大容量柔性直流換流站大跨度重型屋蓋閥廳鋼結構設計研究

張熠　魏志強　黃黎琴

(福建省電力勘測設計院　福建福州　350001)

?

大容量柔性直流換流站大跨度重型屋蓋閥廳鋼結構設計研究

張熠魏志強黃黎琴

(福建省電力勘測設計院福建福州350001)

廈門大容量柔性直流換流站閥廳為大跨度重型屋蓋鋼結構，由于閥廳結構的復雜性和重要性，采用Midas軟件對結構進行建模、計算和設計。文章分析了閥廳結構的應力、變形及抗震能力。結果表明，該閥廳結構形式安全合理，滿足規范和使用要求，具有良好的抗震性能。同時，計算結果顯示，大跨度鋼屋架采用重型屋蓋時，豎向地震對結構的軸力影響較為顯著，在構件設計時應特別注意。

大跨度；鋼結構；重型屋蓋；設計研究

0　引言

柔性直流輸電技術是一種新興的輸電技術，閥廳是柔性直流換流站中最為重要的核心建筑物。目前，國內柔性直流換流站正處于探索研究階段，類似工程十分稀少，特別在大容量柔性直流輸電工程方面還未有工程投運。縱觀國內已建成的普通高壓直流工程，其閥廳跨度一般小于30m，不同于普通直流工程，大容量柔性直流換流站閥廳跨度比普通直流工程大得多，且建筑及工藝布置極為復雜，對結構設計要求較高。鑒于其重要性，在目前無類似工程可以借鑒的情況下，本文以廈門柔性直流輸電科技示范工程(換流站部分)閥廳結構為依托，對重型屋蓋大跨度閥廳鋼結構的設計進行一些探討，以期對以后類似工程設計提供借鑒參考。

1　工程背景及閥廳結構描述

1.1工程背景

廈門柔性直流換流站是世界上容量最大、電壓等級最高且采用真雙極接線的柔性直流換流站。目前，國內已建成或在建的直流換流站閥廳主要有以下3種結構形式[1]：

(1)單層鋼結構排架體系。橫向排架由屋架和鋼柱(強軸方向)組成，縱向結構由托架、鋼柱(弱軸方向)及柱間支撐等組成。

(2)鋼筋混凝土排架結構體系。該體系與鋼結構排架體系類似，屋架采用鋼結構，只是將鋼排架柱用混凝土排架柱代替。

(3)混合結構體系。這種結構體系屋架也采用鋼屋架，靠近換流變防火墻一側縱向排架與換流變防火墻結合，采用鋼筋混凝土剪力墻或框剪結構；另一側同鋼結構排架，采用鋼柱、柱間支撐等組成排架體系。

根據工程特點及工藝布置，廈門柔性直流換流站閥廳(以下簡稱閥廳)采用上述第一種結構體系既單層鋼結構排架體系。

1.2閥廳結構描述

本工程不同于普通直流工程，根據相關工藝布置及建筑布置，其閥廳具有如下特點：

(1)閥廳跨度大。普通直流換流站閥廳跨度一般在30m左右，本工程由于容量大，閥廳內布置的閥組較多，且閥廳中間不允許設置柱子，其單跨跨度達47.2m，此跨度是國內目前已建的柔性直流換流站或特高壓直流換流站中閥廳跨度最大的。

(2)采用重型屋蓋結構。由于廈門地區地處沿海，臺風及雨水較多，從抗風防水等方面考慮，閥廳屋面結構采用以壓型鋼板為底模的鋼-混凝土板組合樓板結構。此種屋蓋自重很大，約為普通鋼結構輕型屋面自重的5～8倍，加大了大跨度屋架的設計難度。

(3)屋架下方有懸掛荷載。考慮到安裝檢修方便，閥廳屋架下方設有起吊重量為15t的懸掛吊車，由于大跨度及重型屋蓋的作用，屋架本身已經產生較大撓度，再疊加上懸掛吊車荷載時必須合理控制大跨度屋架的變形以滿足吊車正常運行要求。

由于其復雜性和重要性，應對其受力特點及抗震性能進行結構分析，驗證其適用性和安全性。

2　閥廳結構計算分析

本設計采用有限元結構分析程序Midas對閥廳結構進行建模和計算，并對計算結果進行分析，論證結構方案的適用性和合理性。同時，閥廳的安全等級為一級的重要建筑，為保證結構計算的準確性，本工程采用國內普遍使用的結構計算設計軟件PKPM中的PMSAP模塊進行計算結果校驗。

2.1模型介紹

本工程閥廳結構跨度為47.2m，跨中高度16.5m，采用梯形鋼屋架。屋架上下弦與柱為鉸接，屋架腹桿與上下弦為鉸接。根據《鋼結構設計規范》(GB50017-2003)中相關規定，當主材采用H形、箱形截面等剛度較大的截面，且桁架平面內截面高度與其幾何長度之比大于1/10(對弦桿)或大于1/15(對腹桿)時，應考慮節點剛性所引起的次彎矩[2]。本工程屋架弦桿滿足上述要求且實際加工過程中弦桿在節點處一般不斷開，為了滿足規范要求和更加精細地分析屋架的次應力，計算模型中弦桿與腹桿連接時腹桿端部釋放彎矩，弦桿不釋放彎矩。同時，根據《鋼結構設計手冊》中對梯形屋架的要求，屋架弦桿與柱一般采用鉸接，并通過上下弦桿的軸力傳遞部分彎矩[3]，因此計算模型中屋架弦桿與柱連接時弦桿端部應釋放彎矩。主要結構構件桿件截面尺寸見表1。

表1　主要構件截面尺寸表　mm

計算模型中，閥廳的結構體系按如下方式建立:閥廳橫向通過鋼屋架上下弦與鋼柱鉸接形成排架；縱向通過聯系梁、柱間支撐與柱鉸接形成排架[4]；鋼柱與基礎之間為剛接。屋架端部高度3.0m，屋脊高度4.5m，節間長度3.0m。模型示意圖詳見圖1。

(a)單榀屋架立面圖

(b)閥廳鋼結構midas整體模型圖圖1　閥廳結構模型圖

2.2計算結果分析

2.2.1屋架結構承載力、穩定性分析

由于主要結構體系已確定，結構設計時首先應使各鋼構件的承載力及穩定滿足規范規定的承載能力極限狀態要求。此時，荷載效應組合取基本組合。屋架各桿件計算長度根據《鋼結構設計規范》(GB50017-2003)的規定取值。由于本工程閥廳采用的是大跨度的重型屋蓋結構，在計算過程中應特別注意豎向地震的影響。經過計算分析，屋架桿件應力比詳見表2、圖2。

表2　屋架桿件最大應力比

(a)自重+活載+X向風載工況結構應力云圖

(b)自重+活載+Y向風載工況結構應力云圖

(c)自重+活載+X向地震工況結構應力云圖

(d)自重+活載+Y向地震工況結構應力云圖
圖2各工況下屋架結構應力云圖

表2、圖2顯示，屋架結構承載力、穩定性滿足規范相關要求。桿件應力比控制在0.7～0.9之間，有一定的安全儲備。由于下弦桿為受拉構件，其承載力由受拉軸向強度控制，因此應力比較小。同時，屋架端部斜腹桿受力明顯大于中間腹桿，中間弦桿的軸力大于兩端弦桿。此外，與水平地震不同，豎向地震主要影響桿件的軸力，而屋架桿件的截面完全由軸力大小決定，軸力對排架柱的設計也有重要影響。因此，桿件應力比的荷載工況應取水平地震及豎向地震荷載組合的包絡值，在設計時應特別注意。

2.2.2屋架結構位移分析

根據規范規定，結構設計的另一項重要內容是結構還應滿足正常使用極限狀態要求。此時，荷載效應組合取標準組合或準永久組合。根據《鋼結構設計規范》(GB50017-2003)附錄A，受彎構件撓度限值：桁架為L/400(永久和可變荷載標準值產生的撓度)或L/500(可變荷載標準值產生的撓度)如表3。由于本工程閥廳結構跨度大且采用重型屋蓋，同時，工藝布置對屋蓋撓度有一定的要求，控制好屋蓋結構位移也是本工程閥廳結構設計的關鍵點。經計算，本工程聯合樓閥廳屋架結構位移如圖3所示。

表3　屋架撓度表(mm)

由表3數據可看出，大跨度屋架的跨中撓度較大，在弦桿應力比不大(0.7左右)的情況下，其最不利工況下的最大撓度已經接近規范限值。因此，大跨度屋架特別是重型屋蓋大跨度屋架的設計往往由撓度控制。考慮起拱L/500后，屋架在最不利情況下的撓度為5mm～16mm，滿足規范規定的撓度要求和懸掛單軌吊車的運行要求。

2.2.3屋架結構弦桿次應力分析

(a)自重工況屋架撓度圖 (b)屋面活載工況屋架撓度圖 (c)吊車工況屋架撓度圖圖3　各工況下屋架結構位移云圖

如前所述，由于屋架弦桿在節點處不釋放彎矩，弦桿在節點處會產生一定的彎矩。為了比較弦桿釋放與不釋放彎矩對桿件軸力的影響及弦桿不釋放彎矩時次彎矩對桿件總應力的影響。通過對兩種計算模型的對比分析，計算結果如表4所示。

表4　梯形屋架弦桿次應力計算結果表

以上結果可以看出，當弦桿不釋放彎矩時其軸力較釋放彎矩時大1.5%左右；由次彎矩引起的次應力占桿件總應力的14%左右。因此，大跨度屋架設計其次彎矩對結構承載力的影響是不可忽略的。

3　閥廳結構抗震分析

3.1模態分析

在結構抗震分析時，首先對結構進行模態分析。為了使參與質量達到90%以上，本結構計算了前9階振型和頻率，其中前3階頻率列于表5。計算表明結構基頻頻率為1.023Hz，其X、Y、Z 3個方向的主導模態頻率分別為1.023Hz(第1階)、1.211Hz(第2階)、1.332Hz(第3階)。

表5　模態分析結果

由模態分析可知，結構第一、二振型均為平動，說明本工程結構布置可保證在地震作用下結構扭轉效應得到有效控制。

3.2三向地震反應譜分析

本文采用振型分解反應譜法并考慮三向地震作用對結構進行計算，分析結構的抗震性能。

根據《建筑抗震設計規范》GB50011—2011規定，廈門地區抗震設防基本烈度為7度，地震加速度峰值0.15g，設計地震分組為第二組。多遇地震作用下鋼結構阻尼比為0.04[4]。

(1)位移分析

地震作用下的位移分析主要指豎向構件(鋼柱)的柱頂位移分析。X方向地震(平行屋架方向)作用下柱頂位移為13.7mm，由于設置了柱間支撐，Y方向地震(垂直屋架方向)作用下柱頂位移為9.9mm。多遇地震下結構彈性位移角1/2 177≤1/250，滿足規范要求[4]。

(2)應力分析

在三向地震作用下，通過荷載組合，鋼柱最大應力比為0.74，屋架弦桿最大應力為0.71，均滿足要求。同時，計算結果顯示，本工程由于采用了重型屋蓋，豎向地震作用對結構內力的影響不僅明顯大于水平地震，其對鋼柱、屋架弦桿軸力及鋼柱彎矩的影響也大于活荷載。因此，結構設計計算時，由于分項系數有區別，在選取有地震作用參與的荷載組合進行構件設計時應特別注意考慮以豎向地震為主的組合。

4　結論

(1)由于豎向地震主要影響構件軸力，同時荷載組合時分項系數有區別，大跨度重型屋蓋閥廳鋼結構在選取有地震作用參與的荷載組合進行構件設計時應特別注意考慮以豎向地震為主的組合。

(2)大跨度重型屋蓋鋼結構閥廳由于跨度及屋蓋荷載大，其結構設計往往由結構變形控制。

(3)大容量柔性直流換流站閥廳采用大跨度重型屋蓋鋼屋架結構滿足工程實際要求，其承載能力和變形能力均滿足規范要求，并具有良好抗震性能。

[1]馬勇杰.換流站閥廳結構選型與抗震分析[J]. 電力建設，2009，30(2).

[2]GB50017-2003 鋼結構設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[3]鋼結構設計手冊[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2004.

[4]GB50011-2010 建筑抗震設計規范[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2010.

The Design Study of Long Span Valve Hall with Heavy Roof of Large Capacity Flexible Direct Current Converter Station

ZHANG YiWEI ZhiqiangHUANG Liqin

(Fujian Electric Power Survey and Design Institute, Fuzhou 350001)

A long span steel structure with heavy roof was adopted in the valve hall of Xiamen large capacity flexible direct current converter station. Due to the complexity and significance of the valve hall structure，Midas software was used to modeling, calculate and design the structure in this paper. Then the stress, deformation and seismic capacity of the valve hall were analyzed. The results show that the structure of the valve hall is safe and reasonable, which can meet the requirements of the specification and use, and has excellent seismic performance. At the same time, the calculation results also show that Large span steel roof truss with heavy roof, the impact of vertical seismic for structure component axial force is significant.

Long span; Steel structure; Heavy roof; Design study

張熠(1983.9-)，男。

E-mail:54115578@qq.com

2016-03-21

TU391

A

1004-6135(2016)08-0050-04