閥廳結(jié)構(gòu)中型鋼混凝土支撐結(jié)構(gòu)性能分析

高 湛，楊 超

(1.中國電力工程顧問集團中南電力設(shè)計院有限公司，武漢 430071;2.武漢理工大學土木工程與建筑學院，武漢 430070)

電力作為一種高效清潔和適用廣泛的能源，對我國經(jīng)濟發(fā)展的影響不言而喻。但我國的經(jīng)濟和資源的不平衡問題隨著發(fā)展日益突出，利用超、特高壓等方式進行遠距離的電力輸送，能充分解決資源發(fā)展矛盾的問題，同時減小電力輸送過程中的損耗[1]。

在進行超、特高壓遠程輸電過程中，換流變壓器和換流閥組成的換流站安全性問題日益明顯，建造安全防火的換流站閥廳，是保證現(xiàn)有輸電線路安全運行的前提[2]。對于大跨度的閥廳結(jié)構(gòu)，除按基本要求設(shè)置足夠的梁柱結(jié)構(gòu)及防火墻結(jié)構(gòu)外，需設(shè)置足夠的柱間支撐保證結(jié)構(gòu)的剛度，以防止結(jié)構(gòu)因雙向抗側(cè)剛度差距較大造成破壞。現(xiàn)有閥廳結(jié)構(gòu)中主要采用鋼筋混凝土支撐或鋼結(jié)構(gòu)支撐，但此兩類支撐均無法兼具良好的強度和耐火性能，這一閥廳結(jié)構(gòu)對支撐的要求，需考慮改進現(xiàn)有結(jié)構(gòu)形式以滿足電力輸送的需求。

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的性能一直是國內(nèi)外研究的熱點，近十年間國內(nèi)外諸多學者對其進行了深入的分析，如蘭琳[3]研究高軸壓比下型鋼混凝土柱的力學特性；查昕峰[4]對單榀型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)的損傷指數(shù)進行了研討；杜振宇[5]和毛冬旭[6]等先后對型鋼混凝土異形柱的力學性能進行分析。Reshma Biju等[7]探討了開孔對型鋼混凝土梁性質(zhì)的影響。Isaac Montava等[8]則針對型鋼混凝土和鋼筋混凝土的耗能能力的差別進行了深入的分析。

隨著學者們的深入研究和在工程中的廣泛使用，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)良好的受力性能及耐火能力已經(jīng)日益凸顯，但將其運用于換流站閥廳的支撐結(jié)構(gòu)尚缺少研究和應(yīng)用。因此，選擇某擬建的閥廳建筑，在其中設(shè)置型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，通過試驗分析和有限元模擬的方式，考察其受力性能及內(nèi)力分布變形特征等。

1 試驗的設(shè)計與分析

選取設(shè)計于某地的大跨閥廳結(jié)構(gòu)，其縱向及橫向長度分別為86.2 m和56 m，對其中某跨設(shè)置型鋼混凝土支撐。采用2.5∶1的相似比例設(shè)計縮尺模型試件，模型的相似比滿足相似理論的要求，模型試件的尺寸、配筋及配鋼圖，如圖1、圖2及表1所示。

表1 試件各截面尺寸、配筋及配鋼信息

在進行試驗前，首先進行支撐結(jié)構(gòu)的全部構(gòu)件的材料性能試驗，包含梁、柱、支撐的混凝土、鋼筋及型鋼性能的測試。完成后，利用MTS伺服系統(tǒng)對3組試驗?zāi)Ｐ蚐RCB-X1～3進行擬靜力試驗，采用荷載及位移混合控制的低周反復加載方式進行。選擇試驗中具有代表性試件SRCB-X2的滯回曲線顯示于圖3，全部試件的骨架曲線如圖4所示。

查看典型試件的滯回曲線可知，其整體的飽滿程度較好，顯示出抗震性能良好，而從承載力的下降程度中則發(fā)現(xiàn)在對承載力的貢獻中，斜撐優(yōu)于梁柱結(jié)構(gòu)。骨架曲線的延展特性也顯示出支撐結(jié)構(gòu)良好的力學性質(zhì)，同時其在超越極限荷載后的承載力的下降趨勢，也同樣表明斜撐的重要性超過梁柱。

2 有限元模擬

利用試驗分析對支撐結(jié)構(gòu)的整體性能分析后，通過有限元軟件對其中難于直接用試驗獲取的性質(zhì)進行模擬計算，并對試驗參數(shù)的影響進行探討。在建模加載后，為驗證有限元建模分析的合理性，對比試驗及有限元模擬的結(jié)果，如表2所示。

表2 試驗及有限元對比

表2顯示有限元建模計算與試驗分析的結(jié)果較為接近，誤差也在可以接受范圍內(nèi)，有限元分析結(jié)果可信，可以利用其體現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷和破壞程度，斜撐結(jié)構(gòu)在破壞階段的型鋼和鋼筋的應(yīng)力云圖如圖5,圖6所示。

由圖5、圖6可見，在破壞階段鋼筋和型鋼大面積屈服，大部分失去承載能力，結(jié)合試驗現(xiàn)象中混凝土的開裂破壞，體現(xiàn)出支撐結(jié)構(gòu)的整體耗能及延性能力較好，能充分應(yīng)用材料性質(zhì)。進一步利用有限元模型，對可能影響型鋼混凝土支撐結(jié)構(gòu)的因素進行分析。選擇含鋼量和軸壓比進行研究，不同含鋼量和軸壓比下的荷載-位移曲線如圖7、圖8所示。

支撐的承載力隨著配鋼量的增加有明顯增加，對柱配鋼量影響則不夠明顯[9]，因此在實際設(shè)計中，在含鋼量一定的前提下，優(yōu)先增加支撐結(jié)構(gòu)的配鋼率較為合理。圖8顯示軸壓比對結(jié)構(gòu)的承載力的影響，軸壓比從0.1提升至0.8，支撐結(jié)構(gòu)承載力變化不大。因此，實際設(shè)計中，不推薦采用修正軸壓比的方式提高構(gòu)件承載力。

3 結(jié)論與建議

通過對型鋼混凝土支撐結(jié)構(gòu)的試驗和有限元分析，該結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出良好的力學性能及耗能能力，適用于大跨度閥廳結(jié)構(gòu)中的支撐，可部分或全部替代現(xiàn)有的鋼筋混凝土支撐或型鋼支撐，能較大程度地提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)及耐火能力。

在對承載力的貢獻中，支撐結(jié)構(gòu)的重要性強于梁柱結(jié)構(gòu)，設(shè)計中應(yīng)合理安排其截面設(shè)計，保證關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的強度；配鋼率對支撐結(jié)構(gòu)性能影響較為明顯，尤其是對于斜撐的影響更為明顯，對結(jié)構(gòu)柱影響相對較小，在整體造價受限的前提下，可采用適當增加斜撐配鋼率而維持柱配鋼率；柱軸壓比的變化對支撐結(jié)構(gòu)的影響可以忽略，實際中可按一般構(gòu)造要求設(shè)置軸壓比，采用調(diào)整軸壓比加大結(jié)構(gòu)承載力的思路在設(shè)計中不可取。