寒冷地区户外装配式构支架设计研究

寒冷地区户外装配式构支架设计研究

曹宇

曹宇

杭州市电力设计院有限公司310004

摘要：本报告从钢结构设计规范、变电站建筑结构设计技术规程对钢构架选材选型的要求出发，对目前钢结构材料在低温下脆性力学性能的研究、简化设计计算方法进行梳理，结合寒冷地区变电站构架选型选材实例，对本工程的构架选型选材进行计算分析，得出以下结论：由于构架钢材厚度较薄，基本均小于12mm，又由于采用的钢材型号为Q235、Q345，均非高强钢材（小于Q390，更小于Q420），因此受低温脆断效应影响较小。

综合各方因素，220kV构架、66kV构架采用人字柱+格构梁构架；且依据《钢结构设计规范》（GB50017-2003）、国网公司部门文件《基建技术〔2015〕91号国网基建部关于进一步规范变电站避雷针设计的通知》要求，人字钢管构架柱采用Q345C，构架梁采用Q235C，构架避雷针采用Q345D级钢。格构梁与人字柱的连接均采用螺栓连接。

1.1蒙东巴达尔胡220kV变电站站址气象条件

拟建的蒙东巴达尔胡220kV变电站，位于兴安盟扎赉特旗西北45km，巴达尔胡镇东北约20km，巨宝屯村西北侧村路北侧。。

站址区域分布有波状草地，地形起伏稍微不平，现状已开垦，地面高程约268～283m。地貌成因类型为残坡积区，地貌类型为坡地。拟站址场地土类型为中软土、岩石，建筑场地类别为Ⅱ类。站址不受附近水利设施、山洪的影响，但需考虑站区排水。场地内及其周围附近未发现危岩、崩塌、泥石流等不良地质现象，场地的稳定性良好。

根据可研报告，站址地区常规气象项目统计成果表如下：

1.2设计规范对寒冷气候条件下钢结构材料选用的规定

1.2.1《钢结构设计规范》规定

《钢结构设计规范》GB50017-2003第3.3条规定，为保证承重结构的承载能力和防止在一定条件下出现脆性破坏，应根据结构的重要性、荷载特征、结构型式、应力状态、连接方法、钢材厚度和工作条件等因素综合考虑，选用合适的钢材牌号和材性。

承重结构的钢材宜采用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢，其质量应分别符合国家标准《碳素结构钢》GB/T700和《低合金钢高强度结构钢》CB/T1591的规定。当采用其他牌号的钢材时，尚应复合相应有关标准的规定和要求。

下列情况的承重结构和构件不应采用Q235沸腾钢：

1、焊接结构。

1）直接承受动力荷载或振动荷载且需要验算疲劳的结构。

2）工作温度低于-20℃时的直接承受动力荷载或振动荷载但可不验算疲劳的结构以及承受静力荷载的受弯及受拉的重要承重结构。

3）工作温度等于或低于-30℃的所有承重结构。

2、非焊接结构。工作温度等于或低于-20℃的直接承受动力荷载且需要验算疲劳的结构。

承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。

焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。

对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材，应具有常温冲击韧性的合格保证。当结构工作温度不高于0℃但高于-20℃时，Q235钢和Q345钢应具有0℃冲击韧性的合格保证；对Q390钢和Q420钢应具有-20℃冲击韧性的合格保证。当结构工作温度不高于-20℃时，对Q235钢和Q345钢应具有-20℃冲击韧性的合格保证；对Q390钢和Q420钢应具有-40℃冲击韧性的合格保证。

对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材亦应具有常温冲击韧性的合格保证。当结构工作温度不高于-20℃时，对Q235和Q345钢应具有0℃冲击韧性的合格保证；对Q390和Q420钢应具有-20℃冲击韧性的合格保证。

根据钢结构设计规范条文说明，关于“工作温度”的的定义有如下说明：工作温度即室外工作温度的定义，原规范定义为“冬季计算温度”（即冬季空气调节室外计算温度），从理论上说这是欠妥的，因为空气调节计算温度是为空调采暖用的计算温度，是受经济政策决定的，也就是人为的；而结构的工作温度应该是客观存在的，由自然条件决定的，两者不能混淆。国外规范对结构的工作温度亦未看到用空调计算温度，如前苏联是“最冷5天的平均温度”，Eurocode3和美国有关资料上都使用“最低工作温度”（但定义不详）。为与“空调计算温度”在数值上差别不太大，建议采用《采暖通风与空气调节设计规范》BGJ19-87（2001年版）中所列的“最低日平均温度”。

1.2.2《变电站建筑结构设计技术规程》规定

《变电站建筑结构设计技术规程》7.1.2条规定，用于变电构架、设备支架和避雷针等构筑物的钢材，应符合现行国家标准《钢结构设计规范》GB50017中有关材料选用规定。冬季温度较低的地区，还应要求钢材具有低温冲击韧性的合格保证。所采用的钢材牌号及钢材的冲击韧性等物理性能指标、强度设计值以及焊缝和螺栓连接强度设计值均应按现行国家标准《钢结构设计规范》GB50017的规定取用。

1.2.3国网部门文件《基建技术〔2015〕91号国网基建部关于进一步规范变电站避雷针设计的通知》规定

严格控制钢材材质，确保避雷针结构安全的措施：避雷针钢材应具有常温冲击韧性的合格保证。

（1）当结构工作环境温度低于0℃但高于-20℃时，Q235钢和Q345钢应具有0℃冲击韧性的合格保证；

（2）当结构工作环境温度低于-20℃时，Q235钢和Q345钢应具有-20℃冲击韧性的合格保证。

1.3寒冷气候条件下钢结构材料的力学性能研究

1.3.1《钢结构在低温下脆性破坏的研究》相关内容

王元清在《钢结构在低温下脆性破坏的研究》中指出，脆性破坏是钢结构最危险的破坏形式之一，这主要是因为它的发生往往是突然的，没有明显的塑性变形，而且构件破坏时的承载力很低。国内外实际工程中钢结构脆性断裂破坏的事故较多。钢结构的脆性破坏通常都是在冬季低温下发生的，习惯上称低温下的脆性破坏为低温冷脆现象。应该指出，这里的低温通常指低于-15℃的温度，并列出我国部分地区的计算低温T1和历史出现过的极端最低温度。其中内蒙古计算低温为-31℃，极端最低温达-49.6℃。

在提到脆性破坏力学机理时，给出钢及其构件主要力学指标随温度变化的特征曲线如下：

从上图可以看出钢的屈服强度和极限强度随温度的降低而增大，而且屈服强度比极限强度增大的快，也就是说，钢材的塑形随温度的降低而降低，当温度降低至Tcr0时，屈服强度和极限强度相同，此点成为零塑性临界温度。钢的冲击韧性（Akv）随温度的降低而降低，而作为钢构件，其破坏强度（fp）及破坏截面收缩率（ψ）、破坏时所释放的能量（Ap）和破坏截面亮纤维状含量百分比（ζ）等都随温度的降低而降低。

理想无初始缺陷钢构件脆性破坏的过程从物理概念上可分为以下三个阶段，1）裂纹产生前的准备阶段，即钢晶格内部的塑性变形；2）裂纹的产生，即钢晶格间的损伤宏观集中体现；3）裂纹向整个构件横向的发展阶段。当构件含有初始缺陷时，脆性裂纹的产生变的十分容易，即发生脆性破坏的可能性大为提高。

实际工程中钢结构构件脆性破坏分析计算中，最有代表性的参数主要有两个，即构件的破坏强度fp和临界转换温度Tcr，工程中常采用的如上图中的临界温度Tcr1和Tcr2只能通过试验测定。习惯上称Tcr1为构件从塑性破坏到准脆性破坏的第一临界转换温度，Tcr2为构件从准脆性破坏到脆性破坏的第二临界转换温度。

前苏联的一位学者谢里维斯托洛夫通过对大量钢结构破坏实例资料进行统计分析和许多结构型式的试验研究，总结出6种典型最容易出现的钢结构低温冷脆结构型式，见下表：

文献通过分析大量大尺度构件拉伸试验结果，得出以下结论，对低碳钢和低合金钢，当其构件厚度在10~40mm之间时，任何一个低温冷脆性结构型式构件的Tcr1与其厚度成正比，即：

Tcr1=A+Bt

上式中，A、B为计算系数，跟材性和结构型式有关，对于表中两种钢材，相当于我国Q235和Q345钢材。

1.3.2《高强度钢材Q460C低温力学性能试验》相关内容

王元清在《高强度钢材Q460C低温力学性能试验》以及《高强度结构钢材Q460C低温冲击韧性试验研究》两篇文章中，通过试验，比较了Q235C、Q345C、Q390C、Q460C四种钢材塑性指标随温度的变化规律。具体变化规律图示如下：

通过上图可以看出，钢材的各项塑性指标随钢材强度的增加而降低。

通过试验，比较了不同钢号不同厚度（同种钢号Q345）钢材的冲击功与温度的变化关系，如下图：

通过上图可以看出，建筑结构钢材的断裂韧性与厚度有关，随着厚度的增加，钢材脆性表现越发明显。

1.3.3《考虑低温冷脆钢结构构件的实用简化设计方法》相关内容

王元清在文中指出，在低温下，结构钢材往往在远未达到屈服应力的时候发生脆性断裂，并通过对结构钢构件裂纹尖端张开位移（CTOD）的研究，提出基于CTOD指标的低温下考虑冷脆效应的钢结构构件的简化设计方法。该方法属于分级设计方法，以考虑裂纹扩展而提高部分的最大承载力作为构件的承载力，并研究构件的温度和厚度对结构钢材断裂韧性的影响，计算得到各种温度和厚度情况下的强度折减系数，最后给出设计算例。

关于本文详细的公式在此处不加以罗列，具体参考该篇文章。