地震作用對屋頂出線構架結構的影響分析

張璇，譚洪波

（1.水利部建設管理與質量安全中心，北京 100038 2.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024）

0 前言

高壓出線構架是水電站戶外出線場的重要建筑物，根據位置劃分，常見的布置形式有地面式和屋頂式。水電站樞紐布置中，常受限于場地空間條件，選擇將出線構架布置于屋頂。該布置形式能夠充分利用場地空間，減少樞紐布置對場地的需求，減少場地開挖和邊坡支護的工程量和技術難度，確保建筑物安全可靠、經濟合理。

由于出線構架柱高而斷面細小，屬于大柔度結構，且構架桿件數量多，位于框架結構之上，整體結構較為復雜。一般情況下，出線構架主要受水平荷載為主，承受的主要荷載是導線張力、地線張力、風荷載、地震荷載以及結構自重等，所有構件均應滿足強度、剛度、穩定性等要求。

利用三維有限元計算軟件ANSYS，對屋頂出線構架結構進行靜力和動力計算，復核初擬桿件型式是否滿足結構受力要求，探討地震作用對屋頂出線構架結構的影響。

1 工程概況

苗尾水電站位于云南省大理州云龍縣功果橋鎮境內的瀾滄江河段上，是瀾滄江上游河段一庫七級開發方案中的最下游一個梯級電站，上接大華橋水電站，下鄰瀾滄江中下游河段功果橋水電站。樞紐主要由礫質土心墻堆石壩、左岸溢洪道、沖沙兼放空洞、引水發電系統及地面廠房建筑物等組成。

電站廠房為引水式地面廠房，廠內安裝4 臺單機容量為350 MW 混流式水輪發電機組，總裝機容量1 400 MW。電站設計水頭93 m，單機引用流量420 m3/s。廠區建筑物主要包括主廠房、副廠房、升壓站、屋頂出線場等。主廠房采用“一”字形布置，副廠房分為上游副廠房、尾水副廠房和端副廠房。上游副廠房布置在主廠房上游側，共分七層布置，地面以上三層，自下而上分別為電纜層、GIS層和屋頂500 kV出線場。主要建筑物級別為1級。

屋頂500 kV 出線場長192 m，寬19.10 m，共布置四回出線，其中第1回、第3回出線往下游方向出線，第2回、第4回出線往上游方向出線，導線掛點高20 m，地線掛點高28 m。

出線構架由5個A型架、4個斜支柱和4跨橫梁組成。A型架高20 m，兩個等邊對稱的支柱柱頂中心距0.20 m，柱腳中心距9 m。斜支柱與A型架鉸接連接，柱腳與基礎鉸接方式連接，兩個等邊對稱的支柱柱腳中心距4.50 m，兩支柱柱頂與橫梁焊接，斜支柱柱腳距A型架柱腳中點5.60 m。橫梁共4跨，每跨橫梁跨度30 m。橫梁截面架是由三根角鋼組成的等腰三角形，底邊長2 m，腰邊長2.20 m，節點均采用螺栓方式連接。橫梁與兩端A 型架頂部采用螺栓連接。出線構架初擬桿件型式詳見表1。

表1 出線構架初擬桿件型式表

2 計算分析

2.1 計算模型

出線構架位于上游副廠房屋頂，為模擬出線構架的地震工況，將上游副廠房與出線構架整體建模，對整體結構進行線彈性分析計算。

根據出線構架各個構件的受力特點，A型架立柱和橫梁弦桿屬于典型的三維梁單元，模型中采用空間梁單元模擬，斜支柱和橫梁腹桿兩端節點的連接近似于鉸接，模型中采用空間桿單元模擬。橫梁與A型架通過一假想剛性桿連接，橫梁通過鉸接點把荷載傳遞于假想桿，再通過假想桿與A型架的剛結點作用于A 型架支柱。A 型架底部與上游副廠房的樓板固結。上游副廠房框架結構采用實體模型，計算模型底部采用固結。

整個計算模型共124 731個結點，89 998個單元；其中上游副廠房124 506 個結點，89 414 個單元，出線構架225 個結點，584個單元。

2.2 荷載

根據《鋼結構設計規范》《變電構架設計手冊》，計算荷載主要考慮導線荷載、地線荷載、風荷載、地震荷載以及結構自重等，詳細計算參數選取如下。

導線荷載：四回出線，導線張力均為8 t/相，出線角度水平20°、垂直30°，每回共三相。模型中按點荷載輸入。地線荷載：地線張力為1.20 t/根，出線角度水平20°、垂直30°考慮，每回共2 根。模型中按點荷載輸入。風荷載：根據《建筑結構荷載規范》，基本風壓取0.65 kN/m2。根據基本風壓、風振系數、風荷載體型系數、風壓高度變化系數等分段簡化計算構件上的風荷載，在模型中分段簡化按均布荷載輸入。地震荷載：根據地震安全性評價報告，廠房的抗震設防烈度為7 度，相應的地震動基巖水平加速度代表值為131.90 gal，場地類型為Ⅰ類，設計特征周期T=0.20 s。自重荷載，由程序根據輸入的各構件尺寸和質量密度自動計算。

2.3 靜力工況計算

靜力工況下，不考慮地震荷載，A型架最大拉力為528.70 kN，最大壓力為569.60 kN，最大應力為50 MPa，滿足強度要求；斜撐桿最大拉力為279.70 kN，最大壓力為621.70 kN，其最大應力為44.50 MPa，滿足強度要求；橫梁受拉桿最大應力為115.90 MPa，壓桿最大應力82 MPa，滿足強度要求；其他桿件受拉桿的最大應力為102.50 MPa，壓桿的最大應力為121.50 MPa，強度均能滿足要求。

上游副廠房豎向最大拉應力出現在排架柱頂部的外側，最大值為4.03 MPa，分布范圍較小，僅出現在上下游排架柱的頂部外側。最大壓應力為9.79 MPa，主要出現在排架柱頂部的內側。

2.4 純地震工況計算

僅考慮地震荷載，分析屋頂出線構架結構的地震荷載效應，純地震工況時結構前20 階振型，由振型可以看出，屋頂出線構架結構的基頻振動為上游副廠房的振動。

2.5 地震工況計算

地震工況下，考慮全部導線荷載、地線荷載、風荷載、地震荷載以及結構自重等荷載，A型架最大拉力為539.60 kN，最大壓力為576.40 kN，最大應力為50.6 MPa，滿足強度要求；斜撐桿最大拉力為288.70 kN，最大壓力為613.60 kN，其最大應力為43.90 MPa，滿足強度要求；橫梁受拉桿最大應力為117.20 MPa，壓桿最大應力82.50 MPa，滿足強度要求；其他桿件受拉桿的最大應力為103.70 MPa，壓桿的最大應力為119.20 MPa，強度均能滿足要求。

上游副廠房豎向最大拉應力出線在排架柱頂部的外側，最大值為4.91 MPa，0.43～4.91 MPa占排架柱的1/3，拉應力范圍約占排架柱的一半范圍，上游副廠房結構壓應力最大值為8.54 MPa。

地震工況計算合位移圖略，地震工況上游副廠房豎向應力分布圖略。經驗算，各桿件的剛度和穩定性滿足規范要求。

與靜力工況相比，地震工況時，A 型架最大拉力增幅2.06%，最大壓力增幅1.19%；斜撐桿最大拉力增幅3.22%；橫梁受拉桿最大應力增幅1.12%，壓桿最大應力增幅0.61%；其他桿件受拉桿的最大應力增幅1.17%。上游尾水副廠房最大拉應力增幅21.84%。

3 結論

經過對屋頂出線構架結構進行靜力和動力計算，并比較靜力和動力計算的應力結果，分析地震作用對屋頂出線構架結構的影響，得到以下結論。屋頂出線構架結構的基頻振型主要為上游副廠房的振動；地震工況時，出線構架桿件的拉應力有所增大，增大幅度為1.12%～3.22%，增大幅度較小；地震工況時，上游副廠房的最大拉應力增大，增大幅度為21.84%，增大幅度較大。框架結構的計算中，尤其是考慮地震荷載時，不能將屋頂出線構架簡化為荷載，需關注結構的地震效應，確保框架結構承載能力滿足要求。