±800 kV換流站閥廳結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形分析

吳必華，高湛，陳俊，李志，蔡華，龔天森，胡蓉，甘運(yùn)良

(1.中南電力設(shè)計(jì)院，武漢市，430071;2.中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司，廣州市，510620)

0 引言

閥廳結(jié)構(gòu)是長(zhǎng)距離高壓直流輸電工程中換流站的核心部位，起著關(guān)鍵作用。閥廳結(jié)構(gòu)懸掛多層閥塔，閥塔及其相關(guān)設(shè)備通過(guò)吊索懸掛于水平鋼梁上。閥廳結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，閥塔會(huì)伴隨著結(jié)構(gòu)的振動(dòng)而產(chǎn)生晃動(dòng)，而閥塔的晃動(dòng)又將對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)產(chǎn)生影響，整體結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析較為復(fù)雜。由于閥廳結(jié)構(gòu)一邊是鋼結(jié)構(gòu)柱(類似于普通單層工業(yè)廠房)，另一邊由于設(shè)備要求為剪力墻(防火墻)，造成結(jié)構(gòu)整體扭轉(zhuǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震非常不利。

針對(duì)目前閥廳結(jié)構(gòu)體系抗震設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，本文將防火墻中全剪力墻改為框架剪力墻，采用有限元通用軟件ANSYS，建立了某±800 kV換流站閥廳結(jié)構(gòu)體系的2類有限元模型(框架剪力墻閥廳結(jié)構(gòu)和全剪力墻閥廳結(jié)構(gòu))。對(duì)掛閥前后2種閥廳結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力特性進(jìn)行分析和比較，為換流站閥廳結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

本文研究的閥廳結(jié)構(gòu)是鋼和鋼筋混凝土混合結(jié)構(gòu)形式，包括閥組及相關(guān)設(shè)備的鋼梁、梯形鋼屋架、閥組、鋼柱以及剪力墻(或框架)等。閥廳平面布置、閥廳屋架上弦水平支撐結(jié)構(gòu)布置、閥廳屋架下弦水平支撐及設(shè)備吊梁結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

圖1 閥廳結(jié)構(gòu)布置Fig.1 Layout of valve hall structure

2 閥廳結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

2.1 有限元模型

對(duì)2種結(jié)構(gòu)型式的閥廳進(jìn)行模態(tài)分析，以確定2種閥廳結(jié)構(gòu)掛閥前后的前幾階振型和頻率，及2種結(jié)構(gòu)型式的動(dòng)力特性。分別對(duì)短肢剪力墻閥廳結(jié)構(gòu)和全剪力墻閥廳結(jié)構(gòu)2種閥廳結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模，模型幾何尺寸與原結(jié)構(gòu)相同，所有梁、柱、屋架構(gòu)件和支撐均采用三維空間BEAM189梁?jiǎn)卧?］;剪力墻采用SHELL63殼單元;屋面檁條截面尺寸小，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。圖2～3為框架剪力墻閥廳結(jié)構(gòu)和全剪力墻閥廳結(jié)構(gòu)的有限元模型。

圖2 框架剪力墻閥廳結(jié)構(gòu)Fig.2 Shot-pier shear wall structure of valve hall

圖3 全剪力墻閥廳結(jié)構(gòu)Fig.3 Shear wall structure of valve hall

2.2 框架剪力墻閥廳結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

分別對(duì)掛閥前后框架剪力墻閥廳結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行分析［2］，并對(duì)其振型和頻率進(jìn)行比較，如表1所示。由表1可知:吊閥對(duì)框架剪力墻閥廳結(jié)構(gòu)(整體結(jié)構(gòu))的頻率和振型的影響(比較)在1%以內(nèi)。

表1 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)掛閥前后整體頻率Tab.1 Frequency of shot-pier shear wall structure

2.3 全剪力墻閥廳結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

同理，對(duì)掛閥前后的全剪力墻閥廳結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果如表2所示。由表2可知:吊閥對(duì)全剪力墻閥廳結(jié)構(gòu)的頻率和振型的影響并不顯著，主要的不同在于吊閥本身具有多階局部振型，頻率相差范圍在1.1%以內(nèi)。從以上分析可以看出:掛閥前后主體結(jié)構(gòu)的頻率變化不大。

表2 全剪力墻結(jié)構(gòu)整體頻率對(duì)比Tab.2 Frequency of shear wall structure

閥廳結(jié)構(gòu)第1階振型如圖4所示。從圖4可以看出:地震作用下，閥廳結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形非常明顯。

圖4 閥廳扭轉(zhuǎn)變形Fig.4 Torsion deformation of valve hall

3 閥廳結(jié)構(gòu)體系動(dòng)力時(shí)程分析

3.1 閥廳結(jié)構(gòu)體系地震反應(yīng)動(dòng)力方程

單質(zhì)量懸掛體系支架的彈性振動(dòng)與懸掛質(zhì)量的重力振動(dòng)相耦聯(lián)，可借用結(jié)構(gòu)力學(xué)中的水平剛度系數(shù)法，得到懸掛體系水平剛度系數(shù)［3-4］為

式中:k為主體結(jié)構(gòu)的水平剛度系數(shù)，可由一般結(jié)構(gòu)力學(xué)中的矩陣位移法推導(dǎo)出，kij為懸掛質(zhì)量的水平剛度系數(shù);mi為懸掛物的質(zhì)量;li為mi的懸索長(zhǎng)度。

閥廳結(jié)構(gòu)體系運(yùn)動(dòng)方程［3-4］為

根據(jù)以上的動(dòng)力學(xué)方程即可對(duì)具有懸掛質(zhì)量的建筑結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行地震作用下的動(dòng)力時(shí)程分析，得到該體系的地震作用效應(yīng)。

3.2 閥廳結(jié)構(gòu)體系扭轉(zhuǎn)變形分析

為了對(duì)2種結(jié)構(gòu)型式閥廳的扭轉(zhuǎn)變形進(jìn)行整體評(píng)價(jià)，本文分別對(duì)2種結(jié)構(gòu)型式閥廳進(jìn)行了動(dòng)力時(shí)程分析。由于結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形的主要原因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)在縱向結(jié)構(gòu)剛度不對(duì)稱引起的，因而，本文主要分析結(jié)構(gòu)在縱向地震輸入時(shí)的扭轉(zhuǎn)變形。通過(guò)時(shí)程分析得到閥廳2邊角點(diǎn)(1號(hào)節(jié)點(diǎn)和2號(hào)節(jié)點(diǎn))位移時(shí)程，選出相同時(shí)刻的位移幅值，即可確定閥廳整體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)角。由于篇幅限制，本文僅列出閥廳結(jié)構(gòu)(有閥)在縱向地震作用下 1號(hào)節(jié)點(diǎn)(角柱頂點(diǎn)，標(biāo)高24.8 m)的位移時(shí)程，地震加速度為 0.1g，如圖 5所示。

圖5 框架剪力墻閥廳結(jié)構(gòu)(有閥)1號(hào)節(jié)點(diǎn)在縱向地震波下的位移Fig.5 Diaplacement of No.1 node for shot－pier shear wall structure of valve hall under longitudinal earthquake wave

在縱向地震作用下，掛閥前后2種結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)角如表3所示。

從表3可以看出:將閥廳結(jié)構(gòu)全剪力墻改為框架剪力墻后，縱向地震下最大扭轉(zhuǎn)角有所減小。主要原因是框架剪力墻結(jié)構(gòu)兩側(cè)的側(cè)向剛度較為接近，而全剪力墻結(jié)構(gòu)雖然可以提供更大的縱向抗側(cè)剛度，但由于閥廳結(jié)構(gòu)另一側(cè)是鋼框架結(jié)構(gòu)，使得閥廳結(jié)構(gòu)兩側(cè)剛度差異明顯，導(dǎo)致較大的扭轉(zhuǎn)變形。

表3 不同地震波下2種閥廳結(jié)構(gòu)最大扭轉(zhuǎn)角Tab.3 The torsion angle amplitude of the valve hall

3 結(jié)論

(1)吊閥對(duì)2種閥廳結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)的前3階頻率和振型的影響基本控制在1.1%以內(nèi)，可以忽略不計(jì)。整體結(jié)構(gòu)基本振型為整體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形，對(duì)抗震不利。

(2)掛閥框架剪力墻結(jié)構(gòu)與全剪力墻結(jié)構(gòu)在4種地震作用下的最大扭轉(zhuǎn)角對(duì)比分析表明:框架剪力墻結(jié)構(gòu)的整體抗扭性能優(yōu)于全剪力墻結(jié)構(gòu)。因此，從結(jié)構(gòu)安全性和抗震性能方面考慮，采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)更合理，并且框架剪力墻結(jié)構(gòu)較全剪力墻結(jié)構(gòu)更為經(jīng)濟(jì)。

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