柳北換流站大跨度網架支座方案分析研究

吳 晟，程 亮，趙李源

(中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071)

0 引言

閥廳作為換流站體量最大的單項工程，是換流站的核心功能區，閥廳內設備工藝布置十分復雜，需提供大跨度內部無支撐結構空間。目前國內特高壓柔直換流站閥廳屋蓋大多采用網架結構，網架結構比傳統結構具有跨度大、自重輕、造型靈活等優點，網架結構設計軟件及規范也日趨成熟，但關于網架支座的選擇軟件和規范并未給出明確指示，網架的支座設計成為了網架結構設計的重點部位。

1 工程概況

昆柳龍直流工程是國家大氣污染防治行動計劃12條重點輸電通道建設項目之一，也是國務院保證經濟“穩增長”重點工程。該工程是世界上容量最大的特高壓多端直流輸電工程，工程西起云南昆北換流站，東至廣西柳北換流站、廣東龍門換流站，采用±800 kV三端混合直流技術，線路全長1 489 km，輸送容量800萬 kW，是國家特高壓多端直流的示范工程。柳北換流站是昆柳龍直流工程的廣西受端站，站址位于柳州市鹿寨縣中渡鎮黃村，距鹿寨縣約15 km。

柳北換流站共設置4個閥廳，分別為極1高端閥廳、極2高端閥廳、極1低端閥廳、極2低端閥廳，兩高端閥廳建筑軸線尺寸為86 m×86 m，兩低端閥廳建筑軸線尺寸為67 m×76.5 m。閥廳鳥瞰圖如圖1所示。極2低端、極2高端閥廳與極1低端、極1高端閥廳為鏡像布置，同極的高端和低端閥廳結構為獨立結構，單個高端閥廳跨度為86 m，屋架下弦高度32.6 m，單個低端閥廳跨度為67 m，屋架下弦高度22.6 m，閥廳作為換流站的核心功能區，室內設備工藝布置十分復雜，由于室內設備帶電距離要求，需閥廳提供大跨度室內無支撐結構空間。故室內均不設置結構柱，結構柱均沿閥廳四周布置，采用矩形格構式鋼柱，屋面結構建筑造型、排水等要求，采用整體剛度較好的鋼網架結構，結構整體模型及柱網布置如圖2所示。

圖1 柳北換流站閥廳鳥瞰圖

圖2 高端閥廳三維模型及柱網布置圖

網架結構設計軟件及規范也日趨成熟，但關于網架支座選型軟件和規范并未給出明確指示[1-2]，大跨度空間鋼網架的支撐條件對計算有很大的影響，網架的支座設計成為了網架結構設計的重點部位，設計時應根據支撐結構的剛度和支座節點的特點，確定支座節點的約束情況和彈性剛度，為了確定網架與下部結構采用何種連接方式更為合理，本文對高端閥廳采用球鉸支座和平板鋼支座兩種方案進行對比分析。

2 支座剛度模擬

2.1 平板鋼支座

平板鋼支座主要分為壓力支座和拉力支座，其中，平板壓力支座應用最為廣泛[3]，平板鋼支座是網架節點通過十字加勁板和底板把支座力傳遞給下部結構，鋼支座節點圖如圖3所示。

圖3 平板鋼支座節點

平板支座是比較理想的固定鉸支座，在結構計算模型中支座的水平剛度即為下部支撐結構對網架的水平約束剛度，每個結構柱上設置一個支座，各柱線剛度見表1所列。

表1 平板支座水平剛度kN/mm

部分帶過渡板的平板鋼支座雖能允許支座產生部分位移，但該位移的產生需克服網架支座壓力產生的摩擦力，適合自重較小的中小跨度網架，本工程網架屬于大跨度網架，自重、下弦懸吊設備及吊車荷載較大，支座壓力大，產生位移需克服的摩擦力較大，故不適用帶過渡板的平板鋼支座。

2.2 球鉸支座

球鉸支座亦稱為萬向轉動球鉸支座[3]，能同時承受豎向荷載并且實現徑向和環向的位移要求，釋放部分水平力及彎矩，支座不用橡膠承壓，不存在橡膠老化對支座的影響，使用壽命長，球鉸支座節點如圖4、圖5所示。

圖4 球鉸支座X向節點圖

圖5 球鉸支座Y向節點圖

球鉸支座是比較理想的彈簧鉸支座，根據網架跨度可以選擇不同線剛度的球鉸支座，本站高端閥廳球鉸支座平面尺寸擬采用650 mm×650 mm，支座高度250 mm，X向及Y向線剛度均為2.5 kN/mm，X向及Y向最大位移為±30 mm。在結構計算模型中支座的水平剛度應有兩部分組成，分別是球鉸支座自身的水平約束剛度K1以及下部支撐結構對網架的水平約束剛度K2，這兩個剛度是串聯關系，根據串聯原理模型支座的剛度K應等于K1×K2/(K1+K2)[4-5]。每個結構柱上設置一個支座，模型中各支座線剛度見表2所列。

表2 球鉸支座線剛度 kN/mm

3 計算對比分析

3.1 振型對比分析

通過空間迭代法進行動力特性分析，分別計算平板鋼支座和球鉸支座兩個方案，兩方案前9階自振周期及各振型質量參與系數見表3所列。計算結果表明，平板鋼支座方案和球鉸支座方案各個振型累計質量參與系數均達到99%，且前幾階主振型均以平動振型為主，球鉸支座較平板鋼支座結構自振周期大，結構更柔，這是因為網架平面內和平面外剛度均較大，平板鋼支座對下部結構的約束更大，而球鉸支座釋放了部分力和位移，降低整體結構的剛度，消耗部分水平地震力，提高結構抗震性能。

表3 兩方案自振周期及各振型質量參與系數

3.2 受力分析

對兩方案進行內力分析，荷載工況分別有恒荷載、活荷載、風荷載以及溫度荷載，各支座反力最大值詳見表4～表5所列，支座編號同結構柱編號，由表可知，各支座軸向力均為壓力，且兩方案軸力值相差不大，最大軸力均發生在2號支座，為2 600 kN左右；兩方案水平剪力相差加大，采用球鉸支座方案水平剪力較平板鋼支座方案平均降低70%，在平板鋼支座方案中，最大水平剪力均發生在角支座，查荷載工況可知，溫度工況產生的水平力占總水平力50%以上，由于網架跨度較大，溫升和溫降產生的作用力較大，而在球鉸支座方案中，由于支座可以允許部分位移，釋放了部分水平力，該方案中溫度工況產生的水平力占總水平力下降到30%左右，且各水平力分布較均勻，各支座水平力大小相差不大；根據模型計算可知，兩方案的變形趨勢均一致，最大位移發生在網架跨中，兩方案變形大小相差不大。

表4 平板鋼支座各支座最大內力kN

表5 球鉸支座各支座最大內力 kN

3.3 位移對比

平板鋼支座方案網架最大位移發生在跨中，最大豎向位移值為-86.634 mm；球鉸支座方案網架最大位移發生在跨中，最大豎向位移值為-87.123 mm，兩方案網架位移趨勢及大小均一致，對支座約束的釋放不改變網架的變形。

4 結論

1)球鉸支座方案與平板鋼支座方案相比，結構振動周期均以平動周期為主，球鉸支座方案振動周期更大，球鉸支座水平剛度較小，支座釋放了部分水平力和位移，整體結構的剛度也降低，結構相比平板鋼支座方案更柔，能消耗部分水平地震力，提高結構抗震性能。

2)球鉸支座方案與平板鋼支座方案網架的變形趨勢及大小均一致，最大位移發生在網架跨中。

3)球鉸支座方案與平板鋼支座方案相比，各支座均產生軸向壓力，且壓力大小基本一致；水平剪力相差較大，球鉸支座方案水平剪力較平板鋼支座平均降低70%，在平板鋼支座方案中，最大水平剪力均發生在角支座，且最大值與最小值相差較大，而在球鉸支座方案中，各支座水平剪力相差不大，絕對值趨于一致。

綜上所述，相比平板鋼支座，柳北換流站閥廳網架更適合采用球鉸支座，由于該工程網架跨度大，能充分發揮球鉸支座的特性，降低網架傳給下部結構柱的水平力及整體結構的剛度，提高整體結構的抗震性能。