高烈度地震區(qū)±500 kV換流站閥廳結(jié)構(gòu)選型分析

何 勇，劉 超，馮仁德

(西南電力設(shè)計院有限公司，四川 成都 610021)

1 概述

閥廳是直流換流站中用于布置換流閥的主要生產(chǎn)建筑物，通常一幢閥廳布置一個換流單元及相關(guān)設(shè)備；其與換流變壓器一般聯(lián)合布置，并設(shè)置防火墻(閥廳防火墻)進行分隔。閥廳常用的結(jié)構(gòu)形式主要有鋼－鋼筋混凝土混合結(jié)構(gòu)(簡稱混合結(jié)構(gòu))、全鋼結(jié)構(gòu)兩類。其中，混合結(jié)構(gòu)利用防火墻作為閥廳豎向承重及抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的組成部分，具有結(jié)構(gòu)剛度大、結(jié)構(gòu)耗鋼量小的優(yōu)點；但其抗側(cè)力構(gòu)件平面布置不規(guī)則，地震作用下結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯。國內(nèi)對于±800 kV換流站高端閥廳采用混合結(jié)構(gòu)已開展了相關(guān)扭轉(zhuǎn)變形分析、抗震性能分析等研究工作，但有關(guān)±500 kV換流站閥廳的研究分析成果較少。并且由于對混合結(jié)構(gòu)抗震性能認識不足，以及對結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計的忽視，目前國內(nèi)已建成的絕大部分±500 kV換流站閥廳均采用了混合結(jié)構(gòu)。

本文依托±500 kV金官換流站閥廳設(shè)計，通過對混合結(jié)構(gòu)、全鋼結(jié)構(gòu)兩類結(jié)構(gòu)形式分別進行靜力、動力分析，著重研究了其結(jié)構(gòu)剛度、承載能力及抗震性能，提出了高烈度地震區(qū)±500 kV換流站閥廳結(jié)構(gòu)選型建議。

2 工程概況

±500 kV金官換流站為云南金沙江中游電站送電廣西直流輸電工程送端換流站，站址位于云南省麗江市永勝縣三川鎮(zhèn)，工程場地地震基本烈度Ⅷ度，地震動峰值加速度0.22g，特征周期0.40 s；站址50年一遇基本風(fēng)壓0.30 kPa。

根據(jù)電氣總布置，換流區(qū)域的閥廳、主控樓和換流變壓器采用“一字型”布置。閥廳、主控樓背靠直流場聯(lián)合布置，主控樓居中，兩側(cè)平行布置極1閥廳、極2閥廳；12臺換流變壓器一字排開，背靠閥廳，布置在其北側(cè)，面向交流場，見圖1。

圖1 換流區(qū)域布置圖

單極閥廳平面尺寸為58.00 m(長)×25.00 m(寬)，高度19.100 m(屋架下弦標(biāo)高)。

3 結(jié)構(gòu)選型

±500 kV換流站閥廳為單層單跨工業(yè)廠房，根據(jù)閥廳工藝布置、建筑特點，其主體結(jié)構(gòu)可以采用的結(jié)構(gòu)形式主要有混凝土結(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu)、全鋼結(jié)構(gòu)三類。

3.1 混凝土結(jié)構(gòu)

混凝土結(jié)構(gòu)閥廳的主體結(jié)構(gòu)由鋼筋混凝土框架與鋼屋架承重的有檁體系輕型鋼屋蓋組成；其橫向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)為框架柱與鋼屋架鉸接構(gòu)成的單跨排架，縱向為多跨鋼筋混凝土框架。換流變側(cè)的鋼筋混凝土框架填充墻兼作防火墻。

混凝土結(jié)構(gòu)閥廳具有結(jié)構(gòu)剛度分布均勻、無需防火保護、造價較低等優(yōu)點。但由于鋼筋混凝土框架柱截面高度大，造成橫向軸線尺寸加大，閥廳占地面積增加；另一方面，混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場作業(yè)量大，施工工期較長；此外，由于混凝土結(jié)構(gòu)無法實現(xiàn)電磁屏蔽，還需單獨采取屏蔽措施。因此，混凝土結(jié)構(gòu)體系閥廳在國內(nèi)±500 kV換流站的實際工程應(yīng)用極少。

3.2 混合結(jié)構(gòu)

混合結(jié)構(gòu)包括鋼－鋼筋混凝土墻混合結(jié)構(gòu)和鋼－鋼筋混凝土框架混合結(jié)構(gòu)兩類。

鋼－鋼筋混凝土墻混合結(jié)構(gòu)閥廳的主體結(jié)構(gòu)由鋼柱、防火墻及鋼屋架承重的有檁體系輕型鋼屋蓋組成；其橫向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)為鋼柱、防火墻與鋼屋架構(gòu)成的單跨排架，縱向則分別為近換流變側(cè)的混凝土防火墻、遠換流變側(cè)的鋼支撐－排架；防火墻采用全現(xiàn)澆鋼筋混凝土墻，兼作閥廳豎向承重及抗側(cè)力結(jié)構(gòu)。鋼－鋼筋混凝土墻混合結(jié)構(gòu)具有閥廳占地面積較小、結(jié)構(gòu)耗鋼量較小等優(yōu)點；但是其抗側(cè)力構(gòu)件布置不規(guī)則，地震作用下結(jié)構(gòu)容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)耦連反應(yīng)。鋼－鋼筋混凝土墻混合結(jié)構(gòu)閥廳在國內(nèi)±500 kV換流站的應(yīng)用較為廣泛，2007年以前，由外方負責(zé)設(shè)計的12座±500 kV換流站全部采用了此類結(jié)構(gòu)形式。

鋼－鋼筋混凝土框架混合結(jié)構(gòu)是鋼－鋼筋混凝土墻混合結(jié)構(gòu)的改進，其主體結(jié)構(gòu)組成基本一致，但防火墻的結(jié)構(gòu)形式由全現(xiàn)澆鋼筋混凝土墻改進為鋼筋混凝土框架填充墻。改進防火墻結(jié)構(gòu)形式的目的是減輕結(jié)構(gòu)剛度分布不均勻程度，減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的扭轉(zhuǎn)響應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)抗震性能。根據(jù)吳必華等人對于±800 kV換流站高端閥廳在地震作用下的扭轉(zhuǎn)變形分析研究，鋼－鋼筋混凝土框架混合結(jié)構(gòu)的抗扭性能優(yōu)于鋼－鋼筋混凝土墻混合結(jié)構(gòu)。但在目前已完成的有關(guān)鋼－鋼筋混凝土框架混合結(jié)構(gòu)的抗震性能研究工作中，通常沒有考慮填充墻對于框架剛度的影響，因此低估了此類結(jié)構(gòu)形式的結(jié)構(gòu)剛度分布不均勻程度；此外，國內(nèi)外歷次大地震的震害調(diào)查，以及框架填充墻的有關(guān)抗震試驗、理論分析表明，填充墻的延性差、承載力低，在地震作用下通常先于主體框架發(fā)生破壞，并且在大震作用下的破壞倒塌嚴重，可能造成換流閥、換流變壓器等設(shè)備的嚴重損壞，這對于生命線工程在震中維持使用功能不中斷非常不利；因此，可以認為鋼－鋼筋混凝土框架混合結(jié)構(gòu)亦屬于抗震不利的結(jié)構(gòu)形式。鋼－鋼筋混凝土框架混合結(jié)構(gòu)體系閥廳在國內(nèi)±500 kV換流站的實際工程應(yīng)用也較多，±500 kV德陽換流站、±500 kV從化換流站等工程采用了此類結(jié)構(gòu)形式。

3.3 全鋼結(jié)構(gòu)

全鋼結(jié)構(gòu)閥廳的主體結(jié)構(gòu)由鋼柱、鋼屋架及支撐系統(tǒng)組成；其橫向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)為鋼柱、鋼屋架構(gòu)成的單跨剛架，縱向則為鋼支撐－排架。防火墻與主體結(jié)構(gòu)脫開布置，不作為閥廳豎向承重及抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，因此其結(jié)構(gòu)形式不受限制，既可采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土墻，也可采用預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)閥廳及防火墻的全裝配化建設(shè)。

全鋼結(jié)構(gòu)體系閥廳具有延性好、承載力高、受力明確的優(yōu)點；其抗側(cè)力構(gòu)件平面布置規(guī)則，符合抗震概念設(shè)計總體要求，結(jié)構(gòu)在地震作用下的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)較小，抗震性能優(yōu)越。此外，鋼結(jié)構(gòu)的裝配化程度高，現(xiàn)場作業(yè)量小，施工工期較短。但由于結(jié)構(gòu)耗鋼量略高，目前，全鋼結(jié)構(gòu)閥廳在國內(nèi)±500 kV換流站的實際工程應(yīng)用極少。

3.4 初步選型

根據(jù)抗震概念設(shè)計要求，結(jié)合工程應(yīng)用經(jīng)驗，本文初步選擇混合結(jié)構(gòu)、全鋼結(jié)構(gòu)作為高烈度地震區(qū)±500 kV換流站閥廳的備選結(jié)構(gòu)形式。由于常規(guī)的計算分析方法無法正確判定鋼－鋼筋混凝土框架混合結(jié)構(gòu)的抗震性能，同時也考慮到填充墻的延性差、抗震承載力低、大震下的震害嚴重，因此，混合結(jié)構(gòu)選擇鋼－鋼筋混凝土墻混合體系。

4 結(jié)構(gòu)布置

4.1 混合結(jié)構(gòu)

混合結(jié)構(gòu)閥廳的主體結(jié)構(gòu)由鋼柱、防火墻及鋼屋架承重的有檁體系輕型鋼屋蓋組成；防火墻采用全現(xiàn)澆鋼筋混凝土墻，兼作閥廳豎向承重及抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，見圖2。

圖2 混合結(jié)構(gòu)閥廳底層平面布置圖

閥廳橫向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)為鋼柱、防火墻與鋼屋架構(gòu)成的單跨排架，其中，混凝土防火墻是抵抗側(cè)向力的主要構(gòu)件。橫向結(jié)構(gòu)布置突破橫向換流變相間防火墻位置限制，按等間距設(shè)計，以減小閥塔吊梁及檁條、墻梁等圍護結(jié)構(gòu)的跨度，并使得閥廳兩端開間的支撐結(jié)構(gòu)具有合適的交角。

閥廳縱向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)分別是近換流變側(cè)的混凝土防火墻、遠換流變側(cè)的鋼支撐－排架?？v向鋼支撐－排架由鋼柱、系桿、交叉支撐組成。柱間交叉支撐設(shè)置兩道，分別布置于兩端開間，主要目的在于增加排架抗側(cè)剛度，減輕地震作用下角部構(gòu)件的應(yīng)力和變形集中。

閥廳屋蓋支撐系統(tǒng)由下弦水平支撐、上弦水平支撐和屋架垂直支撐組成。其中，下弦同時設(shè)置橫向水平支撐和縱向水平支撐，構(gòu)成封閉支撐體系，可靠傳遞屋蓋系統(tǒng)水平力、協(xié)調(diào)橫向結(jié)構(gòu)共同受力。上弦設(shè)置橫向水平支撐。屋蓋上、下弦橫向水平支撐與柱間交叉支撐均設(shè)于端部開間，既可共同傳遞水平力，亦可增加角部豎向承重構(gòu)件多余約束，增加鋼結(jié)構(gòu)部分抗扭剛度，提高結(jié)構(gòu)抗扭能力。

混合結(jié)構(gòu)閥廳主體結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件規(guī)格見表1。

表1 混合結(jié)構(gòu)閥廳主要構(gòu)件一覽表

4.2 全鋼結(jié)構(gòu)

全鋼結(jié)構(gòu)閥廳的主體結(jié)構(gòu)由鋼柱、鋼屋架及支撐系統(tǒng)組成；防火墻與主體結(jié)構(gòu)脫開布置，不兼作閥廳豎向承重及抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的組成部分，僅作為閥廳的圍護結(jié)構(gòu)。由于目前預(yù)制裝配式防火墻的研究尚不成熟，防火墻仍采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土墻結(jié)構(gòu)。

閥廳主體結(jié)構(gòu)與防火墻脫開布置可以采用兩種方式：一是縱向閥廳防火墻與橫向換流變相間防火墻設(shè)計為V形節(jié)點，近換流變側(cè)的鋼柱布置于V形節(jié)點內(nèi)；二是縱向閥廳防火墻與橫向換流變相間防火墻設(shè)計為T形節(jié)點，近換流變側(cè)的鋼柱與防火墻平行錯開布置。為了方便柱間支撐系統(tǒng)的布置，本文采取第二種布置方式，見圖3。

圖3 全鋼結(jié)構(gòu)閥廳底層平面布置圖

閥廳橫向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)為鋼柱與鋼屋架構(gòu)成的單跨剛架。橫向結(jié)構(gòu)對齊橫向換流變相間防火墻布置，方便換流變壓器閥側(cè)套管穿越閥廳防火墻與換流閥連接，并確保相關(guān)電氣設(shè)備導(dǎo)體的電氣凈距。

全鋼結(jié)構(gòu)的柱間支撐、屋蓋支撐系統(tǒng)設(shè)置原則與混合結(jié)構(gòu)基本一致，屋蓋上、下弦橫向水平支撐與柱間交叉支撐均設(shè)于兩端開間。

全鋼結(jié)構(gòu)閥廳主體結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件規(guī)格見表2。

表2 全鋼結(jié)構(gòu)閥廳主要構(gòu)件一覽表

5 結(jié)構(gòu)計算與分析

5.1 計算模型

結(jié)構(gòu)計算分析采用通用有限元結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計軟件STAAD.Pro，梁、柱、屋架及支撐均采用其梁單元Bea m，混凝土墻采用面單元Surface。

根據(jù)±800 kV換流站高端閥廳的抗震設(shè)計研究成果，懸掛閥塔對于閥廳主體結(jié)構(gòu)具有一定的減震作用，因此，在進行結(jié)構(gòu)計算分析時，可以按無閥結(jié)構(gòu)考慮。因此，本文在計算模型建立時不考慮懸掛閥塔。

混合結(jié)構(gòu)閥廳、全鋼結(jié)構(gòu)閥廳的結(jié)構(gòu)模型分別見圖4、圖5。

圖4 混合結(jié)構(gòu)閥廳結(jié)構(gòu)模型圖

圖5 全鋼結(jié)構(gòu)閥廳結(jié)構(gòu)模型圖

5.2 靜力分析

5.2.1 結(jié)構(gòu)剛度

根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB 50017—2003的規(guī)定，屋蓋桁架的容許撓跨比為1/400，風(fēng)荷載作用下的單層框架容許位移角為1/400(偏嚴格的按有橋式吊車的框架要求)。計算結(jié)果表明，混合結(jié)構(gòu)閥廳、全鋼結(jié)構(gòu)閥廳的屋架撓跨比、框架位移角均遠小于1/400，滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度。

表3 結(jié)構(gòu)變形

5.2.2 承載能力

計算分析表明，混合結(jié)構(gòu)閥廳、全鋼結(jié)構(gòu)閥廳的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計算應(yīng)力比均小于0.8，考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1后，應(yīng)力比小于0.9，結(jié)構(gòu)承載力均滿足要求。

表4 結(jié)構(gòu)承載力

從受力來看，混合結(jié)構(gòu)、全鋼結(jié)構(gòu)的柱及支撐均由長細比控制，內(nèi)力不大，這表明了±500 kV換流站閥廳屬于輕型廠房的本質(zhì)。屋架結(jié)構(gòu)由于屋蓋跨度較大，且下弦層懸掛有換流閥等設(shè)備，受力較大，弦桿均由強度(穩(wěn)定性)控制。對比屋架結(jié)構(gòu)的受力，全鋼結(jié)構(gòu)由于剛架效應(yīng)，其屋架受力較混合結(jié)構(gòu)略小。

5.3 動力分析

5.3.1 特征值分析

根據(jù)動力分析計算，混合結(jié)構(gòu)、全鋼結(jié)構(gòu)的前10階自振特性分別見表5。

表5 混合結(jié)構(gòu)自振特性

從混合結(jié)構(gòu)的自振特性來看，低階振型的結(jié)構(gòu)自振周期偏短，接近甚至小于場地特征周期，反映結(jié)構(gòu)剛度偏大；前10階振型除去局部振型之外，其余振型全部為扭轉(zhuǎn)振型，未見平動振型，反映結(jié)構(gòu)剛度分布嚴重不均勻，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)嚴重。

此外，分析振型參與系數(shù)，前10階振型的振型參與系數(shù)之和不足30%；并且事實上，當(dāng)截斷振型增加至100階時，振型參與系數(shù)增加非常有限，遠低于90%。造成振型參與系數(shù)不足的原因：一是結(jié)構(gòu)剛度分布不均勻；二是結(jié)構(gòu)體系自由度較多。振型參與系數(shù)不足，說明后續(xù)高階振型不能忽略，否則將導(dǎo)致地震作用偏小。因此，在反應(yīng)譜分析中，必須增加振型數(shù)量，滿足振型參與系數(shù)不小于90%的要求。

表6 全鋼結(jié)構(gòu)自振特性

從表6來看，低階振型的結(jié)構(gòu)自振周期大于場地特征周期，反映結(jié)構(gòu)剛度適中。結(jié)構(gòu)的第1振型主要為Z方向的平動振型，同時為Z方向的主振型；第2振型主要為X方向的平動振型，同時為X方向的主振型；第4振型為扭轉(zhuǎn)振型。

抗震研究表明，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比，對結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)響應(yīng)有明顯影響，當(dāng)兩者接近時，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)顯著增大。參照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ 3—2010的要求，周期比不應(yīng)大于0.9，全鋼結(jié)構(gòu)的周期比值Tt／T1僅為0.6，反映結(jié)構(gòu)剛度分布均勻，地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較小。

5.3.2 反應(yīng)譜分析

從反應(yīng)譜方法計算的結(jié)構(gòu)內(nèi)力來看，由于結(jié)構(gòu)的總重力荷載代表值不大，在多遇地震作用下，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)承受的水平地震剪力較小，地震作用不控制結(jié)構(gòu)設(shè)計。因此，本文著重研究地震作用下的結(jié)構(gòu)變形分析。根據(jù)反應(yīng)譜分析得到的結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的節(jié)點位移值，按規(guī)范規(guī)定的方法，計算得到混合結(jié)構(gòu)、全鋼結(jié)構(gòu)的位移比見表7。

表7 結(jié)構(gòu)位移比

根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50011－2010的規(guī)定，在規(guī)定的水平力作用下，樓層的最大彈性水平位移大于樓層兩端彈性水平位移平均值的1.2倍，則為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；同時，這一比值不宜大于1.5?；旌辖Y(jié)構(gòu)的位移比達到1.98，大大超出1.5的限值，屬于特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)。而全鋼結(jié)構(gòu)的位移比為1.01，表明結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件布置規(guī)則。

6 結(jié)論

(1)非地震作用工況下，混合結(jié)構(gòu)閥廳、全鋼結(jié)構(gòu)閥廳的結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)強度及穩(wěn)定性均能滿足要求，結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度及承載力。

(2)混合結(jié)構(gòu)在地震作用下的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)明顯，除局部振型外，其低階振型全部為扭轉(zhuǎn)振型；結(jié)構(gòu)位移比高達2.0，大大超出1.5的限值。屬于特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)布置存在明顯的薄弱部位，抗震性能較差。

(3)當(dāng)采用混合結(jié)構(gòu)時，在振型分解反應(yīng)譜分析計算中應(yīng)取足夠的振型數(shù)，以滿足振型參與系數(shù)不小于90%的要求；并且根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50011－2010的規(guī)定，應(yīng)采用時程分析法進行多遇地震作用下的補充計算。

(4)全鋼結(jié)構(gòu)的第1、2階振型均為平動振型，并為相應(yīng)方向的主振型；結(jié)構(gòu)周期比僅為0.6；結(jié)構(gòu)位移比僅為1.01；表明結(jié)構(gòu)布置規(guī)則、剛度分布均勻。

(5)由于混合結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件布置特別不規(guī)則，結(jié)構(gòu)存在明顯的薄弱部位，抗震性能較差；而全鋼結(jié)構(gòu)布置規(guī)則、剛度均勻，因此，高烈度地震區(qū)的±500 kV換流站閥廳結(jié)構(gòu)形式建議采用全鋼結(jié)構(gòu)。

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