±800 kV換流站閥廳結構扭轉變形分析

吳必華，高湛，陳俊，李志，蔡華，龔天森，胡蓉，甘運良

(1.中南電力設計院，武漢市，430071;2.中國南方電網超高壓輸電公司，廣州市，510620)

0 引言

閥廳結構是長距離高壓直流輸電工程中換流站的核心部位，起著關鍵作用。閥廳結構懸掛多層閥塔，閥塔及其相關設備通過吊索懸掛于水平鋼梁上。閥廳結構振動時，閥塔會伴隨著結構的振動而產生晃動，而閥塔的晃動又將對結構的振動產生影響，整體結構響應分析較為復雜。由于閥廳結構一邊是鋼結構柱(類似于普通單層工業廠房)，另一邊由于設備要求為剪力墻(防火墻)，造成結構整體扭轉，對結構抗震非常不利。

針對目前閥廳結構體系抗震設計中存在的問題，本文將防火墻中全剪力墻改為框架剪力墻，采用有限元通用軟件ANSYS，建立了某±800 kV換流站閥廳結構體系的2類有限元模型(框架剪力墻閥廳結構和全剪力墻閥廳結構)。對掛閥前后2種閥廳結構在地震作用下的動力特性進行分析和比較，為換流站閥廳結構的抗震設計提供參考。

1 工程概況

本文研究的閥廳結構是鋼和鋼筋混凝土混合結構形式，包括閥組及相關設備的鋼梁、梯形鋼屋架、閥組、鋼柱以及剪力墻(或框架)等。閥廳平面布置、閥廳屋架上弦水平支撐結構布置、閥廳屋架下弦水平支撐及設備吊梁結構布置如圖1所示。

圖1 閥廳結構布置Fig.1 Layout of valve hall structure

2 閥廳結構的模態分析

2.1 有限元模型

對2種結構型式的閥廳進行模態分析，以確定2種閥廳結構掛閥前后的前幾階振型和頻率，及2種結構型式的動力特性。分別對短肢剪力墻閥廳結構和全剪力墻閥廳結構2種閥廳結構進行有限元建模，模型幾何尺寸與原結構相同，所有梁、柱、屋架構件和支撐均采用三維空間BEAM189梁單元［1］;剪力墻采用SHELL63殼單元;屋面檁條截面尺寸小，屬于非結構構件，與填充墻和活荷載一樣，主要考慮質量的影響，采用MASS21模擬;閥塔結構中的吊索采用索單元模擬，閥塔采用殼單元模擬。圖2～3為框架剪力墻閥廳結構和全剪力墻閥廳結構的有限元模型。

圖2 框架剪力墻閥廳結構Fig.2 Shot-pier shear wall structure of valve hall

圖3 全剪力墻閥廳結構Fig.3 Shear wall structure of valve hall

2.2 框架剪力墻閥廳結構模態分析

分別對掛閥前后框架剪力墻閥廳結構的動力特性進行分析［2］，并對其振型和頻率進行比較，如表1所示。由表1可知:吊閥對框架剪力墻閥廳結構(整體結構)的頻率和振型的影響(比較)在1%以內。

表1 短肢剪力墻結構掛閥前后整體頻率Tab.1 Frequency of shot-pier shear wall structure

2.3 全剪力墻閥廳結構模態分析

同理，對掛閥前后的全剪力墻閥廳結構進行模態分析，結果如表2所示。由表2可知:吊閥對全剪力墻閥廳結構的頻率和振型的影響并不顯著，主要的不同在于吊閥本身具有多階局部振型，頻率相差范圍在1.1%以內。從以上分析可以看出:掛閥前后主體結構的頻率變化不大。

表2 全剪力墻結構整體頻率對比Tab.2 Frequency of shear wall structure

閥廳結構第1階振型如圖4所示。從圖4可以看出:地震作用下，閥廳結構扭轉變形非常明顯。

圖4 閥廳扭轉變形Fig.4 Torsion deformation of valve hall

3 閥廳結構體系動力時程分析

3.1 閥廳結構體系地震反應動力方程

單質量懸掛體系支架的彈性振動與懸掛質量的重力振動相耦聯，可借用結構力學中的水平剛度系數法，得到懸掛體系水平剛度系數［3-4］為

式中:k為主體結構的水平剛度系數，可由一般結構力學中的矩陣位移法推導出，kij為懸掛質量的水平剛度系數;mi為懸掛物的質量;li為mi的懸索長度。

閥廳結構體系運動方程［3-4］為

根據以上的動力學方程即可對具有懸掛質量的建筑結構體系進行地震作用下的動力時程分析，得到該體系的地震作用效應。

3.2 閥廳結構體系扭轉變形分析

為了對2種結構型式閥廳的扭轉變形進行整體評價，本文分別對2種結構型式閥廳進行了動力時程分析。由于結構產生扭轉變形的主要原因為結構在縱向結構剛度不對稱引起的，因而，本文主要分析結構在縱向地震輸入時的扭轉變形。通過時程分析得到閥廳2邊角點(1號節點和2號節點)位移時程，選出相同時刻的位移幅值，即可確定閥廳整體結構的扭轉角。由于篇幅限制，本文僅列出閥廳結構(有閥)在縱向地震作用下 1號節點(角柱頂點，標高24.8 m)的位移時程，地震加速度為 0.1g，如圖 5所示。

圖5 框架剪力墻閥廳結構(有閥)1號節點在縱向地震波下的位移Fig.5 Diaplacement of No.1 node for shot－pier shear wall structure of valve hall under longitudinal earthquake wave

在縱向地震作用下，掛閥前后2種結構扭轉角如表3所示。

從表3可以看出:將閥廳結構全剪力墻改為框架剪力墻后，縱向地震下最大扭轉角有所減小。主要原因是框架剪力墻結構兩側的側向剛度較為接近，而全剪力墻結構雖然可以提供更大的縱向抗側剛度，但由于閥廳結構另一側是鋼框架結構，使得閥廳結構兩側剛度差異明顯，導致較大的扭轉變形。

表3 不同地震波下2種閥廳結構最大扭轉角Tab.3 The torsion angle amplitude of the valve hall

3 結論

(1)吊閥對2種閥廳結構的整體結構的前3階頻率和振型的影響基本控制在1.1%以內，可以忽略不計。整體結構基本振型為整體結構扭轉變形，對抗震不利。

(2)掛閥框架剪力墻結構與全剪力墻結構在4種地震作用下的最大扭轉角對比分析表明:框架剪力墻結構的整體抗扭性能優于全剪力墻結構。因此，從結構安全性和抗震性能方面考慮，采用框架剪力墻結構更合理，并且框架剪力墻結構較全剪力墻結構更為經濟。

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