大容量柔性直流换流站大跨度重型屋盖阀厅钢结构设计研究

张熠　魏志强　黄黎琴

(福建省电力勘测设计院　福建福州　350001)



大容量柔性直流换流站大跨度重型屋盖阀厅钢结构设计研究

张熠魏志强黄黎琴

(福建省电力勘测设计院福建福州350001)

厦门大容量柔性直流换流站阀厅为大跨度重型屋盖钢结构，由于阀厅结构的复杂性和重要性，采用Midas软件对结构进行建模、计算和设计。文章分析了阀厅结构的应力、变形及抗震能力。结果表明，该阀厅结构形式安全合理，满足规范和使用要求，具有良好的抗震性能。同时，计算结果显示，大跨度钢屋架采用重型屋盖时，竖向地震对结构的轴力影响较为显著，在构件设计时应特别注意。

大跨度；钢结构；重型屋盖；设计研究

0　引言

柔性直流输电技术是一种新兴的输电技术，阀厅是柔性直流换流站中最为重要的核心建筑物。目前，国内柔性直流换流站正处于探索研究阶段，类似工程十分稀少，特别在大容量柔性直流输电工程方面还未有工程投运。纵观国内已建成的普通高压直流工程，其阀厅跨度一般小于30m，不同于普通直流工程，大容量柔性直流换流站阀厅跨度比普通直流工程大得多，且建筑及工艺布置极为复杂，对结构设计要求较高。鉴于其重要性，在目前无类似工程可以借鉴的情况下，本文以厦门柔性直流输电科技示范工程(换流站部分)阀厅结构为依托，对重型屋盖大跨度阀厅钢结构的设计进行一些探讨，以期对以后类似工程设计提供借鉴参考。

1　工程背景及阀厅结构描述

1.1工程背景

厦门柔性直流换流站是世界上容量最大、电压等级最高且采用真双极接线的柔性直流换流站。目前，国内已建成或在建的直流换流站阀厅主要有以下3种结构形式[1]：

(1)单层钢结构排架体系。横向排架由屋架和钢柱(强轴方向)组成，纵向结构由托架、钢柱(弱轴方向)及柱间支撑等组成。

(2)钢筋混凝土排架结构体系。该体系与钢结构排架体系类似，屋架采用钢结构，只是将钢排架柱用混凝土排架柱代替。

(3)混合结构体系。这种结构体系屋架也采用钢屋架，靠近换流变防火墙一侧纵向排架与换流变防火墙结合，采用钢筋混凝土剪力墙或框剪结构；另一侧同钢结构排架，采用钢柱、柱间支撑等组成排架体系。

根据工程特点及工艺布置，厦门柔性直流换流站阀厅(以下简称阀厅)采用上述第一种结构体系既单层钢结构排架体系。

1.2阀厅结构描述

本工程不同于普通直流工程，根据相关工艺布置及建筑布置，其阀厅具有如下特点：

(1)阀厅跨度大。普通直流换流站阀厅跨度一般在30m左右，本工程由于容量大，阀厅内布置的阀组较多，且阀厅中间不允许设置柱子，其单跨跨度达47.2m，此跨度是国内目前已建的柔性直流换流站或特高压直流换流站中阀厅跨度最大的。

(2)采用重型屋盖结构。由于厦门地区地处沿海，台风及雨水较多，从抗风防水等方面考虑，阀厅屋面结构采用以压型钢板为底模的钢-混凝土板组合楼板结构。此种屋盖自重很大，约为普通钢结构轻型屋面自重的5～8倍，加大了大跨度屋架的设计难度。

(3)屋架下方有悬挂荷载。考虑到安装检修方便，阀厅屋架下方设有起吊重量为15t的悬挂吊车，由于大跨度及重型屋盖的作用，屋架本身已经产生较大挠度，再叠加上悬挂吊车荷载时必须合理控制大跨度屋架的变形以满足吊车正常运行要求。

由于其复杂性和重要性，应对其受力特点及抗震性能进行结构分析，验证其适用性和安全性。

2　阀厅结构计算分析

本设计采用有限元结构分析程序Midas对阀厅结构进行建模和计算，并对计算结果进行分析，论证结构方案的适用性和合理性。同时，阀厅的安全等级为一级的重要建筑，为保证结构计算的准确性，本工程采用国内普遍使用的结构计算设计软件PKPM中的PMSAP模块进行计算结果校验。

2.1模型介绍

本工程阀厅结构跨度为47.2m，跨中高度16.5m，采用梯形钢屋架。屋架上下弦与柱为铰接，屋架腹杆与上下弦为铰接。根据《钢结构设计规范》(GB50017-2003)中相关规定，当主材采用H形、箱形截面等刚度较大的截面，且桁架平面内截面高度与其几何长度之比大于1/10(对弦杆)或大于1/15(对腹杆)时，应考虑节点刚性所引起的次弯矩[2]。本工程屋架弦杆满足上述要求且实际加工过程中弦杆在节点处一般不断开，为了满足规范要求和更加精细地分析屋架的次应力，计算模型中弦杆与腹杆连接时腹杆端部释放弯矩，弦杆不释放弯矩。同时，根据《钢结构设计手册》中对梯形屋架的要求，屋架弦杆与柱一般采用铰接，并通过上下弦杆的轴力传递部分弯矩[3]，因此计算模型中屋架弦杆与柱连接时弦杆端部应释放弯矩。主要结构构件杆件截面尺寸见表1。

表1　主要构件截面尺寸表　mm

计算模型中，阀厅的结构体系按如下方式建立:阀厅横向通过钢屋架上下弦与钢柱铰接形成排架；纵向通过联系梁、柱间支撑与柱铰接形成排架[4]；钢柱与基础之间为刚接。屋架端部高度3.0m，屋脊高度4.5m，节间长度3.0m。模型示意图详见图1。

(a)单榀屋架立面图

(b)阀厅钢结构midas整体模型图图1　阀厅结构模型图

2.2计算结果分析

2.2.1屋架结构承载力、稳定性分析

由于主要结构体系已确定，结构设计时首先应使各钢构件的承载力及稳定满足规范规定的承载能力极限状态要求。此时，荷载效应组合取基本组合。屋架各杆件计算长度根据《钢结构设计规范》(GB50017-2003)的规定取值。由于本工程阀厅采用的是大跨度的重型屋盖结构，在计算过程中应特别注意竖向地震的影响。经过计算分析，屋架杆件应力比详见表2、图2。

表2　屋架杆件最大应力比

(a)自重+活载+X向风载工况结构应力云图

(b)自重+活载+Y向风载工况结构应力云图

(c)自重+活载+X向地震工况结构应力云图

(d)自重+活载+Y向地震工况结构应力云图
图2各工况下屋架结构应力云图

表2、图2显示，屋架结构承载力、稳定性满足规范相关要求。杆件应力比控制在0.7～0.9之间，有一定的安全储备。由于下弦杆为受拉构件，其承载力由受拉轴向强度控制，因此应力比较小。同时，屋架端部斜腹杆受力明显大于中间腹杆，中间弦杆的轴力大于两端弦杆。此外，与水平地震不同，竖向地震主要影响杆件的轴力，而屋架杆件的截面完全由轴力大小决定，轴力对排架柱的设计也有重要影响。因此，杆件应力比的荷载工况应取水平地震及竖向地震荷载组合的包络值，在设计时应特别注意。

2.2.2屋架结构位移分析

根据规范规定，结构设计的另一项重要内容是结构还应满足正常使用极限状态要求。此时，荷载效应组合取标准组合或准永久组合。根据《钢结构设计规范》(GB50017-2003)附录A，受弯构件挠度限值：桁架为L/400(永久和可变荷载标准值产生的挠度)或L/500(可变荷载标准值产生的挠度)如表3。由于本工程阀厅结构跨度大且采用重型屋盖，同时，工艺布置对屋盖挠度有一定的要求，控制好屋盖结构位移也是本工程阀厅结构设计的关键点。经计算，本工程联合楼阀厅屋架结构位移如图3所示。

表3　屋架挠度表(mm)

由表3数据可看出，大跨度屋架的跨中挠度较大，在弦杆应力比不大(0.7左右)的情况下，其最不利工况下的最大挠度已经接近规范限值。因此，大跨度屋架特别是重型屋盖大跨度屋架的设计往往由挠度控制。考虑起拱L/500后，屋架在最不利情况下的挠度为5mm～16mm，满足规范规定的挠度要求和悬挂单轨吊车的运行要求。

2.2.3屋架结构弦杆次应力分析

(a)自重工况屋架挠度图 (b)屋面活载工况屋架挠度图 (c)吊车工况屋架挠度图图3　各工况下屋架结构位移云图

如前所述，由于屋架弦杆在节点处不释放弯矩，弦杆在节点处会产生一定的弯矩。为了比较弦杆释放与不释放弯矩对杆件轴力的影响及弦杆不释放弯矩时次弯矩对杆件总应力的影响。通过对两种计算模型的对比分析，计算结果如表4所示。

表4　梯形屋架弦杆次应力计算结果表

以上结果可以看出，当弦杆不释放弯矩时其轴力较释放弯矩时大1.5%左右；由次弯矩引起的次应力占杆件总应力的14%左右。因此，大跨度屋架设计其次弯矩对结构承载力的影响是不可忽略的。

3　阀厅结构抗震分析

3.1模态分析

在结构抗震分析时，首先对结构进行模态分析。为了使参与质量达到90%以上，本结构计算了前9阶振型和频率，其中前3阶频率列于表5。计算表明结构基频频率为1.023Hz，其X、Y、Z 3个方向的主导模态频率分别为1.023Hz(第1阶)、1.211Hz(第2阶)、1.332Hz(第3阶)。

表5　模态分析结果

由模态分析可知，结构第一、二振型均为平动，说明本工程结构布置可保证在地震作用下结构扭转效应得到有效控制。

3.2三向地震反应谱分析

本文采用振型分解反应谱法并考虑三向地震作用对结构进行计算，分析结构的抗震性能。

根据《建筑抗震设计规范》GB50011—2011规定，厦门地区抗震设防基本烈度为7度，地震加速度峰值0.15g，设计地震分组为第二组。多遇地震作用下钢结构阻尼比为0.04[4]。

(1)位移分析

地震作用下的位移分析主要指竖向构件(钢柱)的柱顶位移分析。X方向地震(平行屋架方向)作用下柱顶位移为13.7mm，由于设置了柱间支撑，Y方向地震(垂直屋架方向)作用下柱顶位移为9.9mm。多遇地震下结构弹性位移角1/2 177≤1/250，满足规范要求[4]。

(2)应力分析

在三向地震作用下，通过荷载组合，钢柱最大应力比为0.74，屋架弦杆最大应力为0.71，均满足要求。同时，计算结果显示，本工程由于采用了重型屋盖，竖向地震作用对结构内力的影响不仅明显大于水平地震，其对钢柱、屋架弦杆轴力及钢柱弯矩的影响也大于活荷载。因此，结构设计计算时，由于分项系数有区别，在选取有地震作用参与的荷载组合进行构件设计时应特别注意考虑以竖向地震为主的组合。

4　结论

(1)由于竖向地震主要影响构件轴力，同时荷载组合时分项系数有区别，大跨度重型屋盖阀厅钢结构在选取有地震作用参与的荷载组合进行构件设计时应特别注意考虑以竖向地震为主的组合。

(2)大跨度重型屋盖钢结构阀厅由于跨度及屋盖荷载大，其结构设计往往由结构变形控制。

(3)大容量柔性直流换流站阀厅采用大跨度重型屋盖钢屋架结构满足工程实际要求，其承载能力和变形能力均满足规范要求，并具有良好抗震性能。

[1]马勇杰.换流站阀厅结构选型与抗震分析[J]. 电力建设，2009，30(2).

[2]GB50017-2003 钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.

[3]钢结构设计手册[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2004.

[4]GB50011-2010 建筑抗震设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010.

The Design Study of Long Span Valve Hall with Heavy Roof of Large Capacity Flexible Direct Current Converter Station

ZHANG YiWEI ZhiqiangHUANG Liqin

(Fujian Electric Power Survey and Design Institute, Fuzhou 350001)

A long span steel structure with heavy roof was adopted in the valve hall of Xiamen large capacity flexible direct current converter station. Due to the complexity and significance of the valve hall structure，Midas software was used to modeling, calculate and design the structure in this paper. Then the stress, deformation and seismic capacity of the valve hall were analyzed. The results show that the structure of the valve hall is safe and reasonable, which can meet the requirements of the specification and use, and has excellent seismic performance. At the same time, the calculation results also show that Large span steel roof truss with heavy roof, the impact of vertical seismic for structure component axial force is significant.

Long span; Steel structure; Heavy roof; Design study

张熠(1983.9-)，男。

E-mail:54115578@qq.com

2016-03-21

TU391

A

1004-6135(2016)08-0050-04