±800kV普洱換流站高端閥廳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高 湛，朱銀銀，李 華

（中南電力設(shè)計(jì)院，武漢430071）

我國已建±800kV換流站工程中，高端閥廳主要采用了兩種結(jié)構(gòu)型式：1）鋼－鋼筋混凝土框架剪力墻混合結(jié)構(gòu)，即防火墻采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，在沒有防火墻側(cè)，閥廳采用鋼結(jié)構(gòu)柱，橫向通過鋼屋架聯(lián)系；2）全鋼結(jié)構(gòu)，即鋼柱＋鋼屋架的結(jié)構(gòu)型式，換流變防火墻與鋼結(jié)構(gòu)柱脫開布置。

±800kV普洱換流站高端閥廳采用鋼－鋼筋混凝土框架剪力墻混合結(jié)構(gòu)，文章重點(diǎn)論述了其結(jié)構(gòu)模態(tài)分析、結(jié)構(gòu)布置和節(jié)點(diǎn)連接等方面內(nèi)容，并和全鋼結(jié)構(gòu)型式閥廳進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，提出了較為合適的±800kV換流站高端閥廳結(jié)構(gòu)型式。

1 結(jié)構(gòu)型式

±800kV普洱換流站高端閥廳平面形狀均呈矩形，平面軸線尺寸為82.7m×31.6m，高度為29.16m。高端閥廳采用鋼－鋼筋混凝土框架剪力墻混合結(jié)構(gòu)，即閥廳與換流變之間防火墻采用T型截面剪力墻，在換流變防火墻兩端采用Z型剪力墻結(jié)構(gòu)，在沒有防火墻處采用鋼結(jié)構(gòu)柱，橫向通過鋼屋架聯(lián)系，鋼柱沿縱向設(shè)置支撐體系，共同形成框、排架結(jié)構(gòu)體系。普洱換流站高端閥廳三維圖見圖1。

2 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

用有限元軟件ANSYS對鋼－鋼筋混凝土框架剪力墻混合結(jié)構(gòu)型式閥廳進(jìn)行建模態(tài)分析。所有梁柱、鋼屋架構(gòu)件和支撐均采用三維空間梁單元，單元型號為BEAM189梁單元；鋼筋混凝土剪力墻采用空間殼單元，單元型號為SHELL63殼單元；屋面檁條屬于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，與填充墻和活荷載一樣，主要考慮質(zhì)量的影響，采用MASS21模擬；閥塔結(jié)構(gòu)中的吊索采用索單元模擬，閥塔采用殼單元模擬。

有限元分析結(jié)果表明閥廳整體結(jié)構(gòu)的第一階振型的振動頻率為2.362 2Hz，其第一振型為平動，這就避免了由于閥廳防火墻和鋼柱縱向剛度分布不均勻，第一振型為扭轉(zhuǎn)的情況。

3 結(jié)構(gòu)布置

3.1 鋼屋架

屋架采用單斜腹桿體系的梯形鋼屋架，上下弦及腹桿均采用雙角鋼拼接截面，腹桿與弦桿通過節(jié)點(diǎn)板采用螺栓連接。其一端支承于鋼筋混凝土剪力墻頂部，另一端由鋼柱支承，屋架與鋼柱、屋架與防火墻均按鉸接節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)。在兩橫向T型短肢剪力墻之間設(shè)置鋼筋混凝土框架托梁，其跨中布置一榀鋼屋架，使得鋼屋架間距為常規(guī)尺寸5～6m，以方便屋面檁條、屋架水平支撐及柱間支撐的選型。屋架節(jié)間應(yīng)盡可能設(shè)在屋架下弦懸吊荷載點(diǎn)或與懸吊荷載點(diǎn)在同一縱向軸線上，否則須考慮懸吊荷載對下弦桿產(chǎn)生的彎矩作用。

3.2 屋蓋支撐

閥廳兩端和中間開間各設(shè)一道屋架上下弦橫向交叉支撐，屋架下弦平面設(shè)置縱向交叉支撐，縱向支撐與橫向支撐布置為封閉型；豎向支撐設(shè)置在橫向支撐的屋架間；屋架上、下弦節(jié)點(diǎn)處設(shè)置屋架通長水平系桿，當(dāng)閥吊梁與下弦通長水平系桿重合時，用閥吊梁兼做下弦通長水平系桿。屋蓋支撐及系桿采用方鋼管，其回轉(zhuǎn)半徑大，連接方便，節(jié)省鋼材量。

3.3 鋼柱及柱間支撐

閥廳鋼柱采用熱軋H型鋼，鋼筋混凝土剪力墻可作為鋼柱平面內(nèi)支撐，鋼柱平面內(nèi)計(jì)算長度按有支撐框架結(jié)構(gòu)計(jì)算，平面外計(jì)算長度按無支撐框（排）架結(jié)構(gòu)計(jì)算。柱間支撐采用交叉支撐，與屋蓋上、下弦橫向支撐及垂直支撐設(shè)在同一柱距內(nèi)，柱間支撐采用方形鋼管。

4 閥廳節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

4.1 閥吊梁連接節(jié)點(diǎn)

換流閥塔懸吊梁采用熱軋H型鋼，熱軋H型鋼上翼緣與屋架下弦雙角鋼底部平齊連接，采用這樣的連接方式的好處有：1）閥吊梁位于弦桿下方，與屋架下弦水平支撐不在同一水平面內(nèi)，有利于避開屋架下弦水平支撐；2）連接位于閥吊梁上方，不受閥吊梁下方設(shè)備連接孔位置影響；3）連接螺栓為受拉狀態(tài)，螺栓對節(jié)點(diǎn)偏心小。

閥吊梁之間連接方式宜采用端板拼接螺栓連接，這種連接方式可以避免閥吊梁因節(jié)點(diǎn)滑移和側(cè)向變形而影響換流閥懸掛點(diǎn)平面的平整度，但設(shè)計(jì)中也有些地方需要注意：1）螺栓主要為受剪狀態(tài)，螺栓對節(jié)點(diǎn)有一定偏心且偏心彎矩對螺栓受力影響較大，計(jì)算中需考慮其不利作用；2）在局部地方，端板突出翼緣的部分會與屋架下弦桿件發(fā)生碰撞，需要將端板與桿件進(jìn)行剖口焊接。

4.2 屋架與防火墻連接節(jié)點(diǎn)

屋架端部直腹桿采用熱軋H型鋼代替雙角鋼，屋架上下弦與直腹桿用螺栓連接，H型鋼與防火墻混凝土采取預(yù)埋地腳螺栓方式連接，采用這樣的連接方式便于加工和連接。同時為便于支座螺栓定位、支座面平整及增加支座抗剪能力，防火墻頂部預(yù)埋鋼板。

4.3 鋼柱柱腳節(jié)點(diǎn)

由于該工程抗震設(shè)防烈度為8度，鋼柱柱腳采用插入式柱腳，插入深度不小于鋼柱截面高度的2.5倍。柱腳彎矩通過焊于鋼柱翼緣上的抗剪圓柱頭栓釘傳給鋼筋混凝土基礎(chǔ)。同時為了方便鋼柱安裝，杯口底部設(shè)置兩塊25mm厚安裝用鋼墊塊。

5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

如果普洱換流站高端閥廳采用全鋼結(jié)構(gòu)型式，兩種結(jié)構(gòu)型式閥廳技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較見表1。

表1 兩種結(jié)構(gòu)型式閥廳技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

從表1可知，鋼－鋼筋混凝土框架剪力墻混合結(jié)構(gòu)相比于全鋼結(jié)構(gòu)型式閥廳，鋼柱截面小，鋼材量節(jié)約了300t，鋼筋混凝土節(jié)約了190m3，增加了240mm厚磚墻量470m3，造價(jià)節(jié)約了280.6萬元。

6 結(jié) 論

普洱換流站高端閥廳采用鋼－鋼筋混凝土框架剪力墻混合結(jié)構(gòu)，通過和全鋼結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較可知，這種結(jié)構(gòu)型式既保證了閥廳防火墻結(jié)構(gòu)剛度和抗震性能，且使閥廳縱向剛度分布均勻，又避免了全鋼結(jié)構(gòu)造價(jià)高、對施工工藝要求高和施工周期長的缺點(diǎn)。保證了結(jié)構(gòu)安全，又節(jié)省了造價(jià)，方便施工。

［1］ 劉宗輝，胡小龍，陳傳新.換流站閥廳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：增刊，2006（39）：20－24.

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