換流站閥廳結(jié)構(gòu)的非線性動力分析

胡孝平，袁 健

（1.蘇州市吳江區(qū)代建項目管理局 ，江蘇蘇州215000；

2.中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南長沙410004）

換流站閥廳結(jié)構(gòu)的非線性動力分析

胡孝平1，袁 健2

（1.蘇州市吳江區(qū)代建項目管理局 ，江蘇蘇州215000；

2.中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南長沙410004）

采用有限元軟件SAP2000對一鋼框架－剪力墻結(jié)構(gòu)的換流站閥廳在罕遇地震作用下的非線性動力性能進(jìn)行分析。計算過程中，分別使用了三條典型地震波，最后分別得到了柱頂位移、柱底力及索軸力的時程曲線。計算結(jié)果表明，在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)位移可滿足規(guī)范的要求，但索軸力和柱底力的增幅均較大，在設(shè)計時應(yīng)給予重視。

SAP2000；閥廳；罕遇地震；動力分析

隨著我國電網(wǎng)的高速發(fā)展，換流站在全國得到了廣泛的應(yīng)用。換流站閥廳結(jié)構(gòu)不僅是直流輸電工程建設(shè)中的關(guān)鍵性設(shè)施之一，而且也是電網(wǎng)系統(tǒng)工程中不可或缺的一個組成部分，其主要結(jié)構(gòu)特點是在屋架下懸吊有多組大質(zhì)量的閥組，抗震規(guī)范對于具有懸吊質(zhì)量結(jié)構(gòu)沒有給出其在地震作用下結(jié)構(gòu)計算的取值方法。換流閥組和懸索是換流站中的關(guān)鍵設(shè)備，它們的工作條件對抗震也有嚴(yán)格要求，因此閥廳結(jié)構(gòu)抗震性能的研究日益受到重視［1－5］。

對于具有懸吊質(zhì)量的結(jié)構(gòu)體系，國內(nèi)外均已進(jìn)行過專門的研究，但研究的重點主要是結(jié)構(gòu)的振動控制，且多數(shù)也是為了減震才加入懸吊質(zhì)量的，因此，在計算中往往忽略懸吊質(zhì)量擺動產(chǎn)生的離心力及其對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的效應(yīng)。閥廳結(jié)構(gòu)的懸吊閥組是作為其固有的組成部分而存在的，由于閥組的質(zhì)量很大，因此為了保證閥廳設(shè)備的安全運行，有必要對其懸吊閥組在罕遇地震作用下的索軸力及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)效應(yīng)進(jìn)行研究。

1 結(jié)構(gòu)體系及有限元模型

該結(jié)構(gòu)采用鋼框架－混凝土剪力墻的混合結(jié)構(gòu)形式，并且還具有多組大質(zhì)量的懸吊閥組。此閥廳結(jié)構(gòu)閥組設(shè)備在吊梁處的平面布置如圖1所示，⑦軸處的剖面如圖2所示。?軸采用鋼筋混凝土剪力墻，由于其還有特殊的工藝要求，一般稱作防火墻。①軸、?軸及屋架采用鋼結(jié)構(gòu) ，鋼柱的截面為HW600×600×18×25。閥組及其相關(guān)設(shè)備采用懸索懸掛于水平鋼梁上，閥組共有6層，層與層之間采用懸索連接，整個結(jié)構(gòu)共有6組閥組，一組閥組重12 t，屋面活荷載［6］取0.5 kN／m2。

圖1 閥廳結(jié)構(gòu)平面布置

圖2 閥廳結(jié)構(gòu)剖面示意

該閥廳結(jié)構(gòu)位于7度地震區(qū)，房屋總長度52m，總寬度21.87m，建筑物總高度20.6m。

采用SAP2000進(jìn)行非線性動力分析，防火墻采用分層殼單元模擬，材料包括鋼筋和混凝土，其中鋼筋層可以根據(jù)已有鋼筋面積換算成鋼筋層。分層殼單元考慮了面內(nèi)彎曲－面內(nèi)剪切－面外彎曲之間的耦合作用，剪力墻的塑性行為是通過對分層殼模型的非線性分析來實現(xiàn)的。

鋼屋架及鋼柱采用梁單元模擬；懸吊閥組采用殼單元模擬；閥組的懸索采用索單元模擬，只受拉不受壓，SAP2000中對此單元的處理是非線性的；所有材料的強度均取標(biāo)準(zhǔn)值；分析中主要考慮結(jié)構(gòu)幾何非線性、索及鋼柱塑性鉸的非線性。閥廳結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖3所示。

1.1 塑性鉸

目前國內(nèi)規(guī)范尚未提供構(gòu)件彈塑性變形限值，國際上一般采用以抗震性能為基準(zhǔn)的FEMA356［7］所提供的限值。

彎矩－轉(zhuǎn)角的非線性恢復(fù)力滯回曲線的骨架曲線根據(jù)FEMA356建立，如圖4所示。在A點與B點內(nèi)，鉸內(nèi)沒有變形發(fā)生，所有彈性變形在框架單元內(nèi)發(fā)生，點 IO，LS及CP代表能力水平，它們分別對應(yīng)直接使用、生命安全及防止倒塌。

圖3 閥廳結(jié)構(gòu)的有限元模型

圖4 彎矩－轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線

在①至⑧軸柱底分別定義PM鉸，塑性鉸的屬性基于FEMA356，其屬性還依賴于截面。

在SAP2000中規(guī)定，鉸的行為是剛塑性的，沒有彈性行為的；當(dāng)框架單元出現(xiàn)塑性行為時，塑性行為全部在鉸內(nèi)部發(fā)生，而框架只發(fā)生彈性變形。

1.2 動力方程的數(shù)值解法

采用逐步積分的Wilson－θ法，這是一種無條件穩(wěn)定的線性加速度方法［8－9］。在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的阻尼比取5%。

運用Wilson－θ法，可對水平地震作用下的閥廳結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性動力分析，求解結(jié)構(gòu)的運動方程，從而得到結(jié)構(gòu)在計算時間內(nèi)每一時刻的地震反應(yīng)。

2 模態(tài)分析

屋面的維護(hù)結(jié)構(gòu)和墻面均選用壓型鋼板，荷載的取值在有限元計算時僅考慮其自重，最后將各鋼板的自重及屋面的活荷載均轉(zhuǎn)化為線荷載作用在結(jié)構(gòu)上而不考慮壓型鋼板對結(jié)構(gòu)的支撐作用［5］。

結(jié)構(gòu)模態(tài)分析的主要誤差在于結(jié)構(gòu)質(zhì)量的統(tǒng)計上，在SAP2000中結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和自重是兩個相互獨立的概念，可以采用質(zhì)量源的概念來得到用于結(jié)構(gòu)模態(tài)分析的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。由鋼板自重轉(zhuǎn)化而來的線荷載可再一次轉(zhuǎn)化為質(zhì)量源參與結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析。表1給出了結(jié)構(gòu)振型對應(yīng)的周期［10－12］。

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表1 閥廳結(jié)構(gòu)的自振周期 單位：

表1為閥廳結(jié)構(gòu)前5階自振周期，由表1可以看出，是否掛閥對結(jié)構(gòu)自振周期影響很小，掛閥前與掛閥后的振動模態(tài)是相似的，其中表1所列模態(tài)為整體結(jié)構(gòu)的振動模態(tài)（不包括閥體的振動模態(tài)），其中第一振型為縱向平動，第二振型為橫向振動，第三振型為扭轉(zhuǎn)振動，且扭轉(zhuǎn)主要表現(xiàn)在①號軸這一側(cè)，由于⑨至⑩軸處存在多片剪力墻，因此剛度較大，在第三階模態(tài)中表現(xiàn)不明顯。由上述模態(tài)分析結(jié)果可見，本文與文獻(xiàn)［13］的分析結(jié)果相比明顯不同，主要是因為本文所采用的防火墻為鋼筋混凝土剪力墻且總體結(jié)構(gòu)形式較文獻(xiàn)［13］不規(guī)則，而文獻(xiàn)［13］中的防火墻采用的是框架且總體結(jié)構(gòu)形式較為規(guī)則，因此模態(tài)分析結(jié)果表現(xiàn)出一定的差異性。

3 不同地震波作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)

震害結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)承載力是正常使用的保證，結(jié)構(gòu)的耗能和延性是大震不倒的保證。因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，不僅要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震作用下的計算，還需對其進(jìn)行大震作用下的變形驗算。由于該閥廳結(jié)構(gòu)同一般工業(yè)廠房沒有太大的差別，在靜力計算與設(shè)計等各方面都比較成熟，因此本文著重探討閥組懸索在地震作用下的內(nèi)力變化及其對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，為該類結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考［5，14－16］。

計算時采用三條波分別為El－Centro波，記錄時間（1940年5月18日），卓越周期為0.55 s、Taft波，記錄時間（1952年7月21日），卓越周期為0.44 s及天津波，記錄時間（1976年11月25日），卓越周期為0.9 s。與基本烈度7度對應(yīng)的罕遇地震作用下的水平地震加速度峰值為220 gal，因此筆者將各地震波的峰值加速度均調(diào)整為220 gal。在進(jìn)行動力非線性分析時，選擇Sap2000中的直接積分的非線性時程分析。結(jié)構(gòu)③號軸線對應(yīng)鋼柱的力、位移時程曲線，如圖5所示；結(jié)構(gòu)一組索（六根索）的軸力時程曲線，如圖6所示，其中索軸力為懸吊閥組在擺動過程中產(chǎn)生的動拉力，不包括閥組本身的自重；圖中所示柱的力、位移時程均為動力反應(yīng)部分（不含靜力分析部分）。各鋼柱頂?shù)撵o動力位移峰值如表2所示。

動力計算的結(jié)果表明，各鋼柱的底部均未出現(xiàn)塑性鉸，鋼柱底部仍處于彈性工作狀態(tài)。由圖5及表2，表3可知，在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)較大，但以鋼柱處的最大位移計算的層間位移角不到2／1000。柱底軸力最大增幅達(dá)20% ，柱底剪力最大增幅達(dá)10%，其最大剪應(yīng)力水平仍遠(yuǎn)小于1，不會出現(xiàn)剪切破壞，柱底彎矩最大增幅達(dá)49%；由圖6可知，其中索的軸力最大增幅達(dá)18%。構(gòu)件內(nèi)力的最大增量?。跰ax（地震作用下的內(nèi)力）／靜力分析的內(nèi)力］－1。由于閥組在振動的過程中會產(chǎn)生比較大的離心力，因此柱底軸力的增加幅度受此因素的影響較大，索軸力與柱底軸力的增大幅度表現(xiàn)比較接近［5］。

圖5 鋼柱的力、位移時程

圖6 索軸力時程

表2 柱頂位移 單位：mm

表3 結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)部分峰值比較

由表3可知，在罕遇地震作用下，閥廳結(jié)構(gòu)柱頂?shù)膭游灰品逯禐?2.8mm（El－Centro波），柱頂位移的最大反應(yīng)相差可達(dá)38%，因此不同場地類別的地震波對結(jié)構(gòu)柱頂位移反應(yīng)的影響較大。

4 結(jié) 論

由于閥廳結(jié)構(gòu)的功能要求，在其剪力墻一側(cè)共布置了七片橫向防火墻，使得整個結(jié)構(gòu)的橫向剛度得到了增強，所以結(jié)構(gòu)的縱向振動模態(tài)早于橫向振動模態(tài)的出現(xiàn)。結(jié)構(gòu)的振動主要包括懸吊閥組各質(zhì)量塊的來回擺動及扭轉(zhuǎn)與整體結(jié)構(gòu)的平動、扭轉(zhuǎn)及部分桿件的局部振動。

換流站閥廳結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)分析的計算結(jié)果表明：

（1）在7度罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)較大，結(jié)構(gòu)柱頂位移可滿足規(guī)范的要求。在閥廳結(jié)構(gòu)抗震研究中，最關(guān)鍵的設(shè)備是懸索與閥組，其中索的軸力最大增幅達(dá)18%，由于現(xiàn)在還缺少相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，其安全性有待試驗驗證；柱底軸力、剪力及彎矩最大增幅分別達(dá)20%、10%及49%。由于閥組的振動對柱底軸力的增加幅度產(chǎn)生了較大影響，因此索軸力與柱底軸力的增大幅度表現(xiàn)比較接近。其中，柱底彎矩增幅最大，需引起重視，但由于此處設(shè)計的柱子斷面尺寸較大，其一直未進(jìn)入塑性工作狀態(tài)，設(shè)計偏于保守。

（2）由于結(jié)構(gòu)動力特性的復(fù)雜性，柱頂位移反應(yīng)受不同場地類別地震波的影響較大。

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Non－linear Dynamic Analysis of the Valve－h(huán)all Structure

HU Xiao－ping1，YUAN Jian2
（1.Administration of Agent Construction Project，Wujiang Districtof Suzhou City，Suzhou，Jiangsu 215000，China；2.School of Civil Engineering and Mechanics，Central South University of Forestry&Technology，Changsha，Hunan 410004，China）

The non－linear time－h(huán)istory analysis of steel frame－shearwall structure of the valve－h(huán)allwas presented，three typical seismicwaveswere used and the analysis of the valve－h(huán)allwas accomplished by using the finite element software SAP2000.Finally，the time－h(huán)istory of top of the column displacement，bottom of the column force and axial force of the cableswere obtained.The results indicate that the seismic performance of the valve－h(huán)all can satisfy the criterion of the seismic code in rare earthquakes But the bottom of the column force and axial force of the cableswere highly increased in the analysis，somore attention should be given to the design regarding to this.

SAP2000；valve hall；rare earthquake；dynamic analysis

TU398＋.2

A

1672—1144（2014）04—0120—04

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.04.023

2014－02－18

2014－03－13

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技研發(fā)項目（2013－K4－21）

胡孝平（1982—），男 ，江蘇蘇州人 ，碩士 ，工程師，主要從事建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計與理論研究。