大容量柔性直流換流站大跨度重型屋蓋閥廳鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

張熠　魏志強　黃黎琴

(福建省電力勘測設(shè)計院　福建福州　350001)

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大容量柔性直流換流站大跨度重型屋蓋閥廳鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

張熠魏志強黃黎琴

(福建省電力勘測設(shè)計院福建福州350001)

廈門大容量柔性直流換流站閥廳為大跨度重型屋蓋鋼結(jié)構(gòu)，由于閥廳結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和重要性，采用Midas軟件對結(jié)構(gòu)進行建模、計算和設(shè)計。文章分析了閥廳結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形及抗震能力。結(jié)果表明，該閥廳結(jié)構(gòu)形式安全合理，滿足規(guī)范和使用要求，具有良好的抗震性能。同時，計算結(jié)果顯示，大跨度鋼屋架采用重型屋蓋時，豎向地震對結(jié)構(gòu)的軸力影響較為顯著，在構(gòu)件設(shè)計時應(yīng)特別注意。

大跨度；鋼結(jié)構(gòu)；重型屋蓋；設(shè)計研究

0　引言

柔性直流輸電技術(shù)是一種新興的輸電技術(shù)，閥廳是柔性直流換流站中最為重要的核心建筑物。目前，國內(nèi)柔性直流換流站正處于探索研究階段，類似工程十分稀少，特別在大容量柔性直流輸電工程方面還未有工程投運?？v觀國內(nèi)已建成的普通高壓直流工程，其閥廳跨度一般小于30m，不同于普通直流工程，大容量柔性直流換流站閥廳跨度比普通直流工程大得多，且建筑及工藝布置極為復(fù)雜，對結(jié)構(gòu)設(shè)計要求較高。鑒于其重要性，在目前無類似工程可以借鑒的情況下，本文以廈門柔性直流輸電科技示范工程(換流站部分)閥廳結(jié)構(gòu)為依托，對重型屋蓋大跨度閥廳鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計進行一些探討，以期對以后類似工程設(shè)計提供借鑒參考。

1　工程背景及閥廳結(jié)構(gòu)描述

1.1工程背景

廈門柔性直流換流站是世界上容量最大、電壓等級最高且采用真雙極接線的柔性直流換流站。目前，國內(nèi)已建成或在建的直流換流站閥廳主要有以下3種結(jié)構(gòu)形式[1]：

(1)單層鋼結(jié)構(gòu)排架體系。橫向排架由屋架和鋼柱(強軸方向)組成，縱向結(jié)構(gòu)由托架、鋼柱(弱軸方向)及柱間支撐等組成。

(2)鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)體系。該體系與鋼結(jié)構(gòu)排架體系類似，屋架采用鋼結(jié)構(gòu)，只是將鋼排架柱用混凝土排架柱代替。

(3)混合結(jié)構(gòu)體系。這種結(jié)構(gòu)體系屋架也采用鋼屋架，靠近換流變防火墻一側(cè)縱向排架與換流變防火墻結(jié)合，采用鋼筋混凝土剪力墻或框剪結(jié)構(gòu)；另一側(cè)同鋼結(jié)構(gòu)排架，采用鋼柱、柱間支撐等組成排架體系。

根據(jù)工程特點及工藝布置，廈門柔性直流換流站閥廳(以下簡稱閥廳)采用上述第一種結(jié)構(gòu)體系既單層鋼結(jié)構(gòu)排架體系。

1.2閥廳結(jié)構(gòu)描述

本工程不同于普通直流工程，根據(jù)相關(guān)工藝布置及建筑布置，其閥廳具有如下特點：

(1)閥廳跨度大。普通直流換流站閥廳跨度一般在30m左右，本工程由于容量大，閥廳內(nèi)布置的閥組較多，且閥廳中間不允許設(shè)置柱子，其單跨跨度達47.2m，此跨度是國內(nèi)目前已建的柔性直流換流站或特高壓直流換流站中閥廳跨度最大的。

(2)采用重型屋蓋結(jié)構(gòu)。由于廈門地區(qū)地處沿海，臺風及雨水較多，從抗風防水等方面考慮，閥廳屋面結(jié)構(gòu)采用以壓型鋼板為底模的鋼-混凝土板組合樓板結(jié)構(gòu)。此種屋蓋自重很大，約為普通鋼結(jié)構(gòu)輕型屋面自重的5～8倍，加大了大跨度屋架的設(shè)計難度。

(3)屋架下方有懸掛荷載?？紤]到安裝檢修方便，閥廳屋架下方設(shè)有起吊重量為15t的懸掛吊車，由于大跨度及重型屋蓋的作用，屋架本身已經(jīng)產(chǎn)生較大撓度，再疊加上懸掛吊車荷載時必須合理控制大跨度屋架的變形以滿足吊車正常運行要求。

由于其復(fù)雜性和重要性，應(yīng)對其受力特點及抗震性能進行結(jié)構(gòu)分析，驗證其適用性和安全性。

2　閥廳結(jié)構(gòu)計算分析

本設(shè)計采用有限元結(jié)構(gòu)分析程序Midas對閥廳結(jié)構(gòu)進行建模和計算，并對計算結(jié)果進行分析，論證結(jié)構(gòu)方案的適用性和合理性。同時，閥廳的安全等級為一級的重要建筑，為保證結(jié)構(gòu)計算的準確性，本工程采用國內(nèi)普遍使用的結(jié)構(gòu)計算設(shè)計軟件PKPM中的PMSAP模塊進行計算結(jié)果校驗。

2.1模型介紹

本工程閥廳結(jié)構(gòu)跨度為47.2m，跨中高度16.5m，采用梯形鋼屋架。屋架上下弦與柱為鉸接，屋架腹桿與上下弦為鉸接。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50017-2003)中相關(guān)規(guī)定，當主材采用H形、箱形截面等剛度較大的截面，且桁架平面內(nèi)截面高度與其幾何長度之比大于1/10(對弦桿)或大于1/15(對腹桿)時，應(yīng)考慮節(jié)點剛性所引起的次彎矩[2]。本工程屋架弦桿滿足上述要求且實際加工過程中弦桿在節(jié)點處一般不斷開，為了滿足規(guī)范要求和更加精細地分析屋架的次應(yīng)力，計算模型中弦桿與腹桿連接時腹桿端部釋放彎矩，弦桿不釋放彎矩。同時，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》中對梯形屋架的要求，屋架弦桿與柱一般采用鉸接，并通過上下弦桿的軸力傳遞部分彎矩[3]，因此計算模型中屋架弦桿與柱連接時弦桿端部應(yīng)釋放彎矩。主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件桿件截面尺寸見表1。

表1　主要構(gòu)件截面尺寸表　mm

計算模型中，閥廳的結(jié)構(gòu)體系按如下方式建立:閥廳橫向通過鋼屋架上下弦與鋼柱鉸接形成排架；縱向通過聯(lián)系梁、柱間支撐與柱鉸接形成排架[4]；鋼柱與基礎(chǔ)之間為剛接。屋架端部高度3.0m，屋脊高度4.5m，節(jié)間長度3.0m。模型示意圖詳見圖1。

(a)單榀屋架立面圖

(b)閥廳鋼結(jié)構(gòu)midas整體模型圖圖1　閥廳結(jié)構(gòu)模型圖

2.2計算結(jié)果分析

2.2.1屋架結(jié)構(gòu)承載力、穩(wěn)定性分析

由于主要結(jié)構(gòu)體系已確定，結(jié)構(gòu)設(shè)計時首先應(yīng)使各鋼構(gòu)件的承載力及穩(wěn)定滿足規(guī)范規(guī)定的承載能力極限狀態(tài)要求。此時，荷載效應(yīng)組合取基本組合。屋架各桿件計算長度根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50017-2003)的規(guī)定取值。由于本工程閥廳采用的是大跨度的重型屋蓋結(jié)構(gòu)，在計算過程中應(yīng)特別注意豎向地震的影響。經(jīng)過計算分析，屋架桿件應(yīng)力比詳見表2、圖2。

表2　屋架桿件最大應(yīng)力比

(a)自重+活載+X向風載工況結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

(b)自重+活載+Y向風載工況結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

(c)自重+活載+X向地震工況結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

(d)自重+活載+Y向地震工況結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖
圖2各工況下屋架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

表2、圖2顯示，屋架結(jié)構(gòu)承載力、穩(wěn)定性滿足規(guī)范相關(guān)要求。桿件應(yīng)力比控制在0.7～0.9之間，有一定的安全儲備。由于下弦桿為受拉構(gòu)件，其承載力由受拉軸向強度控制，因此應(yīng)力比較小。同時，屋架端部斜腹桿受力明顯大于中間腹桿，中間弦桿的軸力大于兩端弦桿。此外，與水平地震不同，豎向地震主要影響桿件的軸力，而屋架桿件的截面完全由軸力大小決定，軸力對排架柱的設(shè)計也有重要影響。因此，桿件應(yīng)力比的荷載工況應(yīng)取水平地震及豎向地震荷載組合的包絡(luò)值，在設(shè)計時應(yīng)特別注意。

2.2.2屋架結(jié)構(gòu)位移分析

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，結(jié)構(gòu)設(shè)計的另一項重要內(nèi)容是結(jié)構(gòu)還應(yīng)滿足正常使用極限狀態(tài)要求。此時，荷載效應(yīng)組合取標準組合或準永久組合。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50017-2003)附錄A，受彎構(gòu)件撓度限值：桁架為L/400(永久和可變荷載標準值產(chǎn)生的撓度)或L/500(可變荷載標準值產(chǎn)生的撓度)如表3。由于本工程閥廳結(jié)構(gòu)跨度大且采用重型屋蓋，同時，工藝布置對屋蓋撓度有一定的要求，控制好屋蓋結(jié)構(gòu)位移也是本工程閥廳結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵點。經(jīng)計算，本工程聯(lián)合樓閥廳屋架結(jié)構(gòu)位移如圖3所示。

表3　屋架撓度表(mm)

由表3數(shù)據(jù)可看出，大跨度屋架的跨中撓度較大，在弦桿應(yīng)力比不大(0.7左右)的情況下，其最不利工況下的最大撓度已經(jīng)接近規(guī)范限值。因此，大跨度屋架特別是重型屋蓋大跨度屋架的設(shè)計往往由撓度控制?？紤]起拱L/500后，屋架在最不利情況下的撓度為5mm～16mm，滿足規(guī)范規(guī)定的撓度要求和懸掛單軌吊車的運行要求。

2.2.3屋架結(jié)構(gòu)弦桿次應(yīng)力分析

(a)自重工況屋架撓度圖 (b)屋面活載工況屋架撓度圖 (c)吊車工況屋架撓度圖圖3　各工況下屋架結(jié)構(gòu)位移云圖

如前所述，由于屋架弦桿在節(jié)點處不釋放彎矩，弦桿在節(jié)點處會產(chǎn)生一定的彎矩。為了比較弦桿釋放與不釋放彎矩對桿件軸力的影響及弦桿不釋放彎矩時次彎矩對桿件總應(yīng)力的影響。通過對兩種計算模型的對比分析，計算結(jié)果如表4所示。

表4　梯形屋架弦桿次應(yīng)力計算結(jié)果表

以上結(jié)果可以看出，當弦桿不釋放彎矩時其軸力較釋放彎矩時大1.5%左右；由次彎矩引起的次應(yīng)力占桿件總應(yīng)力的14%左右。因此，大跨度屋架設(shè)計其次彎矩對結(jié)構(gòu)承載力的影響是不可忽略的。

3　閥廳結(jié)構(gòu)抗震分析

3.1模態(tài)分析

在結(jié)構(gòu)抗震分析時，首先對結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析。為了使參與質(zhì)量達到90%以上，本結(jié)構(gòu)計算了前9階振型和頻率，其中前3階頻率列于表5。計算表明結(jié)構(gòu)基頻頻率為1.023Hz，其X、Y、Z 3個方向的主導(dǎo)模態(tài)頻率分別為1.023Hz(第1階)、1.211Hz(第2階)、1.332Hz(第3階)。

表5　模態(tài)分析結(jié)果

由模態(tài)分析可知，結(jié)構(gòu)第一、二振型均為平動，說明本工程結(jié)構(gòu)布置可保證在地震作用下結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)得到有效控制。

3.2三向地震反應(yīng)譜分析

本文采用振型分解反應(yīng)譜法并考慮三向地震作用對結(jié)構(gòu)進行計算，分析結(jié)構(gòu)的抗震性能。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011—2011規(guī)定，廈門地區(qū)抗震設(shè)防基本烈度為7度，地震加速度峰值0.15g，設(shè)計地震分組為第二組。多遇地震作用下鋼結(jié)構(gòu)阻尼比為0.04[4]。

(1)位移分析

地震作用下的位移分析主要指豎向構(gòu)件(鋼柱)的柱頂位移分析。X方向地震(平行屋架方向)作用下柱頂位移為13.7mm，由于設(shè)置了柱間支撐，Y方向地震(垂直屋架方向)作用下柱頂位移為9.9mm。多遇地震下結(jié)構(gòu)彈性位移角1/2 177≤1/250，滿足規(guī)范要求[4]。

(2)應(yīng)力分析

在三向地震作用下，通過荷載組合，鋼柱最大應(yīng)力比為0.74，屋架弦桿最大應(yīng)力為0.71，均滿足要求。同時，計算結(jié)果顯示，本工程由于采用了重型屋蓋，豎向地震作用對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響不僅明顯大于水平地震，其對鋼柱、屋架弦桿軸力及鋼柱彎矩的影響也大于活荷載。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計計算時，由于分項系數(shù)有區(qū)別，在選取有地震作用參與的荷載組合進行構(gòu)件設(shè)計時應(yīng)特別注意考慮以豎向地震為主的組合。

4　結(jié)論

(1)由于豎向地震主要影響構(gòu)件軸力，同時荷載組合時分項系數(shù)有區(qū)別，大跨度重型屋蓋閥廳鋼結(jié)構(gòu)在選取有地震作用參與的荷載組合進行構(gòu)件設(shè)計時應(yīng)特別注意考慮以豎向地震為主的組合。

(2)大跨度重型屋蓋鋼結(jié)構(gòu)閥廳由于跨度及屋蓋荷載大，其結(jié)構(gòu)設(shè)計往往由結(jié)構(gòu)變形控制。

(3)大容量柔性直流換流站閥廳采用大跨度重型屋蓋鋼屋架結(jié)構(gòu)滿足工程實際要求，其承載能力和變形能力均滿足規(guī)范要求，并具有良好抗震性能。

[1]馬勇杰.換流站閥廳結(jié)構(gòu)選型與抗震分析[J]. 電力建設(shè)，2009，30(2).

[2]GB50017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[3]鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[4]GB50011-2010 建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

The Design Study of Long Span Valve Hall with Heavy Roof of Large Capacity Flexible Direct Current Converter Station

ZHANG YiWEI ZhiqiangHUANG Liqin

(Fujian Electric Power Survey and Design Institute, Fuzhou 350001)

A long span steel structure with heavy roof was adopted in the valve hall of Xiamen large capacity flexible direct current converter station. Due to the complexity and significance of the valve hall structure，Midas software was used to modeling, calculate and design the structure in this paper. Then the stress, deformation and seismic capacity of the valve hall were analyzed. The results show that the structure of the valve hall is safe and reasonable, which can meet the requirements of the specification and use, and has excellent seismic performance. At the same time, the calculation results also show that Large span steel roof truss with heavy roof, the impact of vertical seismic for structure component axial force is significant.

Long span; Steel structure; Heavy roof; Design study

張熠(1983.9-)，男。

E-mail:54115578@qq.com

2016-03-21

TU391

A

1004-6135(2016)08-0050-04