±800kV普洱換流站高端閥廳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高 湛，朱銀銀，李 華

（中南電力設(shè)計(jì)院，武漢430071）

我國(guó)已建±800kV換流站工程中，高端閥廳主要采用了兩種結(jié)構(gòu)型式：1）鋼－鋼筋混凝土框架剪力墻混合結(jié)構(gòu)，即防火墻采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，在沒(méi)有防火墻側(cè)，閥廳采用鋼結(jié)構(gòu)柱，橫向通過(guò)鋼屋架聯(lián)系；2）全鋼結(jié)構(gòu)，即鋼柱＋鋼屋架的結(jié)構(gòu)型式，換流變防火墻與鋼結(jié)構(gòu)柱脫開(kāi)布置。

±800kV普洱換流站高端閥廳采用鋼－鋼筋混凝土框架剪力墻混合結(jié)構(gòu)，文章重點(diǎn)論述了其結(jié)構(gòu)模態(tài)分析、結(jié)構(gòu)布置和節(jié)點(diǎn)連接等方面內(nèi)容，并和全鋼結(jié)構(gòu)型式閥廳進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，提出了較為合適的±800kV換流站高端閥廳結(jié)構(gòu)型式。

1 結(jié)構(gòu)型式

±800kV普洱換流站高端閥廳平面形狀均呈矩形，平面軸線尺寸為82.7m×31.6m，高度為29.16m。高端閥廳采用鋼－鋼筋混凝土框架剪力墻混合結(jié)構(gòu)，即閥廳與換流變之間防火墻采用T型截面剪力墻，在換流變防火墻兩端采用Z型剪力墻結(jié)構(gòu)，在沒(méi)有防火墻處采用鋼結(jié)構(gòu)柱，橫向通過(guò)鋼屋架聯(lián)系，鋼柱沿縱向設(shè)置支撐體系，共同形成框、排架結(jié)構(gòu)體系。普洱換流站高端閥廳三維圖見(jiàn)圖1。

2 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

用有限元軟件ANSYS對(duì)鋼－鋼筋混凝土框架剪力墻混合結(jié)構(gòu)型式閥廳進(jìn)行建模態(tài)分析。所有梁柱、鋼屋架構(gòu)件和支撐均采用三維空間梁?jiǎn)卧?，單元型?hào)為BEAM189梁?jiǎn)卧?；鋼筋混凝土剪力墻采用空間殼單元，單元型號(hào)為SHELL63殼單元；屋面檁條屬于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，與填充墻和活荷載一樣，主要考慮質(zhì)量的影響，采用MASS21模擬；閥塔結(jié)構(gòu)中的吊索采用索單元模擬，閥塔采用殼單元模擬。

有限元分析結(jié)果表明閥廳整體結(jié)構(gòu)的第一階振型的振動(dòng)頻率為2.362 2Hz，其第一振型為平動(dòng)，這就避免了由于閥廳防火墻和鋼柱縱向剛度分布不均勻，第一振型為扭轉(zhuǎn)的情況。

3 結(jié)構(gòu)布置

3.1 鋼屋架

屋架采用單斜腹桿體系的梯形鋼屋架，上下弦及腹桿均采用雙角鋼拼接截面，腹桿與弦桿通過(guò)節(jié)點(diǎn)板采用螺栓連接。其一端支承于鋼筋混凝土剪力墻頂部，另一端由鋼柱支承，屋架與鋼柱、屋架與防火墻均按鉸接節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)。在兩橫向T型短肢剪力墻之間設(shè)置鋼筋混凝土框架托梁，其跨中布置一榀鋼屋架，使得鋼屋架間距為常規(guī)尺寸5～6m，以方便屋面檁條、屋架水平支撐及柱間支撐的選型。屋架節(jié)間應(yīng)盡可能設(shè)在屋架下弦懸吊荷載點(diǎn)或與懸吊荷載點(diǎn)在同一縱向軸線上，否則須考慮懸吊荷載對(duì)下弦桿產(chǎn)生的彎矩作用。

3.2 屋蓋支撐

閥廳兩端和中間開(kāi)間各設(shè)一道屋架上下弦橫向交叉支撐，屋架下弦平面設(shè)置縱向交叉支撐，縱向支撐與橫向支撐布置為封閉型；豎向支撐設(shè)置在橫向支撐的屋架間；屋架上、下弦節(jié)點(diǎn)處設(shè)置屋架通長(zhǎng)水平系桿，當(dāng)閥吊梁與下弦通長(zhǎng)水平系桿重合時(shí)，用閥吊梁兼做下弦通長(zhǎng)水平系桿。屋蓋支撐及系桿采用方鋼管，其回轉(zhuǎn)半徑大，連接方便，節(jié)省鋼材量。

3.3 鋼柱及柱間支撐

閥廳鋼柱采用熱軋H型鋼，鋼筋混凝土剪力墻可作為鋼柱平面內(nèi)支撐，鋼柱平面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度按有支撐框架結(jié)構(gòu)計(jì)算，平面外計(jì)算長(zhǎng)度按無(wú)支撐框（排）架結(jié)構(gòu)計(jì)算。柱間支撐采用交叉支撐，與屋蓋上、下弦橫向支撐及垂直支撐設(shè)在同一柱距內(nèi)，柱間支撐采用方形鋼管。

4 閥廳節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

4.1 閥吊梁連接節(jié)點(diǎn)

換流閥塔懸吊梁采用熱軋H型鋼，熱軋H型鋼上翼緣與屋架下弦雙角鋼底部平齊連接，采用這樣的連接方式的好處有：1）閥吊梁位于弦桿下方，與屋架下弦水平支撐不在同一水平面內(nèi)，有利于避開(kāi)屋架下弦水平支撐；2）連接位于閥吊梁上方，不受閥吊梁下方設(shè)備連接孔位置影響；3）連接螺栓為受拉狀態(tài)，螺栓對(duì)節(jié)點(diǎn)偏心小。

閥吊梁之間連接方式宜采用端板拼接螺栓連接，這種連接方式可以避免閥吊梁因節(jié)點(diǎn)滑移和側(cè)向變形而影響換流閥懸掛點(diǎn)平面的平整度，但設(shè)計(jì)中也有些地方需要注意：1）螺栓主要為受剪狀態(tài)，螺栓對(duì)節(jié)點(diǎn)有一定偏心且偏心彎矩對(duì)螺栓受力影響較大，計(jì)算中需考慮其不利作用；2）在局部地方，端板突出翼緣的部分會(huì)與屋架下弦桿件發(fā)生碰撞，需要將端板與桿件進(jìn)行剖口焊接。

4.2 屋架與防火墻連接節(jié)點(diǎn)

屋架端部直腹桿采用熱軋H型鋼代替雙角鋼，屋架上下弦與直腹桿用螺栓連接，H型鋼與防火墻混凝土采取預(yù)埋地腳螺栓方式連接，采用這樣的連接方式便于加工和連接。同時(shí)為便于支座螺栓定位、支座面平整及增加支座抗剪能力，防火墻頂部預(yù)埋鋼板。

4.3 鋼柱柱腳節(jié)點(diǎn)

由于該工程抗震設(shè)防烈度為8度，鋼柱柱腳采用插入式柱腳，插入深度不小于鋼柱截面高度的2.5倍。柱腳彎矩通過(guò)焊于鋼柱翼緣上的抗剪圓柱頭栓釘傳給鋼筋混凝土基礎(chǔ)。同時(shí)為了方便鋼柱安裝，杯口底部設(shè)置兩塊25mm厚安裝用鋼墊塊。

5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

如果普洱換流站高端閥廳采用全鋼結(jié)構(gòu)型式，兩種結(jié)構(gòu)型式閥廳技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較見(jiàn)表1。

表1 兩種結(jié)構(gòu)型式閥廳技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

從表1可知，鋼－鋼筋混凝土框架剪力墻混合結(jié)構(gòu)相比于全鋼結(jié)構(gòu)型式閥廳，鋼柱截面小，鋼材量節(jié)約了300t，鋼筋混凝土節(jié)約了190m3，增加了240mm厚磚墻量470m3，造價(jià)節(jié)約了280.6萬(wàn)元。

6 結(jié) 論

普洱換流站高端閥廳采用鋼－鋼筋混凝土框架剪力墻混合結(jié)構(gòu)，通過(guò)和全鋼結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較可知，這種結(jié)構(gòu)型式既保證了閥廳防火墻結(jié)構(gòu)剛度和抗震性能，且使閥廳縱向剛度分布均勻，又避免了全鋼結(jié)構(gòu)造價(jià)高、對(duì)施工工藝要求高和施工周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)。保證了結(jié)構(gòu)安全，又節(jié)省了造價(jià)，方便施工。

［1］ 劉宗輝，胡小龍，陳傳新.換流站閥廳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：增刊，2006（39）：20－24.

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