对超长构架温度效应的控制

摘要：超长构架的温度效应在设计中不容忽视。本文讨论了温度应力的特点，分析了温度应力计算中存在的问题，结合具体工程实例，介绍一种有效控制温度效应的滑动支座。

关键词：超长构架；温度效应；温度应力；滑动支座；位移。

ABSTRACT: For overlong substation framework designing, the effect of temperature can not be ignored. This article discusses the point of temperature effect, the flaws in calculation, and combined with completed engineering project, introduces a sliding support design, which can solve the overlong structure deformation caused by temperature effect.

KEY WORD: overlong frame; temperature deformation; temperature force; sliding support; displacement.

中图分类号： P184 文献标识码： A 文章编号：

1 前言

结构由于温度变化而产生一定的位移变形，由于受到约束的限制而在自身产生的内力，称为温度内力。近年来，随着变电站电压等级的不断提高，结构设计中出现超长连续构架越来越普遍化。

相对一般长度构架，超长连续构架梁的温度效应显著，温度应力对超长构架的主要结构影响是位移变形，对承载力的影响不起控制作用，控制超长构架温度效应的主要工作是满足节点位移对变形的要求。

由于目前温度计算的复杂性和温度应力计算软件的模型简化的相对性，其计算结果更多是参考作用，要满足节点位移的变形要求，合理的构造措施和施工顺序更为重要。某变电站采用滑动支座处理超长构架的温度效应，很好地解决了温度应力对结构的影响。

2温度应力计算中存在的问题

2.1 温度应力基本概念

结构物可能承受由于温度变化而引起位移变形。如图1所示一悬臂梁原始状态为无约束梁，在承受一个均匀温差T值（升温为正，降温为负）影响时，梁遇冷收缩变形，梁内未产生内力。梁端自由伸长值（自由位移）：

ΔL=αTL, ε=ΔL/L=αL, ΔL=PL/EA

式中：α线膨胀系数

T温差

L梁的跨度

ε相对自由变形

图1 全约束作用梁

图2 弹性约束作用梁

梁端为嵌固状态时，梁内由于温度变化而发生位移变形，梁端的刚性连接限制位移量的发生，于是变形量便转化为梁内约束应力，其应力数值由以下两个过程叠加得到：

假定梁自由变形，梁端变形ΔL=αTL；

施加外力P将自由变形压缩回原位，产生的应力即为变形的约束应力。即

σ＝-P/A=-ΔLTEA/LA=-EαT

这就是自由变形全部被压缩回原位时的最大约束应力，可见其值与梁长度无关。

在图2中，梁端为弹簧约束变形时，由于温差T的发生，梁将产生位移变形，此时弹簧受到水平推力产生变位δ1，同时梁将受到弹簧的反作用而产生压缩变位δ2，梁的自由变位即弹簧自由长度ΔL=αTL，由于受到弹性约束，只获得部分变位δ1，其余部分变位δ2＝ΔL－δ1是被弹簧压缩的变位，该变位是约束变位，其应变值为ε2＝δ2/L。所以梁端实际应变为：

ε1＝ε2 +αT＝(σ/E)+ αT,即

σ＝E(ε1- αT)

由上式看出，温度作用下的应力分量包含两部分，一部分是根据位移量求得的，一部分是与各点的变量温度T成正比的。

2.2超长构架的 温度内力特点

由上述分析可知，超长构架的温度效应具有以下几个特点：

1）温度对结构的作用首先是热传导，只有当变形受到约束，温度才以作用力的形式表现出来，才产生结构设计问题，所以导热情况不同，约束内力计算结果会存在明显差异，导热情况除取决于外部环境之外，与结构的材料有很大关系。超长构架圆管梁可以视为均匀质连续体，导热性能较好，其温度效应较一般构件明显增大。

2）由于超长构架属于室外露天构件，其温度效应受环境温度影响较大。环境温度是由空气温度加上太阳热辐射在结构表面产生的日照温度共同组成。而结构的表面温度通常与空气温度并不相同，而由于日照具有方向性和直接性，所以日照温度对结构是一个非均匀的温度场。其确定具有相当难度。

3）超长构架的温度变形是通过变形协调得到释放的，故构架柱对钢梁有一定的约束作用，由于柱与钢梁的表面温度并不一致，这种约束具有相对性，从变形和内力的整体趋势来看，构架柱与圆管梁的连接点是温度应力的集中部位，针对这一部位采取有效构造措施，能较好的解决构架的温度效应。

目前温度应力计算程序中存在的问题

目前，常用结构计算软件ANSYS、MADIS、PKPM中都提供了关于温度应力的计算，其采用的原理都是有限元法。

ANSYS、MADIS程序在计算温度效应内力时，通常将结构离散为一系列的离散单元，即将具有无限多个自由度的连续体化为具有有限多个自由度的计算模型，然后选择一个表示单元内位移随位置变化的位移模式，通过函数关系用节点位移来表示，再从分析单个单元入手，用变分原理建立单元方程，然后再把所有单元集合起来，并与节点上的外荷载相联系，进行整体分析，从而得到节点位移量。这种计算模型针对较小计算构件时，与实际情况差别不大，计算结果与实际测量结果接近，而针对超长构架其有限自由度模型不能满足设计要求，误差较大。

PKPM在PMSAP中也采用有效荷载等代法计算温度应力，其温度场需要用户自行定义。由于温度作用具有滞后性，温度最高时构件温度不是同时达到最高，所以存在温度变化周期的取值问题。所以，在没有长期观测资料和经验数值的情况下，温度场的确定是非常困难的。其计算软件技术说明中也指出，可利用此功能进行承载力设计，但计算结果不能作为位移控制依据。

用三种软件对同一构件进行建模计算，其结果差值相当大，可见在目前计算理论和技术条件下，对温度应力的计算不能满足工程设计的精度要求。

3工程概况

图3所示为某220千伏变电站屋外配电装置构架柱设计图，其中A字形柱采用直焊缝圆钢管组成，构架横梁采用钢管梁，基础采用桩承台基础，构架连续排架总长185m，属于超长构架结构。

根据《变电所建筑结构设计技术规定》NDGJ96-92,3.3.4条，当构架为两端设有刚性支撑的连续排架，其总长度超过150m或为连续刚架，其总长超过100m时，就要考虑温度作用效应。

图3 某220KV变电构架透视图

4滑动支座的设想和提出

·在变电架构梁柱连接的做法中，构架柱与构架钢管梁的传统连接方式为：钢管梁直接与法兰连接，此时钢管梁的支座类型为刚接连接。根据前述理论内容可知，在室外温度发生变化时，钢梁必然产生一定的温度变形，由于刚性支座的限制，梁的位移变形便使得梁端产生最大温度次应力，从而对整个构架结构产生不利影响。

利用ANSYS和PKPM程序对该构架结构进行整体建模，在进行模拟温度分析计算后发现，在结构自重和温度的组合作用下，降温过程最大滑动位移为87~124mm，升温时最大变形量为67~95mm。综合考虑各种其它变形因素，最终取300mm位移量作为变形位移来进行滑动支座的连接设计。

5 结论

采用滑动支座处理超长变电架构温度效应，可以很好的解决温度应力计算的复杂性和模型设计的相对性问题。该体系构造简单、受力清晰、实施方便、无能耗，无论从结构安全角度上，还是投资经济性，施工周期上而言都能够达到满意的效果。

参考文献

【1】NDGJ96-92 《变电所建筑结构设计技术规定》 北京：能源部电力规划设计管理局，1992

【2】DL 5022-2012 《火力发电厂土建结构设计技术规定》. 北京：中国计划出版社，2012

【3】徐芝纶，弹性力学，高等教育出版社，1978

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。