构式构架用钢量较少, 结构主杆采用钢管, 腹杆全采用钢管, 或少量采用角钢。结构主杆采用法兰连接, 结构主杆与腹杆通过节点板螺栓连接。钢管格构式结构材料强度利用率较高, 而且圆形截面风阻较小。但钢管材料较角钢材料单价高, 而且钢管连接的节点板数量多, 不便于包装、运输, 该结构多用于国内750 k V及以上电压等级的构架。

全角钢格构式构架用钢量小, 由较小角钢组成, 构件尺寸小、自重轻, 制作、运输及防腐处理很方便。结构主杆采用角钢拼接连接, 腹杆布置方式灵活多变, 交叉腹杆之间采用单螺栓连接。角钢腹杆与主材之间可直接采用螺栓连接, 大大减少了节点板的数量, 便于长距离运输。缺点是构件数量较多, 所以在现场安装时, 工作量较大, 工期较长。国外500 k V变电站的构架多采用这种结构。

3 变电站架构案例分析

非洲某500 k V变电站的500 k V出线构架, 该出线构架为连续四跨的钢架结构, 每跨32 m, 总长度128 m, 构架梁高度33 m。构架梁导线张力为45 k N, 地线张力为9 k N, 变电站所处区域基本风压0. 6 k N/m2。

3. 1 构架结构选型

由于非洲当地钢材匮乏, 镀锌工艺落后, 供货工期长, 不能满足工程建设需要, 需要从国内供应构架材料, 依次通过陆运、海运的形式运送至施工工地现场。

该工程构架梁跨度较大, 构架柱高度较高, 导线张力较大。如果采用A型普通钢管构架型式, 所用钢材规格大, 构件重量也大。本工程不推荐采用A型普通钢管构架, 推荐采用格构式构架, 由于格构式角钢构架腹杆与主材之间可直接采用螺栓连接, 大大减少了节点板的数量, 便于长距离运输。所以本工程推荐采用格构式角钢构架。

3. 2 构架柱、梁结构选择

构架柱的平面形状多为四边形, 四边形构架柱侧向刚度和整体抗扭性能较好, 是一种较好的结构型式, 应用也最为广泛, 该工程推荐采用四边形构架柱。

构架梁平面形状有三角形和四边形两种, 三角形梁多用于A型普通钢管构架中, 也常见于梁跨相对较小的500 k V电压等级以下变电构架。四边形构架梁受力体系较好, 在格构式构架中多采用四边形构架梁。该工程导线拉力较大, 本工程推荐采用四边形构架梁。

3. 3 腹杆体系选型

腹杆的用钢量大约占整个结构用钢量的40% , 所以腹杆的布置型式不仅关系到结构的受力是否合理, 外观是否美观, 还影响整个结构的造价。目前角钢格构式构架柱的腹杆型式主要有以下两种: 第一种腹杆布置型式: 宽边采用人字斜撑和横撑, 窄边采用交叉斜撑, 见图1。第二种腹杆布置型式: 宽边和窄边都采用交叉斜撑, 见图2。

这两种腹杆布置型式窄边布置相同, 只是宽边的中下部分布置不同。这两种布置型式对主材分段长度一样, 主材的计算长度也一样。宽边中下部分的腹杆的型号一般往往都是由长细比控制, 而不是型材的强度和稳定性起控制作用。第一种布置型式斜腹杆的长细比由最小轴回转半径控制, 由于水平腹杆设置了横隔, 水平腹杆的长细比也是由最小回转半径控制。所以第一种布置型式腹杆材料的强度没有充分发挥, 材料强度利用率较低。第二种布置型式中斜腹杆的长细比由平行轴回转半径控制, 腹杆材料的强度利用率较高。

根据电力行业标准DL/T 5154—2012 架空输电线路杆塔结构设计技术规定第8. 1. 4 条, 在杆塔塔身坡度变化的断面处、直接受扭力的断面处和塔顶及塔腿连接断面处应设置横隔面。同一塔身坡度不变段内, 横隔面设置的间距一般不大于平均宽度 ( 宽面) 的5 倍, 也不宜大于4 个主材分段[4]。所以四个主材分段只需要设置一个横隔面即可, 与第一种布置型式相比, 第二种布置型式在主材型号不变的情况下降低了腹杆的总重量, 节省钢材。

4 结语

1) 变电站构架型式有许多种, 我们应在参考电压等级、工程预算、工程重要性、施工条件、物流条件等多方面的综合因素的前提下, 选择出最适合的构架型式, 进而保证工程的顺利开展。2) 构架柱、构架梁选用合理的结构型式, 选用合理的腹杆布置型式, 能降低整个构架的总用钢量, 节省钢材。

参考文献

[1]陈传新, 刘素丽.750k V变电站结构选型[J].电力建设, 2007, 28 (5) :33-35.

[2]常伟, 张玉明, 雷晓标, 等.750k V格构式杆系结构设计优化[J].钢结构, 2015, 6 (30) :64-68.

[3]中南电力设计院.变电构架设计手册[M].武汉:湖北科学技术出版社, 2006:24-28.

[4]DL/T 5154—2012, 架空输电线路杆塔结构设计技术规定[S].

构架结构 篇2

一、策划目的：

1.为了让新浪微博在我们大学校园里成长起来，同时给同学们带来校园生活的美好一部分；

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5.新浪在各大学里都有校园主管，他们给大学生带来了零距离的接触。

6.在校内其它学生团体组织的讲座、会议中，通过与学生团体的沟通，协助活动主办方在会场中加入新浪校园微博大屏幕，通过现场参与者发送含有关键字的微博，实现会场情况的大众性实时直播以及会场内外的及时沟通；

7.作为联系聊城大学学生、学生团体与新浪微博的渠道，为符合条件的老师、学生和学生团体义务代理微博认证，增强学校在微博上的影响力和公信力；

8.发动在校学生微博用户组团参加新浪微博发起的线下活动，在新浪微博发起的各系列校园活动中承担本校活动的组织工作；

9.关注并收集在校大学生、学生团体以及教工、教工团体通过微博发表的精彩言论，推荐至新浪微博《微语录》；

10.联络学校各机构和社团，在其所组织的活动中，发动活动参与者积极通过微博记录活动过程。

11.可以得到最新的全国性大学生项目和组织活动，因为我们是全国性的大学生团队协会。

二、微博大学生社团主要职能：

组建模式：新浪微博校园与各高校团委进行校企合作，指导大学生自发组建微博社团。

1.定期在学校设点，为同学们开通和使用微博提供技术咨询、解决技术问题，例如手机客户端的安装、微博应用的咨询等；

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6.关注并收集在校大学生、学生团体以及教工、教工团体通过微博发表的精彩言论，推荐至新浪微博《微语录》；

7.联络学校各机构和社团，在其所组织的活动中，发动活动参与者积极通过微博记录活动过程。× 20 = 400

三、微博大学生社团组织架构

1.微博大学生社团组织形式为社团会员大会监督下的会长负责制，各部实行部长负责制，社团设会长1名，副会长3名，副秘书长1名，社团会长、副会长、副秘书长共5人组成社团主席团，下设外宣部、财务部、情报部、活动部、内务处、秘书处，5部1处。社团会长由新浪微博校园提名，交由社团会员大会全体投票通过，再由新浪微博校园决定任免，确认人选后提交学校社团主管部门备案。

2.社团会长领导社团工作，会长代表社团对社团会员大会负责。社团秘书长由学校团委领导兼任，并对社团的管理与发展进行指导和督导。副会长协助会长工作，并与副秘书长、各部部长一起对会长负责。社团工作中的重大问题，会长具有最后决策权。会长有权向社团会员大会提出副会长、副秘书长、各部部长的任免人选，经社团会员大会通过，向新浪微博校园提出书面申请，经新浪微博校园确认后提交学校社团主管部门批准。社团各部长协助会长具体负责本部处工作。

3.社团主席团、各部部长免试加入新浪微博在校实习生体系，在社团担任职务6个月以上发新浪实习生证明；每学期各部、处均可推荐2名服务社团一年以上的优秀成员加入新浪微博在校实习生体系，获得由新浪授予的实习证明；4.社团核心成员，凡在校大学生，拥有新浪微博帐号，并能遵守协会章程，即可申请成为社团会员。社团普通会员，凡是在校大学生，拥有新浪微博帐号，微博爱好者均可加入，不受社团章程管理，可及时获得社团活动信息，自主参加社团组织的各类活动。

四、主要活动形式及流程

一、发展目标

聊城大学微博协会在一切服务于会员的基础上，增强创新能力，提高活动质量，定期开展丰富多彩的活动，不断探索学生社团发展，为活跃校园文化，加强校园文化建设贡献自己的力量。

二、发展思路

聊城大学微博协会在学生社团联合会的引导下开展各种活动。积极与指导教师取得联系，教师的经验丰富，从教师的指导思想中丰富活动内涵。加强学生社团自身组织建设，发挥社团内部人员的积极性和创造性。调动一切积极因素提升活动自量，服务广大会员。

三、发展具体措施

·具体活动

1、线上活动。积极关注新浪微博举办的各种线上活动，为活动的进行提供支持。

2、线下活动。线上活动需要线下支持的，将活动拉到线下，支持线上活动。活动的宗旨必须是公益性，有利于学生的发展。

3、新浪微博举办的活动。这种活动将是最具规模，最具影响力的活动，我们将协同和全国高校的微博协会共同办好此类活动。完成挂靠公司的任务。

4、学校举办的活动。我们将本着服务于社团的心态，学生会，社联和各个社团团体的活动提供物资（不提供资金），技术支持。、参加“百团大战”、“NBA嘉年华”、“校园种子活动”等等。“百团大战“是新浪网组织的具有全国性质的社团评比活动，我们将邀请学校有影响力的社团来参加。

四、协会内部管理建设

协会将实行“企业化”管理模式，加强组织建设，完善组织机构，积极引导协会内部人员提高工作热情，从而提高工作效率。

协会负责人员应加强自身建设，提高自身素质，拓宽发展思路，能够积极引导社团发展，积极联系校级学生社团联合会和指导老师，及时洞察社团发展动态，及时发现问题，解决问题。

协会将建立自己的网络档案库，方便协会人员查找资料，协会成员都开通个人微博，QQ群，微群，方便大家交流。

构架结构 篇3

1.1 等截面普通钢管结构

构架柱采用普通钢管,柱杆段之间连接采用焊接连接。圆形钢管截面特性好,受力合理,局部受压及抗扭特性较好,特别适合人字柱这种刚性受力模型。对于直径较大的钢管,一般采用螺旋焊缝圆形钢管或直缝焊接圆形钢管。直缝焊接圆形钢管由于可以任意取材,断面也不受规格限制,故较螺旋焊缝圆形钢管节省钢材,且焊接工作量小,外形较螺旋焊缝圆形钢管美观,所以直缝焊接圆形钢管较螺旋焊缝圆形钢管的应用更为广泛,此种结构为排架式结构,需设斜撑,受力明确,是目前220k V构架应用最为广泛也是最成熟的一种结构型式。

1.2 薄壁离心钢管混凝土结构

薄壁离心钢管混凝土构架柱,通常情况下钢管内衬3.5cm厚的离心混凝土,混凝土处于三向应力状态,较大地提高了柱压弯受力的承载能力,并提高了人字柱的整体刚度。但柱拼接接头采用内插法焊接连接,加工制作及现场安装较普通钢管结构困难,且结构自重大(比钢管结构增加重量20%~40%),增加了运输和安装的难度。工程经验表明,其在运输和吊装过程中易发生管内混凝土脱落的现象,现场吊装焊接时,易发生上下两段柱不同轴,存在初始偏心。其整体用钢量较普通钢管结构节省,但综合造价二者持平甚至高出普通钢管结构。

1.3 等截面或变截面高强度多边形钢管结构

结构由高强度多边形钢管构架柱和单杆式高强度多边形钢管钢梁组成,梁柱采用刚接,纵向可不设置端撑。该结构的特点是:钢材屈服强度高,达到450MPa,杆件重量轻,由于微量元素控制严格,热浸镀锌质量将得到永久保证,外观好,免维护。该结构虽然用钢量少,但生产厂家很少,运输成本高,单价也高,总体造价仍高于普通钢管结构。尤其是在220k V变电工程中,高强钢难以发挥其强度优势,反而由于截面小,会使构件的稳定性更为突出,因此进一步制约了其强度的充分利用,从这一方面来说也不够经济。经过比较,等截面普通焊接钢管结构由于设计、施工技术成熟,综合造价较优,适合在常规工程中广泛采用。

2 构架梁选型

2.1 单钢管梁

受力模型上看:单钢管梁适合与柱刚接形成门型钢架,为了控制截面和稳定,一般梁柱皆采用高强钢管,其优点是整体效果清晰美观,减小构件和组装工作量,纵向可不设置端撑,从而可以在某些情况下节省占地。但该结构对节点安装要求较高,由于材料单价高,经过我们在变电站工程中实际应用和对比分析,其综合造价也高出普通桁架钢梁30%以上,尤其是跨度和荷载较大时,用钢量和结构自重成倍增加,更加不经济。

2.2 桁架式梁

格构式钢梁适合与柱铰接组成排架结构,材料则选用普通钢管、角钢,纵向需设置端撑。较单钢管梁而言,其质量分布在构件截面的周围,杆件受力更合理,尤其是对于构架梁,其承受的挂线荷载和悬吊荷载均为典型的集中力点式分布,能充分利用桁架力学性能优势,利用STAAD/CHINA空间杆系分析计算,更能节省钢材量。而跨度和荷载较大时,桁架梁可以设计成变截面,以节省钢材,这种灵活性也是高强钢管无法比拟的。从变电构架的电气挂线、安装、检修的荷载随机性考虑,工程经验表明,常用的单跨梁简支构造安装形式,节省钢材,节点构造简单,施工安装方便,因此得到广泛使用。而格构式钢梁又分为矩形截面和三角形截面,矩形断面更适合于角钢构架柱的固结,而普遍采用的A字形钢管柱则适合采用三角形断面格构式钢梁。并且荷载相对较小时,采用三角形断面受力分工明确,更节省钢材。三角形断面有正三角形和倒三角形两种型式,考虑到安装使用和梁上行人的方便,跨度大、断面尺寸较大的梁按正三角形布置。

3 节点选型

3.1 主材拼接节点

柱节点的连接方式有焊接连接、刚性法兰连接、柔性法兰连接等方式。焊接连接外形美观,且工厂加工方便。而法兰连接可以避免现场焊接质量不易保证的情况,但多个变电站实际投运数年后,均发现构架法兰连接会导致钢管内渗入雨水,导致内部腐蚀和冻胀,对柱形成破坏,较难处理。而从造价上看,焊接由于取消了法兰,节省了钢材量,一般焊接较法兰连接节省钢材5%。针对桁架式钢梁而言,由于其构件截面小,且为整体拼装后吊装,其节点可用螺栓连接,主材多采用钢管,故其连接宜采用刚性法兰连接,斜材多为角钢,宜采用螺栓连接。

3.2 梁柱节点

梁柱节点主要有刚接和铰接两种。从受力模型分析,前者用于门型钢架,而后者适用于排架结构。高强钢管结构采用的刚性法兰用钢量高,加工安装要求精度高,且常产生初始应力;而桁架式钢梁与柱通过螺栓连接,螺栓孔可采用长孔,在受力时允许一定形变,减小节点应力,可充分模拟铰接,受力明确,提高了结构安全性能,因此而广泛采用,也是目前最为成熟的节点连接方式。

3.3 柱脚节点

针对构架基础的受力形式,刚性连接除了可以传递竖向和水平荷载外,还需传递弯矩,因此,其柱脚适宜采用刚性固定柱脚。常采用的有杯口基础插入式柱脚和露出式柱脚。插入式柱脚由于基础施工简便,安装精度易于控制,受力合理,应用最为广泛,也最为成熟。

露出式柱脚采用地脚螺栓连接,这种连接方式特点是能够加快施工周期,但施工加工精度要求较高,后期维护工作量大。

从设计角度进一步分析,采用杯口插入式基础能使基础和柱脚深埋地下,这样既有利于避免与电缆沟、构支架基础等邻近构筑物相碰,又可节约基础钢筋混凝土量,最为经济合理。

4 结论

经过分析比较,常规220k V变电站构架设计宜优先采用以下方案:人字柱采用等截面普通焊接钢管结构,正三角形断面格构式钢梁,梁主材节点宜采用刚性法兰连接,斜材宜采用螺栓连接,梁柱节点宜采用螺栓连接,柱脚宜采用杯口基础插入式。

摘要：笔者以山东地区变电构架设计的模型分析、概念分析以及工程经验、运行反馈意见为依托,经过对比论述常用的几种结构型式的优缺点,以及适用的范围,总结出220k V变电站构架的结构形式、选材优化设计方案。

构架结构 篇4

关键词：构架,结构型式,空间计算,温度作用,风荷载

1 结构选型

1.1 国内外构架设计简介

750k V构架高度高、跨度及导线张力荷载大, 与500k V及以下电压等级的变电构架差别明显。目前, 我国西北地区已经建成如兰州东、官亭、西宁、银川东、乌兰等一批750k V变电站, 但与以往电压等级的构架相比, 国内750k V构架的设计仍未形成一个成熟的体系。国外有美国、俄罗斯、加拿大、巴西、韩国等国家建有750k V电压等级的变电站, 从相关资料看, 750k V配电装置构架采用格构柱、格构梁的结构形式。韩国765k V变电站采用圆钢管格构结构;日本1000k V变电站构架柱采用角钢格构式结构;我国的1000k V荆门变电站构架采用钢管格构式结构;美国部分765k V构架采用变截面高强度多边形钢管结构;750k V配电装置构架横梁高度在30~42m之间, 构架跨度在38~45m之间。

综合国内外各电压等级变电站设计经验, 750k V构架有以下几种可供选择的型式。

等截面普通钢管结构:该结构由A型普通钢管柱和三角形断面格构式钢梁组成, 梁柱采用铰接, 多跨构架纵向设端撑。圆形钢管由于截面特性好, 受力合理, 受压和抗扭特性好, 在500k V及以下电压等级构架中得到广泛使用。

薄壁离心钢管混凝土结构:该结构由A型薄壁离心钢管混凝土构架柱和三角形断面格构式钢梁组成, 梁柱采用铰接, 纵向设置端撑。构架柱采用薄壁离心钢管混凝土结构, 通常情况下钢管内衬3.5cm厚的离心混凝土, 混凝土处于三向应力状态, 较大地提高了柱压弯受力的承载能力, 并提高了人字柱的整体刚度。目前, 国内220k V电压等级构架在山东、浙江等地应用较多, 在500k V电压等级构架中应用较少。

等截面或变截面高强度多边形钢管结构:该结构由A型等截面或变截面高强度多边形钢管构架柱和单杆式高强度多边形钢管梁组成, 梁柱采用刚接, 纵向设置端撑。该结构的特点是:钢材屈服强度高 (450MPa) , 杆件重量轻。目前, 国内已有一些500k V变电站在做这方面的尝试。

格构式钢结构:该结构体系由矩形断面格构式柱和矩形断面格构式钢梁组成, 梁柱采用铰接。格构柱有自立式和带端撑式两种, 以自立式使用较多。该结构又分为钢管格构式和角钢格构式两种。目前, 国内东北地区部分500k V变电站采用角钢格构式构架, 其他地区较少采用。

综合以上结构型式的优缺点, 本文主要计算分析等截面普通钢管结构、钢管格构式结构、角钢格构式结构3种结构型式以确定750k V构架最优型式。

1.2 计算输入

构架计算采用国际通用的STAAD.Pro空间杆系分析与设计软件。

基本风压:0.40k N/m2;

水平拉力:导线按70k N/相设计;地线按14k N/相设计;

最大允许偏角:10°

750k V出线构架导线挂点高度35m, 地线挂点高度51m, 单跨梁跨度46m。构架按最终规模所产生的荷载进行分析计算, 计算过程根据实际情况只考虑单侧挂线情况。

1.3 结构设计

1.3.1 等截面普通钢管结构

根据文献[1]、[2]的技术规定, A型构架柱根开7m, 端撑根开7m, 端撑设置2道横撑。三角形钢梁宽3m, 矢高3m, 构架梁底面采用交叉杆腹杆, 梁侧采用大节间单斜杆。等截面普通钢管结构在每组连续构架一端设置端撑。

柱计算简图如图1所示。

梁的计算简图如图2所示。

1.3.2 钢管、角钢格构柱结构

根据文献[1]、[2]的技术规定, 格构柱底部断面取6m×2.5m, 顶部挂地线柱断面取0.3m×0.3m, 中部断面6m×2.5m~2.5m×2.5m, 格构柱主杆的计算长度底部控制在2.5m左右, 柱中部控制在3m左右。设置横隔对提高格构柱结构的整体稳定十分重要, 在设计中格构柱每隔2~3个节间设置一道横隔, 在柱变坡及有较大荷载处也设置横隔[3,4]。

构架横梁采用矩形格构式钢梁, 梁宽2.5m, 高2.5m。构架梁每隔3~4个节间设置一道横隔, 可加强构架整体抗侧刚度。

角钢格构结构, 由于角钢压弯整体稳定性差, 采用刚接柱脚会加大柱身用钢量, 设计按铰接柱脚考虑。

格构梁计算简图如图3所示。

格构柱计算简图如图4所示。

构架三维计算简图如图5所示。

1.3.3 计算结果比较

从表1可以看出, 钢管格构结构较等截面普通钢管结构和角钢格构结构节省钢材, 采用钢管格构结构从经济上最省。

2 节点优化

钢结构的破坏, 很大一部分发生在构件的连接节点上, 因此设计安全可靠的节点显得尤为重要[5]。同时, 节点设计必须保证节点构造与结构计算模型吻合, 并且节点设计还关系到构架的加工和安装。在确定连接节点的构造形式及其连接时遵守的原则:在节点处内力传递简捷明确, 安全可靠;确保连接节点有足够的强度和刚度;节点承载力大于主材的承载力;节点加工简单、施工安装方便。

2.1 腹杆与主材的连接节点

构架梁、柱腹杆连接形式有T型连接、十字型连接、槽型连接及一字型连接等。十字型连接用于构件内力较大的节点, 连接螺栓按双剪设计, 连接螺栓数量较少, 但管头构造相对复杂, 焊接工作量大。槽型连接和一字型连接用于构件内力较小的节点, 节点构造简单。T型连接介于二者之间。综合各方面因素, 750k V构架柱腹杆管头连接推荐采用T型连接, 构架梁腹杆管头连接采用槽型连接, 避雷针部分管头连接采用一字型连接。具体形式如图6所示。

2.2 主材拼接节点

对于钢管主材的梁和柱, 其主材拼接节点目前钢结构构架较多采用法兰连接。法兰连接虽然增加了一定的用钢量, 但却极大地减少了现场焊接及补防腐工作量, 质量容易保证, 现场吊装进度快, 工期短[6]。与现场焊接接长杆件相比, 也不容易受施工现场气候条件的限制。在法兰连接中, 国内500k V交流变电站及换流站工程中的变电构架更多地采用了刚性法兰连接节点, 钢管主材直径越大, 刚性法兰的适应性越好。因为一般意义上讲, 刚性法兰较柔性法兰的厚度薄, 是通过加劲板来加强节点构造的, 如小直径的钢管连接仍采用刚性法兰连接, 在节点处容易引起较大的焊接变形和焊缝应力集中, 且小直径的刚性法兰加紧板在视觉上效果更差, 不够美观;从二者的用钢量上讲, 对于小直径的钢管, 柔性法兰的用钢量甚至略低于刚性法兰[7]。

对于750k V变电构架而言, 梁、柱均为小直径钢管主材, 壁厚一般大于6mm, 钢管与法兰的焊接质量也易于保证, 因此, 梁柱主材推荐采用柔性法兰拼接节点。与刚性法兰相比较, 在不增加用钢量的情况下, 极大地减少了工厂焊接加劲板的工作量, 且结构外形也简单、美观。

2.3 梁、柱连接设计

梁、柱连接可考虑图7、图8形式。图7所示为由柱身伸出短梁, 梁主材与短梁通过法兰连接;或梁主材直接通过节点板连于柱身, 同时通过隅撑支撑。图8所示为在构架柱身设置牛腿, 构架梁搁置于牛腿上, 紧固连接螺栓连接。以上各连接方法, 设短梁以法兰连接形式对加工精度要求较高, 设置牛腿施工相对复杂, 以节点板连接同时以隅撑支持最为简洁。考虑到大多构架露天温度区段超过限值, 计及温度应力通过计算可见此种连接方法可靠, 能充分发挥构件自身刚度。

3 温度作用影响分析

为了防止因温度作用在结构体系内引起过大的作用效应, 各专业规范里都根据自己的结构特点规定温度区段的长度。在规定的温度区段之内可以不考虑温度作用对结构的影响。文献[3]规定, 露天结构温度区段小于120m可不作温度变化作用效应的计算。文献[2]规定, 两端设有刚性支撑的连续排架, 当其总长超过150m或为连续刚架, 当其总长度超过100m时, 应考虑温度作用效应的影响。比较各规范可以看出, 结构形式对温度区段长度的影响很大。竖向支承结构水平刚度大的, 对横向水平构件约束作用强的, 温度效应大。对于超过温度区段限制的结构, 需要考虑温度作用的影响。本工程连续4跨构架, 单跨跨度46m, 连续构架长度184m。温度区段大大超过规范允许范围。

针对本文所述构架, 根据有限元模型计算分析对比可得到如下结论:

1) 温度作用对钢构架在出线方向和竖向的变形基本没有影响, 但温度作用对钢构架在垂直出线方向的变形影响相当明显;

2) 构架梁上下弦杆与构架柱铰接和刚接两种模型的变形基本一致;

3) 文献[3]附录A受弯构件的挠度容许值中规定, 桁架梁由永久和可变荷载标准值产生的挠度容许值为[νT]=L/400, 文献[7]中500k V及以上构架横梁跨中允许挠度[νT]=L/300。出线粱跨中竖向位移6.5cm, 跨度46m, 出线梁跨中挠度νT=L/712<[νT]=L/400, 挠度满足规范要求。

4 风荷载影响分析

文献[8]中对750k V构架这种结构类型的风荷载分布没有明确的规定, 由于钢管铁塔与750 k V构架在结构的布置和节点的构造方面有很多相似性, 参考文献[9]中对铁塔的规定确定变电构架的风荷载分布, 由此计算风荷载沿Z轴、X轴、X轴偏Z轴450°各构件内力。风荷载所产生的内力及其在总内力中的比重如表2所示。由表2可知, 在只考虑风荷载的情况下, 构件的最大内力大部分出现在45°风工况下, 因此, 计算750 k V构架时, 需考虑风沿45°作用的工况。

由表2的计算结果可以看出, 虽然对不同部位的构件风荷载产生的内力占总内力的比例不同, 但总体来说都比较大, 并且45°方向风载起控制作用。不同的构件截面、不同的节点构造都会对构件的迎风面大小产生影响, 进而对构件总的内力产生较大的影响, 从而影响到构架的经济效益。所以设计时, 要尽量选择迎风面较小的布置, 并且考虑不同风向的影响。

5 结论

综合以上分析可知:

1) 钢管格构结构取材方便, 用钢量节省, 技术经济指标好。750k V变电构架推荐采用钢管格构结构, 构架柱采用矩形变断面钢管自立柱, 构架梁采用矩形等断面钢管格构式梁。同样的构架形式, 其用钢量比等截面普通钢管结构节省约17%;比角钢格构结构节省钢材约27%, 经济效益明显。

2) 钢管格构结构构架柱腹杆体系的变化对整个构架柱的用钢量产生影响, 采用K型钢管布置相对较优, 由于杆件数量少, 节点板用钢量较小。构架柱腹杆管头连接采用T型连接, 构架梁腹杆管头连接采用槽型连接, 避雷针部分管头连接采用一字型连接。

3) 温度效应对超长联合构架影响可以控制。构架连续段总长度184m。温度区段超过规范允许范围, 从计算结果可知, 温度作用对构架受力有一定的影响, 需考虑温度效应, 工程中温度效应可依靠结构自身刚度抵抗。

4) 本工程风载引起内力占相当比例, 且45°风起控制作用。

参考文献

[1]DL/T5218—2012 220~750kV变电站设计技术规程[S].

[2]DL/T5457—2012变电站建筑结构设计技术规程[S].

[3]GB50017—2003钢结构设计规范[S].

[4]GB50135—2006高耸结构设计规范[S].

[5]李星荣, 魏才昂, 丁峙崐.钢结构连接节点设计手册 (第二版) [K].北京:中国建筑工业出版社, 2009.

[6]《钢结构设计手册》编辑委员会.钢结构设计手册 (第三版) [K].北京:中国建筑工业出版社, 2009.

[7]中南电力设计院.变电构架设计手册[K].武汉:湖北科学技术出版社, 2006.

[8]GB50009—2012建筑结构荷载规范[S].

构架结构 篇5

转向架构架作为车辆重要的承载构件之一, 它的性能决定了车辆运行品质和行车安全。经过国内外大量研究实践表明, 车辆转向架的破坏形式多为随机载荷作用下引起的疲劳破坏。构架受到外界载荷作用时, 若构架所受应力值超过材料的强度极限, 构架结构将发生破裂, 当应力值始终没有超过材料的强度极限, 甚至比屈服极限还低的情况下产生的结构破坏就可以称为构架疲劳破坏。因此, 为了确保车辆的行车安全, 仅仅对转向架的构架进行静强度分析是不够的, 还必须对其进行疲劳分析, 研究构架在外界载荷作用下的疲劳强度。

本文正是在疲劳累积损伤理论基础上以重庆CW2100型地铁转向架构架为研究对象, 采用有限元和疲劳分析软件, 应用应力疲劳分析法对其进行疲劳寿命方面的分析计算和预测。

2 疲劳分析

2.1 疲劳分析方法

一般根据设计目的、材料的疲劳特性以及载荷谱综合考虑、权衡后确定疲劳分析方法。对于结构中的重要零部件, 一般要求其具有无限寿命, 使其应力落在高周疲劳寿命区, 只需要已知材料无限寿命下的疲劳极限, 使得等效最大应力幅小于材料无限寿命条件下的疲劳极限就可以了。特别是对地铁车辆及其零部件来说, 其设计寿命一般较长, 如转向架的设计寿命为30年, 且在运用过程中应力水平较低, 超过屈服应力的现象比较少, 参考文献[1,2,3], 采用名义应力法进行疲劳分析比较合理。

在n Code Design Life界面下, 导入选定工况下下的强度结构有限元分析应力结果OP2文件, 统一单位后, 查看构架应力分析结果。再进行疲劳分析方法设置, 选择S-N方法, 选择相应的显示及控制面板, 关联载荷谱, 搭建基于名义应力法的疲劳寿命分析界面。

2.2 材料的疲劳特性

描述材料疲劳性能的基本S-N曲线, 应当由R=-1的对称循环疲劳实验给出, 或查有关手册得到。n Code Design Life包含了多达200种的标准材料疲劳特性库, 并支持用户可扩展材料库, 在缺乏试验结果的情况下, 可依据材料参数构造其S-N曲线。构架材料主要为16Mn R。由此在n Code软件中输入相应参数绘制所需S-N的材料曲线。

2.3 时间载荷历程

地铁转向架构架承受的载荷较复杂, 既有静载荷, 也有动载荷, 在n Code软件中, 载荷时间历程可通过Glyphworks模块进行构造。本文采用垂直增减载荷的随机白噪声谱, 载荷谱均值为0, 幅值为1, 主频为1Hz10Hz[4], 构造的随机白噪声谱如图1所示。将得到的随机白噪声谱与满载工况相关联。

3 疲劳计算

采用疲劳分析软件n Code以静力学计算结果、材料的疲劳特性、关联时间载荷历程为基础, 结合应力疲劳分析理论对构架进行存活率为95%的全寿命疲劳分析, 然后在n Code Design Life中, 将疲劳分析结果导出为Excel形式, 便于统计疲劳寿命最短节点, 如图2所示。

4 小结

从疲劳寿命列表可以看出疲劳寿命最短的节点编号为231905, 该节点位于侧梁上盖板靠近空气弹簧座板边缘处, 其循环次数为3.93E05次, 按照实际地铁运营线路上车辆每天运行12个往返循环计算, 地铁转向架构架的疲劳寿命为393000122365=45年, 大于地铁转向架30年的设计使用寿命, 表明构架满足设计要求。

参考文献

[1]R.K, Luo, B L, Gabbitas, B.V.Briekle, W.X.Wu.Fatigue damage evaluation for a railway vehicle bogie using appropriate sampling frequencies.Vehicle System Dynamics, 1998 (28) :405-415.

[2]王成国, 孟广伟, 原亮明, 刘敬辉.新型高速客车构架的疲劳寿命的仿真分析[J].中国铁道科学, 2001.22 (3) :91-95

[3]米彩盈.有限元法基础与铁道车辆结构分析[M].西南交通大学出版社, 2006

构架结构 篇6

构架是转向架的各零部件的安装基础,作为转向架的骨架,构架不仅要安装转向架上的各种零件,还要承受和传递车体到轮对之间的垂向力、牵引力及制动力等,因此,构架结构及强度直接影响到行车安全。

ZEH120型转向架是中车株洲电力机车有限公司为适应马来西亚的特殊运用要求而设计的一款米轨机车三轴转向架。本文主要介绍该转向架构架的结构设计及疲劳强度分析。

ZEH120型动力转向架构架主体由低合金高强度钢板焊接而成的目型结构,由左右侧梁侧梁与横梁、端梁直接对焊而成。构架设计寿命为30年。图1为该构架三维模型。

2 构架结构设计

构架作为转向架的骨架,是转向架上各零部件的安装基础,其强度必须满足要求。该构架采用整体焊接结构,由前后端梁、中间牵引梁、左右侧梁组焊而成,焊接结构满足EN15085焊接体系要求。以下具体介绍构架主要结构特征。

2.1 侧梁

构架的左右侧梁为平直箱型结构,侧梁中间设置有隔板,以保证侧梁的强度和刚度。在该构架侧梁上,设置有牵引座、圆弹簧拉杆座、轴箱起吊座、一系弹簧安装座、二系簧安装座、减振器座、横向止挡、防撞装置等。

2.2 中间牵引梁

该构架牵引梁中部设有两根中间牵引梁,均采用箱型结构,上面设有电机安装座及安全导框。牵引梁承受机车的牵引力及制动力,为加强牵引梁的强度,牵引梁梁内部还设有加强筋。

2.3 端梁

该构架前、后端梁也采用了箱型结构。前端梁上面设有防落座及横向减振器安装座。后端梁下部设有电机防落安装座,对电机起保护作用;上部则设有横向减振器安装座。

3 构架强度分析

ZEH120型转向架构架静强度及疲劳强度计算载荷工况主要依据国际铁路联盟标准UIC615-4《动力车—转向架和走行部—构架结构强度试验》、欧洲标准EN13749《铁路应用—转向架构架要求的规定方法》和马来西亚米轨机车技术合同确定,并使用ANSYS12.1有限元软件进行分析。

3.1 构架疲劳强度评定

3.1.1 计算载荷

本次构架强度计算的载荷参照UIC615-4《动力转向架构架强度试验》,对构架载荷进行了计算。

1)构架一侧垂向载荷按下面公式计算。

2)每台转向架承担的横向载荷。

3)扭曲载荷:转向架的扭曲载荷与在车轮平面上5‰的轨道扭曲相对应。

根据UIC615-4标准对构架主要运营载荷的规定将构架主体疲劳强度计算划分为17个载荷工况,见表1。

表中:α=0.15,考虑机车侧滚影响,β=0.25,考虑机车浮沉影响。

3.1.2 疲劳强度评定方法

根据UIC615-4和ERRI B12/RP17提供的疲劳强度的分析方法,对构架结构进行疲劳强度计算。在结构强度有限元分析中,节点的平均应力、应力幅和应力比的计算表达式为:

式中

σmax—节点应力循环的最大等效主应力

σmin—节点应力循环的最小等效主应力

3.1.3 疲劳强度计算结果

选取1-17工况各点最大最小应力,计算出应力幅和等效应力,打入Goodman云图,如图2所示。从Goodman云图看,有部分点位于Goodman图中对接焊缝区域与其他焊缝区域之间,有3个点位于对接焊缝区域与母材区域之间。在ansys模型中可见这些点均位于母材区域。因此,此构架疲劳强度满足设计要求。

4 结语

参照UIC615-4规范,对马来西亚六轴机车转向架构架进行了有限元强度分析,结果表明:在模拟运用载荷作用下,通过对构架所有节点的17种载荷工况的分析,转向架构架各节点的应力幅值均不超过材料和焊缝的Goodman疲劳极限图,满足疲劳强度要求。

摘要：介绍马来西亚六轴机车ZEH120-C0型转向架构架的结构设计特点,并利用有限元分析软件对构架疲劳强度进行了分析,验证其强度是否满足要求,结果表明该构架强度满足要求。

关键词：结构设计,构架,有限元分析

参考文献

[1]上海铁道学院.车辆强度计算理论[M].北京:中国铁道出版社,1981:126.

[2]赵建民.转向架构架的强度分析与可靠性评价[J].机车车辆工艺,1992(4):14.

构架结构 篇7

1 我国转向架的结构

1.1 我国的动车的结构的标准化

我国的动车属于自主研发的科技,同时也是符合我国动车发展规律的。更是按照我国动车轨道设计的,所以与美国、日本等国家的高铁系统不同,我国采用独立自主的技术规格。因此将美国、日本的高铁放在中国的轨道上,动车结构寿命极低。将中国的列车放入其他轨道上效果是同样的,因为我国的轨道的动车是配套的,所以不怕他国盗取我国自主研发得知识产权。而各个国家根据不同的设计其转向架构的形式也各不相同。在架构的使用中,因为动车的速度在250km/h以上,同时列车的质量大,造成架构的受力极大,同时转向结构还与动车的多个结构有关,直接关联的结构有,列车的转向、制动、动力系统,也间接的影响着列车行驶噪音等环节。我国的动车转向架具有标准性,因为我国全部的动车几乎都是同样的设计思路,在动车的转向结构构架都是由同一家公司生产制造的,所以标准化非常方便,同时质量因素也较好控制,但是出现的问题也比较严重过于的标准化,如果一辆动车被发现在转向系上有故障,就会造成全线的列车停车检修,严重的阻碍了动车的运营。

1.2 我国的转向框架结构

我国的动车框架结构分为两种标准形式,一般高速以及特快高速。对应的分别为250km/h以及350km/h,因此的动车转向框架的研究上也分为了两个方向。同时均是采用我国自主研发的技术。同时保证整车都是由我国自主研发的,用时设计列车所有技术软件也是自主研发,防止信息被窃取。我国的动车采用的是动拖这样的动力配置方法,该系统主要的就是采用大功率元件作为传动接应装置。因此在转向架结构中采用是模块化的设计理念,转向架的机构主要是采用无摇转向架,这就保证了零件的疲劳可靠性较高,但是这样就会增加转向架的刚性需求,在转向架的两天选择道路上,我国选择的是不动式,这样能良好的抵御疲劳,但是这就会对材料的要求更高,提高了转向架的造价,但是在低噪音、节能、可靠性的优点方面,承受更高的价格是合理的。同时这样的结构被用于我国高寒高铁得使用上,有着更重要的效果。我国正在着手于高纬度高铁的建设,我国其中从哈尔滨通向齐齐哈尔的轨道已经运行,另外我国正在建设通向新疆和西藏等高寒地区动车轨道,在寒冷的条件下,一些机械零件的工作状态会发生变化,所以高寒列车和轨道是动车发展的最前沿领域,而相对制约发展的就是转向架的问题。

2 转向结构的研究分析方法

研发“中国标准化动车组”动车转向架构架进行疲劳可靠性研宄,并对构架结构危险部位进行优化改进。本文研究内容主要包括以下六部分:

2.1 构架有限元模型的建立

以长春轨道客车股份有限公司设计开发的动车转向架构架为研宄对象,在构架结构二维图纸的基础上,应用三维建模软件,建立构架的几何实体模型。在充分了解构架特点和材料力学性能的基础上,采用有限元软件建立构架有限元模型,并叙述构架结构网格划分方式与单元类型。

2.2 基于标准的构架疲劳可靠性研究

借鉴国际铁路联盟和欧洲车辆技术标准,依据《客车车辆一动车转向架一走行装置一转向架构架结构强度试验》和《铁路应用一轮对和转向架一规定转向架构架结构要求的方法》,确定构架载荷大小和施加位置。利用大型有限元计算软件对构架进行有限元仿真计算,分析构架的静强度和疲劳强度,依据疲劳极限图对构架关键部位进行疲劳强度评价。

2.3 基于规程的焊接接头疲劳强度研究

借鉴德国焊接学会焊接接头设计评估标准,依据《轨道车辆钢接接头设计和疲劳强度评估》以及《铁路应用一铁道车辆及部件焊接一第部分设计要求》标准,利用通用有限元计算软件对构架进行有限元仿真计算,结合焊接接头形式对典型辉缝区域进行疲劳强度评估。对烤接构架强度评估方法进行研究,结合计算结果对比分析不同的疲劳评价方法。

2.4 基于线路试验程序载荷谱的构架疲劳可靠性研究

根据与中国标准动车组转向架构架同族的转向架长期跟踪测试数据,得到时速公里速度级的动车组转向架垂向、横向、纵向等试验程序载荷谱。将线路试验程序载荷谱作为输入载荷,利用软件进行有限元仿真计算,分析构架关键部位疲劳可靠性。

2.5 转向架构架模态分析

根据模态分析理论,采用有限元软件对动车转向架构架整体进行计算求解。通过对动车转向架构架模态的研宄,分析构架在某一频域内各阶模态振型及其频率,以评定其动态特性能否满足设计要求,进而为转向架结构的合理设计提供有效验证,并为进一步的结构优化提供依据。

2.6 转向架构架局部结构优化改进

根据转向架构架强度分析结果,选取应力值较大的定位转臂座和齿轮箱吊座作为研宄对象进行形状优化,选取超常载荷下最恶劣的工况,以应力值为目标函数建立优化的数学模型,利用有限元前处理软件中接口模块对构架局部结构优化计算,结合优化结果建立研宄对象的三维模型,根据标准对优化后的局部结构进行强度校核与对比分析。

3 结论

在我国动车发展过程中,转向架作为动车的重要零件,因为在工作中载荷大,工作作用大而经常被研究和探讨。转向架的质量问题一定程度决定了动车的整体质量问题,转向架的质量受到设计、原材料、以及工作环境的多重影响。在设计中我国采用自主研发统一标准的设计,在设计时采用自主研发的高科技软件进行模拟,确保设计的合理。在原材料方面,我国的动车的制造标准是原材料方面的顶尖水平,在原材料的使用中,不仅保证原材料质量得到保证,对其淬火工艺等也有标准化的管理。在高寒区域的使用,也是我国动车的重要发展方向。

参考文献

[1]赵洪伦.轨道车辆结构与设计[M].北京:中国铁道出版社,2009.

[2]张曙光.高速列车设计方法研究[M].北京:中国铁道出版社,2009.