換流站閥廳中T形型鋼混凝土剪力墻性能

余 濤，魏文暉，楊 超，馬中原

(1.中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計院有限公司，武漢 430071;2.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430070)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國的經(jīng)濟(jì)和資源的不平衡的問題日益突出，電力輸送作為能源輸送的關(guān)鍵，更體現(xiàn)出其重要和必要性[1]。采用超、特高壓進(jìn)行電力輸送，能極大的減小電力輸送過程中的損耗。在進(jìn)行超高壓電力輸送的過程中，換流站閥廳是確保進(jìn)行高壓輸電的關(guān)鍵，其主要裝置由換流變壓器和換流閥組成，需要設(shè)置在堅固、耐火的閥廳中，以保證輸電過程的順利進(jìn)行[2]。

現(xiàn)階段的閥廳結(jié)構(gòu)形式主要為鋼排架結(jié)構(gòu)、混凝土框架和鋼框架-混凝土防火墻[3,4]。現(xiàn)有的研究表明：鋼排架的防火性能較差且造價較高；混凝土框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)能力較差，而鋼框架-混凝土防火墻整體造價和耐火性能均一般[3,4]。因此，將抗側(cè)及防火較好的型鋼混凝土結(jié)構(gòu)引入換流站閥廳設(shè)計中，采用型鋼混凝土剪力墻(防火墻)結(jié)構(gòu)，可以較好解決結(jié)構(gòu)的抗側(cè)、耐火問題。該文介紹了新型T形型鋼混凝土剪力墻的性能，并對其在閥廳結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用給出建議，以期改進(jìn)閥廳結(jié)構(gòu)的受力特征和抗側(cè)能力。

1 試驗(yàn)的設(shè)計與分析

T形型鋼混凝土剪力墻，是一種結(jié)合了型鋼混凝土和短肢剪力墻的優(yōu)點(diǎn)和特色的新型結(jié)構(gòu)形式。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在我國自20世紀(jì)80年代引入后，其優(yōu)秀的性能使其廣泛地適用于新建的公用及民用建筑中，尤其是《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(JGJ138—2016)》的頒布，更是促進(jìn)了其蓬勃的發(fā)展，在廣州新電視塔、江蘇中洋豪生大酒店、長沙國際金融中心的主體結(jié)構(gòu)中[5-7]，均可以見到其身影。短肢剪力墻因其對建筑功能的適應(yīng)性和較小的自重，在部分建筑中獲得了一定的應(yīng)用，但其延性和抗震性能一般是制約其發(fā)展的問題。在短肢剪力墻中增設(shè)型鋼，形成新型的型鋼混凝土剪力墻，能在保證使用的同時加強(qiáng)其力學(xué)及延性性能。將此新型結(jié)構(gòu)應(yīng)用于換流站閥廳中，將極大的改善現(xiàn)有結(jié)構(gòu)體系的性能。

以某±800 kV換流站閥廳為中原有的短肢防火剪力墻為基礎(chǔ)(截面寬B=1 500 mm，截面高H=1 200 mm，墻厚b=300 mm，試件總高3 400 mm)，修改部分配筋并在局部增設(shè)型鋼，設(shè)計的截面尺寸、配筋及配鋼如圖1、圖2所示，詳細(xì)的信息參見表1。

表1 試件各截面尺寸、配筋及配鋼信息

試驗(yàn)采用3組試件SRCW-1～3進(jìn)行測試，表1中的底梁與加載梁與墻體整澆，墻體中鋼筋深入梁身進(jìn)行錨固。完成試件的制作后，分別對混凝土、鋼筋及配鋼進(jìn)行材料性能試驗(yàn)。通過MTS伺服系統(tǒng)進(jìn)行擬靜力的荷載和位移混合加載，考察其受力性能，其滯回曲線(以典型的SRCW-2為例)及3組試件的骨架曲線分別如圖3、圖4所示。

查看試件SRCW-2的滯回曲線，加載前期曲線形狀略細(xì)而窄，也有一定程度的局部壓縮，但整體較為飽滿，體現(xiàn)了顯示出構(gòu)件較好的抗震性能，與設(shè)計中抗震能力一般的短肢剪力墻相比，有了長足的進(jìn)步。骨架曲線剛度退化符合預(yù)期，顯示出良好的耗能能力，證明新型的型鋼混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)在不增加尺寸和剛度的同時，有了更加優(yōu)異的力學(xué)性能。

2 有限元計算

在利用試驗(yàn)對結(jié)構(gòu)的抗震及延性進(jìn)行分析，并獲得了初步結(jié)果后，利用有限元軟件進(jìn)行建模分析，對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和裂縫的分布及影響參數(shù)，進(jìn)行細(xì)化的分析。

以骨架曲線為例對有限元和試驗(yàn)結(jié)果對比，以驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確，對比了從腹板和翼緣兩個方向上加載時的有限元模擬和試驗(yàn)分析的結(jié)果，如圖5、圖6所示。

對比顯示，有限元與試驗(yàn)結(jié)果較為契合，整體變化趨勢相同且幅值接近，有限元模擬結(jié)果準(zhǔn)確度滿足要求。利用有限元模擬結(jié)果評估結(jié)構(gòu)在破壞階段的內(nèi)力及裂縫分布，如圖7、圖8所示。

由圖7所示的墻體應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)在破壞階段腹板與下部交接處的應(yīng)力較大；而圖8顯示的開裂區(qū)域則集中于腹板與翼緣結(jié)合處，尤其是下部相交處，需要加強(qiáng)此區(qū)域內(nèi)的材料強(qiáng)度并適當(dāng)增加構(gòu)造配筋，在保證強(qiáng)度的同時，防止局部開裂。進(jìn)一步將型鋼混凝土剪力墻與鋼筋混凝土剪力墻承載力進(jìn)行對比，并對不同軸壓比下承載力變化進(jìn)行分析，見圖9、圖10。

圖9顯示在含鋼量與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相同時，型鋼混凝土的承載力有了較大提升；圖10中不同軸壓比下承載力對比則體現(xiàn)出，在軸壓比不超過0.4時，適當(dāng)增加軸壓比可提高構(gòu)件承載力，但隨著軸壓比進(jìn)一步增加，其承載能力增加不明顯。

3 結(jié)論與建議

通過對T形型鋼混凝土剪力墻的試驗(yàn)、有限元分析后顯示，此結(jié)構(gòu)具有較好的抗震能力和延性性能，可作為換流站閥廳中重要的抗側(cè)構(gòu)件使用，尤其適用于高烈度區(qū)和對防火要求較高的結(jié)構(gòu)。

在含鋼量與一般鋼筋混凝土相同的情況下，T形型鋼混凝土剪力墻承載力有一定提升，可采用此類結(jié)構(gòu)適時替代一般短肢剪力墻結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的破壞在腹板與翼緣交匯處較為明顯，實(shí)際設(shè)計中應(yīng)增加此處構(gòu)造鋼筋的設(shè)置，以防止局部開裂，并適當(dāng)增加腹板與基礎(chǔ)連接處的材料性能。