柔直閥廳大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)選型研究

伍鑫元，何 勇

( 中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

閥廳是柔性直流換流站的核心建筑，常規(guī)直流工程中±500 kV 換流站閥廳的橫向跨度約為25 m，縱向長度約為55 m；±800 kV 換流站高壓閥廳的橫向跨度約為32 m，縱向長度80 m；而本工程柔性直流換流站閥廳跨度達(dá)50 ～60 m，縱向長85 m，結(jié)構(gòu)跨度遠(yuǎn)超±500 kV、±800 kV 常直換流站閥廳，屬于單層、大跨、空曠建筑。目前，在國內(nèi)直流輸電工程領(lǐng)域，大跨度廠房較少[1]，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工組織經(jīng)驗(yàn)不足，因此有必要就閥廳大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究[2-6]。本文旨在通過結(jié)構(gòu)選型論證和計(jì)算分析，確保閥廳結(jié)構(gòu)安全可靠，實(shí)現(xiàn)換流站設(shè)計(jì)技術(shù)先進(jìn)、安全適用、經(jīng)濟(jì)合理、確保質(zhì)量的目標(biāo)[3]。

1 工程概況

本工程設(shè)柔直閥廳2 座，建筑布置基本相同，平面軸線尺寸85 m×96 m，凈空高度20 m。其屋蓋結(jié)構(gòu)考慮聯(lián)合布置，屋蓋橫向跨度接近50 ～60 m，約為±800 kV 特高壓直流換流站高壓閥廳跨度的2 倍，屬于單層、空曠、大跨廠房。

主要設(shè)計(jì)條件如表1所示，荷載如表2所示。

表1 主要設(shè)計(jì)條件和參數(shù)

表2 荷載

2 結(jié)構(gòu)選型

2.1 大跨度屋蓋承重結(jié)構(gòu)形式

本工程屋蓋結(jié)構(gòu)屬于大跨結(jié)構(gòu)，且已經(jīng)超出混凝土屋蓋結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)跨度，需采用鋼結(jié)構(gòu)水平受力體系可有效減小自重[3]。目前對于單層大跨度工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)形式.可以采用的屋蓋結(jié)構(gòu)形式如下：

1)門式剛架結(jié)構(gòu)：門式剛架通過變截面的實(shí)腹柱和實(shí)腹梁剛接形成橫向受力體系，通過平面和豎向支撐體系形成整體受力體系。廠房內(nèi)部美觀簡潔，屋面凈空較低，涂裝質(zhì)量高，維修保養(yǎng)方便，制作和安裝簡單，施工周期短，單位造價(jià)低，此結(jié)構(gòu)形式在36 m 跨度以下廠房中大量使用。但大跨度廠房應(yīng)用中存在鋼材利用效率低，用鋼量大，吊裝過程中平面外剛度差，吊裝易發(fā)生變形。且由于本工程的雪壓和風(fēng)壓較大，柱剛度大，因此采用門式剛架結(jié)構(gòu)時(shí)由于彎矩較大而導(dǎo)致剛架截面高度很大，經(jīng)濟(jì)性較差。

2)空間管桁架結(jié)構(gòu)：空間管桁架結(jié)構(gòu)(以下簡稱“管桁架”)已被廣泛應(yīng)用于大型的機(jī)場、體育場館等民用建筑，在昌吉－古泉±1 100 kV 直流輸電工程的戶內(nèi)直流場上也有應(yīng)用。作為三維空間結(jié)構(gòu)體系的管桁架結(jié)構(gòu)，桿件受力合理，空間剛度大，節(jié)點(diǎn)荷載是由空間多根桿件承擔(dān)，空間匯交的桿件互為支撐，將受力桿件與支撐有機(jī)地結(jié)合起來，因而它適合大跨度的結(jié)構(gòu)?？臻g管桁架結(jié)構(gòu)還具有整體性能好、結(jié)構(gòu)布置靈活、抗壓和抗彎性能好、外形美觀等優(yōu)點(diǎn)。但其對相貫節(jié)點(diǎn)的加工精度要求高，焊接工作量大，對焊接的質(zhì)量要求較高。

3)實(shí)腹式鋼柱＋空間網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)：網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)(以下簡稱“網(wǎng)架”)在規(guī)則單層廠房中應(yīng)用較多，是用鋼量最節(jié)省的屋蓋結(jié)構(gòu)形式之一。網(wǎng)架采用很多桿件沿兩個(gè)或多個(gè)方向有規(guī)律地組成，能夠承擔(dān)由各個(gè)方向傳遞來的荷載。該結(jié)構(gòu)是高次超靜定空間結(jié)構(gòu)，改變了一般的平面桁架的傳力方式及其受力體系，具有剛度大、整體效果好、抗震能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。網(wǎng)架在結(jié)構(gòu)、桿件、節(jié)點(diǎn)的生產(chǎn)上可實(shí)現(xiàn)規(guī)格化，這對實(shí)現(xiàn)工廠化生產(chǎn)是非常有利的，也對提高工程質(zhì)量和加快工程進(jìn)度有很大好處。在我國近十多年來工業(yè)建設(shè)中，大跨度單層工業(yè)廠房屋蓋結(jié)構(gòu)形式中網(wǎng)架結(jié)構(gòu)得到了較為廣泛的應(yīng)用。

根據(jù)上文和表3 各屋蓋結(jié)構(gòu)型式的對比分析，綜合考慮工藝要求、用鋼經(jīng)濟(jì)性及結(jié)構(gòu)安全性，本工程采用實(shí)腹式鋼柱＋網(wǎng)架結(jié)構(gòu)或者實(shí)腹式鋼柱＋管桁架結(jié)構(gòu)均屬于較為合理的結(jié)構(gòu)方案。下文將針對柔直閥廳分別采用這兩種方案進(jìn)行詳細(xì)對比分析。

表3 屋蓋承重結(jié)構(gòu)型式優(yōu)缺點(diǎn)比較

3 方案對比分析

3.1 網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)形式

3.1.1 方案說明

兩座閥廳采用縱向聯(lián)合布置方式，橫向構(gòu)成兩跨連續(xù)排架，以提高結(jié)構(gòu)剛度，減小耗鋼量，本結(jié)構(gòu)跨度較大，采用正放四角錐雙層折板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。網(wǎng)架網(wǎng)格尺寸約為4 m ～5 m，網(wǎng)架高度3.5 m。建筑軸線尺寸85 m×96 m，屋內(nèi)凈空22 m，檐口高度25 m。考慮本工程結(jié)構(gòu)跨度較大，節(jié)點(diǎn)受力大，節(jié)點(diǎn)形式采用焊接球節(jié)點(diǎn)或螺栓球節(jié)點(diǎn)。屋面找坡坡度為5%，如果采用立柱找坡，立柱高度較高，為提高立柱的穩(wěn)定性，需適當(dāng)布置豎向支撐，施工與制作較為繁瑣。因此本工程采用結(jié)構(gòu)找坡[7]。網(wǎng)架桿件均采用熱軋無縫鋼管。

結(jié)構(gòu)柱采用實(shí)腹式焊接H 型鋼柱，在中間跨設(shè)置交叉支撐，形成整體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。柱間支撐體系應(yīng)保證房屋的縱向穩(wěn)定和空間剛度。

山墻結(jié)構(gòu)由鋼柱及柱間水平支撐組成，山墻柱上端與網(wǎng)架上弦鉸接連接，下端與基礎(chǔ)固接連接。山墻平面外水平力(風(fēng)荷載、地震用等)分別由山墻柱上下端傳遞給整體結(jié)構(gòu)的縱向支撐和基礎(chǔ)。山墻柱采用H 形截面，柱間水平支撐采用H 型鋼。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)三維透視圖如圖1 所示；網(wǎng)架結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖2 所示 。

圖1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)三維透視圖

圖2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)平面布置圖

網(wǎng)架通過與各柱頂鉸接，使整個(gè)廠房形成由實(shí)腹式柱和屋面平板網(wǎng)架組成的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系，所選用的鋼結(jié)構(gòu)主要截面類型如表4 所示。

表4 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)截面類型

3.1.2 結(jié)構(gòu)受力分析

1)靜力分析

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在1.0 恒載+1.0 活載荷載組合下的變形如圖3 所示。網(wǎng)架跨中最大豎向變形為-115 mm，撓跨比為1/452<1/400，滿足規(guī)范要求。

圖3 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)單元閥廳1.0恒載+1.0活載下豎向變形圖

在風(fēng)荷載作用下排架柱柱頂水平位移如圖4 所示。排架柱柱頂在0°風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下最大柱頂水平位移為29.8(1/838) mm，滿足規(guī)范要求。

圖4 0°風(fēng)荷載作用下排架柱柱頂水平位移圖(網(wǎng)架結(jié)構(gòu))

主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力比如表5 所示，均控制在0.8以下(考慮了結(jié)構(gòu)重要性系數(shù))。

表5 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力比

2)動(dòng)力分析

模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的基礎(chǔ)，用以確定結(jié)構(gòu)的周期和振型，重力荷載代表值取1.0恒載+0.5 活載，求得結(jié)構(gòu)的前3 階自振周期如圖5 ～圖7 所示。

圖5 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)第一階振型模態(tài)圖 自振周期0.87s

圖6 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)第二階振型模態(tài)圖 自振周期0.70s

圖7 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)第三階振型模態(tài)圖 自振周期0.65 s

由圖5 ～圖7 可知，結(jié)構(gòu)第一階為整體X方向的平動(dòng)，第二階為繞Z軸的整體扭轉(zhuǎn)，第三階主要為網(wǎng)架的豎向振動(dòng)，由結(jié)構(gòu)的振型可知，結(jié)構(gòu)豎向剛度較好，平面布置合理[8]。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主體鋼結(jié)構(gòu)用鋼量如表6 所示。

表6 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)用鋼量 t

3.2 管桁架結(jié)構(gòu)形式

3.2.1 方案說明

由于本結(jié)構(gòu)跨度較大，管桁架結(jié)構(gòu)采用空間桁架。桁架截面形狀為倒三角形，三角形邊長尺寸為4 m，桁架高度為3.5 m，檐口高度25 m，屋內(nèi)凈空高度為22 m。本工程桁架結(jié)構(gòu)桿件之間均采用相貫焊連接，支撐柱采用實(shí)腹式H 型鋼柱，桿件均采用熱軋無縫鋼管。

管桁架結(jié)構(gòu)方案立面柱間支撐設(shè)置、屋面找坡方式與網(wǎng)架方案相同。但在管桁架方案中，在閥廳屋蓋上弦四周設(shè)置屋面交叉支撐，用以增加管桁架空間協(xié)同作用，并解決施工階段管桁架的平面外穩(wěn)定性問題。屋面上弦交叉支撐布置如圖8 所示。

圖8 屋面上弦交叉支撐平面布置圖

閥廳管桁架的主要構(gòu)件截面類型如表7 所示。

表7 管桁架結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)截面類型

3.2.2 結(jié)構(gòu)受力分析

1)靜力分析

管桁架結(jié)構(gòu)在1.0 恒載+1.0 活載荷載組合下的變形如圖9 所示。管桁架跨中最大豎向變形為-78 mm，撓跨比1/666<1/400，滿足規(guī)范要求。

圖9 管桁架結(jié)構(gòu)單元閥廳1.0恒載+1.0活載下豎向變形圖

在風(fēng)荷載作用下排架柱柱頂水平位移如圖10 所示。排架柱柱頂在0°風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下最大柱頂水平位移為26.2(1/954) mm，滿足規(guī)范要求。

圖10 0°風(fēng)荷載作用下排架柱柱頂水平位移圖(管桁架結(jié)構(gòu))

主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力比如表8 所示，均控制在0.8以下(考慮了結(jié)構(gòu)重要性系數(shù))。

表8 管桁架結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力比

2)動(dòng)力分析

模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的基礎(chǔ)，用以確定結(jié)構(gòu)的周期和振型，重力荷載代表值取1.0恒載+0.5 活載，求得結(jié)構(gòu)的前3 階自振周期如圖11 ～圖13 所示。

圖11 管桁架結(jié)構(gòu)第一階振型模態(tài)圖 自振周期0.91 s

圖13 管桁架結(jié)構(gòu)第三階振型模態(tài)圖 自振周期0.60 s

圖12 管桁架結(jié)構(gòu)第二階振型模態(tài)圖 自振周期0.90 s

由圖11 ～圖13 可知，結(jié)構(gòu)第一階為整體X方向的平動(dòng)，第二階為繞Z軸的整體扭轉(zhuǎn)，第三階主要為整體Y方向的平動(dòng)，由結(jié)構(gòu)的振型可知，結(jié)構(gòu)豎向剛度較好，平面布置合理。

管桁架結(jié)構(gòu)主體鋼結(jié)構(gòu)用鋼量如表9 所示。

表9 管桁架結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)用鋼量t

3.3 方案比較

閥廳網(wǎng)架屋蓋與管桁架屋蓋方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比指標(biāo)如表10 所示。

表10 兩種方案主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比表

4 結(jié)論

本文對閥廳采用網(wǎng)架＋實(shí)腹式柱方案和管桁架＋實(shí)腹式柱方案分別進(jìn)行了整體計(jì)算和分析。兩種方案在給定的設(shè)計(jì)條件下均能夠滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求，但在經(jīng)濟(jì)性和適用性方面有所差異。

1)在相同的輸入條件和荷載作用情況下，同時(shí)控制相同的最大應(yīng)力比，根據(jù)初步計(jì)算結(jié)果，考慮屋面檁條系統(tǒng)后，網(wǎng)架方案用鋼量比管桁架方案節(jié)省約20%，經(jīng)濟(jì)效益明顯[9]。

2)管桁架方案施工周期較長，構(gòu)件加工相對于網(wǎng)架方案更為復(fù)雜，焊縫較多。

綜上所述，結(jié)合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等因素，建議閥廳屋蓋結(jié)構(gòu)方案采用空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。