柔直閥廳大跨度屋蓋結構選型研究

伍鑫元，何 勇

( 中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，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50 ～60 m，縱向長85 m，結構跨度遠超±500 kV、±800 kV 常直換流站閥廳，屬于單層、大跨、空曠建筑。目前，在國內直流輸電工程領域，大跨度廠房較少[1]，結構設計、施工組織經驗不足，因此有必要就閥廳大跨度屋蓋結構設計進行研究[2-6]。本文旨在通過結構選型論證和計算分析，確保閥廳結構安全可靠，實現換流站設計技術先進、安全適用、經濟合理、確保質量的目標[3]。

1 工程概況

本工程設柔直閥廳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。其屋蓋結構考慮聯合布置，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。

主要設計條件如表1所示，荷載如表2所示。

表1 主要設計條件和參數

表2 荷載

2 結構選型

2.1 大跨度屋蓋承重結構形式

本工程屋蓋結構屬于大跨結構，且已經超出混凝土屋蓋結構的經濟跨度，需采用鋼結構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廠房結構形式.可以采用的屋蓋結構形式如下：

1)門式剛架結構：門式剛架通過變截面的實腹柱和實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。廠房內部美觀簡潔，屋面凈空較低，涂裝質量高，維修保養方便，制作和安裝簡單，施工周期短，單位造價低，此結構形式在36 m 跨度以下廠房中大量使用。但大跨度廠房應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，吊裝易發生變形。且由于本工程的雪壓和風壓較大，柱剛度大，因此采用門式剛架結構時由于彎矩較大而導致剛架截面高度很大，經濟性較差。

2)空間管桁架結構：空間管桁架結構(以下簡稱“管桁架”)已被廣泛應用于大型的機場、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直流場上也有應用。作為三維空間結構體系的管桁架結構，桿件受力合理，空間剛度大，節點荷載是由空間多根桿件承擔，空間匯交的桿件互為支撐，將受力桿件與支撐有機地結合起來，因而它適合大跨度的結構。空間管桁架結構還具有整體性能好、結構布置靈活、抗壓和抗彎性能好、外形美觀等優點。但其對相貫節點的加工精度要求高，焊接工作量大，對焊接的質量要求較高。

3)實腹式鋼柱＋空間網架屋蓋結構：網架屋蓋結構(以下簡稱“網架”)在規則單層廠房中應用較多，是用鋼量最節省的屋蓋結構形式之一。網架采用很多桿件沿兩個或多個方向有規律地組成，能夠承擔由各個方向傳遞來的荷載。該結構是高次超靜定空間結構，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、抗震能力強等優點。網架在結構、桿件、節點的生產上可實現規格化，這對實現工廠化生產是非常有利的，也對提高工程質量和加快工程進度有很大好處。在我國近十多年來工業建設中，大跨度單層工業廠房屋蓋結構形式中網架結構得到了較為廣泛的應用。

根據上文和表3 各屋蓋結構型式的對比分析，綜合考慮工藝要求、用鋼經濟性及結構安全性，本工程采用實腹式鋼柱＋網架結構或者實腹式鋼柱＋管桁架結構均屬于較為合理的結構方案。下文將針對柔直閥廳分別采用這兩種方案進行詳細對比分析。

表3 屋蓋承重結構型式優缺點比較

3 方案對比分析

3.1 網架屋蓋結構形式

3.1.1 方案說明

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

結構柱采用實腹式焊接H 型鋼柱，在中間跨設置交叉支撐，形成整體抗側力結構體系。柱間支撐體系應保證房屋的縱向穩定和空間剛度。

山墻結構由鋼柱及柱間水平支撐組成，山墻柱上端與網架上弦鉸接連接，下端與基礎固接連接。山墻平面外水平力(風荷載、地震用等)分別由山墻柱上下端傳遞給整體結構的縱向支撐和基礎。山墻柱采用H 形截面，柱間水平支撐采用H 型鋼。網架結構三維透視圖如圖1 所示；網架結構平面布置圖如圖2 所示 。

圖1 網架結構三維透視圖

圖2 網架結構平面布置圖

網架通過與各柱頂鉸接，使整個廠房形成由實腹式柱和屋面平板網架組成的空間網架結構體系，所選用的鋼結構主要截面類型如表4 所示。

表4 網架結構鋼結構截面類型

3.1.2 結構受力分析

1)靜力分析

網架結構在1.0 恒載+1.0 活載荷載組合下的變形如圖3 所示。網架跨中最大豎向變形為-115 mm，撓跨比為1/452<1/400，滿足規范要求。

圖3 網架結構單元閥廳1.0恒載+1.0活載下豎向變形圖

在風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°風荷載標準值作用下最大柱頂水平位移為29.8(1/838) mm，滿足規范要求。

圖4 0°風荷載作用下排架柱柱頂水平位移圖(網架結構)

主體結構應力比如表5 所示，均控制在0.8以下(考慮了結構重要性系數)。

表5 網架結構主體結構應力比

2)動力分析

模態分析是結構動力分析的基礎，用以確定結構的周期和振型，重力荷載代表值取1.0恒載+0.5 活載，求得結構的前3 階自振周期如圖5 ～圖7 所示。

圖5 網架結構第一階振型模態圖 自振周期0.87s

圖6 網架結構第二階振型模態圖 自振周期0.70s

圖7 網架結構第三階振型模態圖 自振周期0.65 s

由圖5 ～圖7 可知，結構第一階為整體X方向的平動，第二階為繞Z軸的整體扭轉，第三階主要為網架的豎向振動，由結構的振型可知，結構豎向剛度較好，平面布置合理[8]。

網架結構主體鋼結構用鋼量如表6 所示。

表6 網架結構主體結構用鋼量 t

3.2 管桁架結構形式

3.2.1 方案說明

由于本結構跨度較大，管桁架結構采用空間桁架。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，屋內凈空高度為22 m。本工程桁架結構桿件之間均采用相貫焊連接，支撐柱采用實腹式H 型鋼柱，桿件均采用熱軋無縫鋼管。

管桁架結構方案立面柱間支撐設置、屋面找坡方式與網架方案相同。但在管桁架方案中，在閥廳屋蓋上弦四周設置屋面交叉支撐，用以增加管桁架空間協同作用，并解決施工階段管桁架的平面外穩定性問題。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件截面類型如表7 所示。

表7 管桁架結構鋼結構截面類型

3.2.2 結構受力分析

1)靜力分析

管桁架結構在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，滿足規范要求。

圖9 管桁架結構單元閥廳1.0恒載+1.0活載下豎向變形圖

在風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°風荷載標準值作用下最大柱頂水平位移為26.2(1/954) mm，滿足規范要求。

圖10 0°風荷載作用下排架柱柱頂水平位移圖(管桁架結構)

主體結構應力比如表8 所示，均控制在0.8以下(考慮了結構重要性系數)。

表8 管桁架結構主體結構應力比

2)動力分析

模態分析是結構動力分析的基礎，用以確定結構的周期和振型，重力荷載代表值取1.0恒載+0.5 活載，求得結構的前3 階自振周期如圖11 ～圖13 所示。

圖11 管桁架結構第一階振型模態圖 自振周期0.91 s

圖13 管桁架結構第三階振型模態圖 自振周期0.60 s

圖12 管桁架結構第二階振型模態圖 自振周期0.90 s

由圖11 ～圖13 可知，結構第一階為整體X方向的平動，第二階為繞Z軸的整體扭轉，第三階主要為整體Y方向的平動，由結構的振型可知，結構豎向剛度較好，平面布置合理。

管桁架結構主體鋼結構用鋼量如表9 所示。

表9 管桁架結構主體結構用鋼量t

3.3 方案比較

閥廳網架屋蓋與管桁架屋蓋方案的技術經濟對比指標如表10 所示。

表10 兩種方案主要技術經濟指標對比表

4 結論

本文對閥廳采用網架＋實腹式柱方案和管桁架＋實腹式柱方案分別進行了整體計算和分析。兩種方案在給定的設計條件下均能夠滿足規范設計要求，但在經濟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，同時控制相同的最大應力比，根據初步計算結果，考慮屋面檁條系統后，網架方案用鋼量比管桁架方案節省約20%，經濟效益明顯[9]。

2)管桁架方案施工周期較長，構件加工相對于網架方案更為復雜，焊縫較多。

綜上所述，結合技術、經濟等因素，建議閥廳屋蓋結構方案采用空間網架結構。