閥廳結(jié)構(gòu)中型鋼混凝土支撐結(jié)構(gòu)性能分析

高 湛，楊 超

(1.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)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)

電力作為一種高效清潔和適用廣泛的能源，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響不言而喻。但我國(guó)的經(jīng)濟(jì)和資源的不平衡問(wèn)題隨著發(fā)展日益突出，利用超、特高壓等方式進(jìn)行遠(yuǎn)距離的電力輸送，能充分解決資源發(fā)展矛盾的問(wèn)題，同時(shí)減小電力輸送過(guò)程中的損耗[1]。

在進(jìn)行超、特高壓遠(yuǎn)程輸電過(guò)程中，換流變壓器和換流閥組成的換流站安全性問(wèn)題日益明顯，建造安全防火的換流站閥廳，是保證現(xiàn)有輸電線路安全運(yùn)行的前提[2]。對(duì)于大跨度的閥廳結(jié)構(gòu)，除按基本要求設(shè)置足夠的梁柱結(jié)構(gòu)及防火墻結(jié)構(gòu)外，需設(shè)置足夠的柱間支撐保證結(jié)構(gòu)的剛度，以防止結(jié)構(gòu)因雙向抗側(cè)剛度差距較大造成破壞?，F(xiàn)有閥廳結(jié)構(gòu)中主要采用鋼筋混凝土支撐或鋼結(jié)構(gòu)支撐，但此兩類(lèi)支撐均無(wú)法兼具良好的強(qiáng)度和耐火性能，這一閥廳結(jié)構(gòu)對(duì)支撐的要求，需考慮改進(jìn)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)形式以滿足電力輸送的需求。

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的性能一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，近十年間國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了深入的分析，如蘭琳[3]研究高軸壓比下型鋼混凝土柱的力學(xué)特性；查昕峰[4]對(duì)單榀型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)的損傷指數(shù)進(jìn)行了研討；杜振宇[5]和毛冬旭[6]等先后對(duì)型鋼混凝土異形柱的力學(xué)性能進(jìn)行分析。Reshma Biju等[7]探討了開(kāi)孔對(duì)型鋼混凝土梁性質(zhì)的影響。Isaac Montava等[8]則針對(duì)型鋼混凝土和鋼筋混凝土的耗能能力的差別進(jìn)行了深入的分析。

隨著學(xué)者們的深入研究和在工程中的廣泛使用，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)良好的受力性能及耐火能力已經(jīng)日益凸顯，但將其運(yùn)用于換流站閥廳的支撐結(jié)構(gòu)尚缺少研究和應(yīng)用。因此，選擇某擬建的閥廳建筑，在其中設(shè)置型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，通過(guò)試驗(yàn)分析和有限元模擬的方式，考察其受力性能及內(nèi)力分布變形特征等。

1 試驗(yàn)的設(shè)計(jì)與分析

選取設(shè)計(jì)于某地的大跨閥廳結(jié)構(gòu)，其縱向及橫向長(zhǎng)度分別為86.2 m和56 m，對(duì)其中某跨設(shè)置型鋼混凝土支撐。采用2.5∶1的相似比例設(shè)計(jì)縮尺模型試件，模型的相似比滿足相似理論的要求，模型試件的尺寸、配筋及配鋼圖，如圖1、圖2及表1所示。

表1 試件各截面尺寸、配筋及配鋼信息

在進(jìn)行試驗(yàn)前，首先進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)的全部構(gòu)件的材料性能試驗(yàn)，包含梁、柱、支撐的混凝土、鋼筋及型鋼性能的測(cè)試。完成后，利用MTS伺服系統(tǒng)對(duì)3組試驗(yàn)?zāi)Ｐ蚐RCB-X1～3進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，采用荷載及位移混合控制的低周反復(fù)加載方式進(jìn)行。選擇試驗(yàn)中具有代表性試件SRCB-X2的滯回曲線顯示于圖3，全部試件的骨架曲線如圖4所示。

查看典型試件的滯回曲線可知，其整體的飽滿程度較好，顯示出抗震性能良好，而從承載力的下降程度中則發(fā)現(xiàn)在對(duì)承載力的貢獻(xiàn)中，斜撐優(yōu)于梁柱結(jié)構(gòu)。骨架曲線的延展特性也顯示出支撐結(jié)構(gòu)良好的力學(xué)性質(zhì)，同時(shí)其在超越極限荷載后的承載力的下降趨勢(shì)，也同樣表明斜撐的重要性超過(guò)梁柱。

2 有限元模擬

利用試驗(yàn)分析對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的整體性能分析后，通過(guò)有限元軟件對(duì)其中難于直接用試驗(yàn)獲取的性質(zhì)進(jìn)行模擬計(jì)算，并對(duì)試驗(yàn)參數(shù)的影響進(jìn)行探討。在建模加載后，為驗(yàn)證有限元建模分析的合理性，對(duì)比試驗(yàn)及有限元模擬的結(jié)果，如表2所示。

表2 試驗(yàn)及有限元對(duì)比

表2顯示有限元建模計(jì)算與試驗(yàn)分析的結(jié)果較為接近，誤差也在可以接受范圍內(nèi)，有限元分析結(jié)果可信，可以利用其體現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷和破壞程度，斜撐結(jié)構(gòu)在破壞階段的型鋼和鋼筋的應(yīng)力云圖如圖5,圖6所示。

由圖5、圖6可見(jiàn)，在破壞階段鋼筋和型鋼大面積屈服，大部分失去承載能力，結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象中混凝土的開(kāi)裂破壞，體現(xiàn)出支撐結(jié)構(gòu)的整體耗能及延性能力較好，能充分應(yīng)用材料性質(zhì)。進(jìn)一步利用有限元模型，對(duì)可能影響型鋼混凝土支撐結(jié)構(gòu)的因素進(jìn)行分析。選擇含鋼量和軸壓比進(jìn)行研究，不同含鋼量和軸壓比下的荷載-位移曲線如圖7、圖8所示。

支撐的承載力隨著配鋼量的增加有明顯增加，對(duì)柱配鋼量影響則不夠明顯[9]，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中，在含鋼量一定的前提下，優(yōu)先增加支撐結(jié)構(gòu)的配鋼率較為合理。圖8顯示軸壓比對(duì)結(jié)構(gòu)的承載力的影響，軸壓比從0.1提升至0.8，支撐結(jié)構(gòu)承載力變化不大。因此，實(shí)際設(shè)計(jì)中，不推薦采用修正軸壓比的方式提高構(gòu)件承載力。

3 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)型鋼混凝土支撐結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)和有限元分析，該結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出良好的力學(xué)性能及耗能能力，適用于大跨度閥廳結(jié)構(gòu)中的支撐，可部分或全部替代現(xiàn)有的鋼筋混凝土支撐或型鋼支撐，能較大程度地提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)及耐火能力。

在對(duì)承載力的貢獻(xiàn)中，支撐結(jié)構(gòu)的重要性強(qiáng)于梁柱結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)中應(yīng)合理安排其截面設(shè)計(jì)，保證關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度；配鋼率對(duì)支撐結(jié)構(gòu)性能影響較為明顯，尤其是對(duì)于斜撐的影響更為明顯，對(duì)結(jié)構(gòu)柱影響相對(duì)較小，在整體造價(jià)受限的前提下，可采用適當(dāng)增加斜撐配鋼率而維持柱配鋼率；柱軸壓比的變化對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的影響可以忽略，實(shí)際中可按一般構(gòu)造要求設(shè)置軸壓比，采用調(diào)整軸壓比加大結(jié)構(gòu)承載力的思路在設(shè)計(jì)中不可取。