高烈度地震区±500 kV换流站阀厅结构选型分析

何 勇，刘 超，冯仁德

(西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021)

1 概述

阀厅是直流换流站中用于布置换流阀的主要生产建筑物，通常一幢阀厅布置一个换流单元及相关设备；其与换流变压器一般联合布置，并设置防火墙(阀厅防火墙)进行分隔。阀厅常用的结构形式主要有钢－钢筋混凝土混合结构(简称混合结构)、全钢结构两类。其中，混合结构利用防火墙作为阀厅竖向承重及抗侧力结构的组成部分，具有结构刚度大、结构耗钢量小的优点；但其抗侧力构件平面布置不规则，地震作用下结构扭转效应明显。国内对于±800 kV换流站高端阀厅采用混合结构已开展了相关扭转变形分析、抗震性能分析等研究工作，但有关±500 kV换流站阀厅的研究分析成果较少。并且由于对混合结构抗震性能认识不足，以及对结构抗震概念设计的忽视，目前国内已建成的绝大部分±500 kV换流站阀厅均采用了混合结构。

本文依托±500 kV金官换流站阀厅设计，通过对混合结构、全钢结构两类结构形式分别进行静力、动力分析，着重研究了其结构刚度、承载能力及抗震性能，提出了高烈度地震区±500 kV换流站阀厅结构选型建议。

2 工程概况

±500 kV金官换流站为云南金沙江中游电站送电广西直流输电工程送端换流站，站址位于云南省丽江市永胜县三川镇，工程场地地震基本烈度Ⅷ度，地震动峰值加速度0.22g，特征周期0.40 s；站址50年一遇基本风压0.30 kPa。

根据电气总布置，换流区域的阀厅、主控楼和换流变压器采用“一字型”布置。阀厅、主控楼背靠直流场联合布置，主控楼居中，两侧平行布置极1阀厅、极2阀厅；12台换流变压器一字排开，背靠阀厅，布置在其北侧，面向交流场，见图1。

图1 换流区域布置图

单极阀厅平面尺寸为58.00 m(长)×25.00 m(宽)，高度19.100 m(屋架下弦标高)。

3 结构选型

±500 kV换流站阀厅为单层单跨工业厂房，根据阀厅工艺布置、建筑特点，其主体结构可以采用的结构形式主要有混凝土结构、混合结构、全钢结构三类。

3.1 混凝土结构

混凝土结构阀厅的主体结构由钢筋混凝土框架与钢屋架承重的有檩体系轻型钢屋盖组成；其横向抗侧力结构为框架柱与钢屋架铰接构成的单跨排架，纵向为多跨钢筋混凝土框架。换流变侧的钢筋混凝土框架填充墙兼作防火墙。

混凝土结构阀厅具有结构刚度分布均匀、无需防火保护、造价较低等优点。但由于钢筋混凝土框架柱截面高度大，造成横向轴线尺寸加大，阀厅占地面积增加；另一方面，混凝土结构的现场作业量大，施工工期较长；此外，由于混凝土结构无法实现电磁屏蔽，还需单独采取屏蔽措施。因此，混凝土结构体系阀厅在国内±500 kV换流站的实际工程应用极少。

3.2 混合结构

混合结构包括钢－钢筋混凝土墙混合结构和钢－钢筋混凝土框架混合结构两类。

钢－钢筋混凝土墙混合结构阀厅的主体结构由钢柱、防火墙及钢屋架承重的有檩体系轻型钢屋盖组成；其横向抗侧力结构为钢柱、防火墙与钢屋架构成的单跨排架，纵向则分别为近换流变侧的混凝土防火墙、远换流变侧的钢支撑－排架；防火墙采用全现浇钢筋混凝土墙，兼作阀厅竖向承重及抗侧力结构。钢－钢筋混凝土墙混合结构具有阀厅占地面积较小、结构耗钢量较小等优点；但是其抗侧力构件布置不规则，地震作用下结构容易发生扭转耦连反应。钢－钢筋混凝土墙混合结构阀厅在国内±500 kV换流站的应用较为广泛，2007年以前，由外方负责设计的12座±500 kV换流站全部采用了此类结构形式。

钢－钢筋混凝土框架混合结构是钢－钢筋混凝土墙混合结构的改进，其主体结构组成基本一致，但防火墙的结构形式由全现浇钢筋混凝土墙改进为钢筋混凝土框架填充墙。改进防火墙结构形式的目的是减轻结构刚度分布不均匀程度，减小结构在地震作用下的扭转响应，提高结构抗震性能。根据吴必华等人对于±800 kV换流站高端阀厅在地震作用下的扭转变形分析研究，钢－钢筋混凝土框架混合结构的抗扭性能优于钢－钢筋混凝土墙混合结构。但在目前已完成的有关钢－钢筋混凝土框架混合结构的抗震性能研究工作中，通常没有考虑填充墙对于框架刚度的影响，因此低估了此类结构形式的结构刚度分布不均匀程度；此外，国内外历次大地震的震害调查，以及框架填充墙的有关抗震试验、理论分析表明，填充墙的延性差、承载力低，在地震作用下通常先于主体框架发生破坏，并且在大震作用下的破坏倒塌严重，可能造成换流阀、换流变压器等设备的严重损坏，这对于生命线工程在震中维持使用功能不中断非常不利；因此，可以认为钢－钢筋混凝土框架混合结构亦属于抗震不利的结构形式。钢－钢筋混凝土框架混合结构体系阀厅在国内±500 kV换流站的实际工程应用也较多，±500 kV德阳换流站、±500 kV从化换流站等工程采用了此类结构形式。

3.3 全钢结构

全钢结构阀厅的主体结构由钢柱、钢屋架及支撑系统组成；其横向抗侧力结构为钢柱、钢屋架构成的单跨刚架，纵向则为钢支撑－排架。防火墙与主体结构脱开布置，不作为阀厅竖向承重及抗侧力结构，因此其结构形式不受限制，既可采用现浇钢筋混凝土墙，也可采用预制装配式结构，实现阀厅及防火墙的全装配化建设。

全钢结构体系阀厅具有延性好、承载力高、受力明确的优点；其抗侧力构件平面布置规则，符合抗震概念设计总体要求，结构在地震作用下的扭转反应较小，抗震性能优越。此外，钢结构的装配化程度高，现场作业量小，施工工期较短。但由于结构耗钢量略高，目前，全钢结构阀厅在国内±500 kV换流站的实际工程应用极少。

3.4 初步选型

根据抗震概念设计要求，结合工程应用经验，本文初步选择混合结构、全钢结构作为高烈度地震区±500 kV换流站阀厅的备选结构形式。由于常规的计算分析方法无法正确判定钢－钢筋混凝土框架混合结构的抗震性能，同时也考虑到填充墙的延性差、抗震承载力低、大震下的震害严重，因此，混合结构选择钢－钢筋混凝土墙混合体系。

4 结构布置

4.1 混合结构

混合结构阀厅的主体结构由钢柱、防火墙及钢屋架承重的有檩体系轻型钢屋盖组成；防火墙采用全现浇钢筋混凝土墙，兼作阀厅竖向承重及抗侧力结构，见图2。

图2 混合结构阀厅底层平面布置图

阀厅横向抗侧力结构为钢柱、防火墙与钢屋架构成的单跨排架，其中，混凝土防火墙是抵抗侧向力的主要构件。横向结构布置突破横向换流变相间防火墙位置限制，按等间距设计，以减小阀塔吊梁及檩条、墙梁等围护结构的跨度，并使得阀厅两端开间的支撑结构具有合适的交角。

阀厅纵向抗侧力结构分别是近换流变侧的混凝土防火墙、远换流变侧的钢支撑－排架。纵向钢支撑－排架由钢柱、系杆、交叉支撑组成。柱间交叉支撑设置两道，分别布置于两端开间，主要目的在于增加排架抗侧刚度，减轻地震作用下角部构件的应力和变形集中。

阀厅屋盖支撑系统由下弦水平支撑、上弦水平支撑和屋架垂直支撑组成。其中，下弦同时设置横向水平支撑和纵向水平支撑，构成封闭支撑体系，可靠传递屋盖系统水平力、协调横向结构共同受力。上弦设置横向水平支撑。屋盖上、下弦横向水平支撑与柱间交叉支撑均设于端部开间，既可共同传递水平力，亦可增加角部竖向承重构件多余约束，增加钢结构部分抗扭刚度，提高结构抗扭能力。

混合结构阀厅主体结构的主要受力构件规格见表1。

表1 混合结构阀厅主要构件一览表

4.2 全钢结构

全钢结构阀厅的主体结构由钢柱、钢屋架及支撑系统组成；防火墙与主体结构脱开布置，不兼作阀厅竖向承重及抗侧力结构的组成部分，仅作为阀厅的围护结构。由于目前预制装配式防火墙的研究尚不成熟，防火墙仍采用现浇钢筋混凝土墙结构。

阀厅主体结构与防火墙脱开布置可以采用两种方式：一是纵向阀厅防火墙与横向换流变相间防火墙设计为V形节点，近换流变侧的钢柱布置于V形节点内；二是纵向阀厅防火墙与横向换流变相间防火墙设计为T形节点，近换流变侧的钢柱与防火墙平行错开布置。为了方便柱间支撑系统的布置，本文采取第二种布置方式，见图3。

图3 全钢结构阀厅底层平面布置图

阀厅横向抗侧力结构为钢柱与钢屋架构成的单跨刚架。横向结构对齐横向换流变相间防火墙布置，方便换流变压器阀侧套管穿越阀厅防火墙与换流阀连接，并确保相关电气设备导体的电气净距。

全钢结构的柱间支撑、屋盖支撑系统设置原则与混合结构基本一致，屋盖上、下弦横向水平支撑与柱间交叉支撑均设于两端开间。

全钢结构阀厅主体结构的主要受力构件规格见表2。

表2 全钢结构阀厅主要构件一览表

5 结构计算与分析

5.1 计算模型

结构计算分析采用通用有限元结构分析与设计软件STAAD.Pro，梁、柱、屋架及支撑均采用其梁单元Bea m，混凝土墙采用面单元Surface。

根据±800 kV换流站高端阀厅的抗震设计研究成果，悬挂阀塔对于阀厅主体结构具有一定的减震作用，因此，在进行结构计算分析时，可以按无阀结构考虑。因此，本文在计算模型建立时不考虑悬挂阀塔。

混合结构阀厅、全钢结构阀厅的结构模型分别见图4、图5。

图4 混合结构阀厅结构模型图

图5 全钢结构阀厅结构模型图

5.2 静力分析

5.2.1 结构刚度

根据现行国家标准《钢结构设计规范》GB 50017—2003的规定，屋盖桁架的容许挠跨比为1/400，风荷载作用下的单层框架容许位移角为1/400(偏严格的按有桥式吊车的框架要求)。计算结果表明，混合结构阀厅、全钢结构阀厅的屋架挠跨比、框架位移角均远小于1/400，满足规范要求，结构具有足够的刚度。

表3 结构变形

5.2.2 承载能力

计算分析表明，混合结构阀厅、全钢结构阀厅的主要结构构件的计算应力比均小于0.8，考虑结构重要性系数1.1后，应力比小于0.9，结构承载力均满足要求。

表4 结构承载力

从受力来看，混合结构、全钢结构的柱及支撑均由长细比控制，内力不大，这表明了±500 kV换流站阀厅属于轻型厂房的本质。屋架结构由于屋盖跨度较大，且下弦层悬挂有换流阀等设备，受力较大，弦杆均由强度(稳定性)控制。对比屋架结构的受力，全钢结构由于刚架效应，其屋架受力较混合结构略小。

5.3 动力分析

5.3.1 特征值分析

根据动力分析计算，混合结构、全钢结构的前10阶自振特性分别见表5。

表5 混合结构自振特性

从混合结构的自振特性来看，低阶振型的结构自振周期偏短，接近甚至小于场地特征周期，反映结构刚度偏大；前10阶振型除去局部振型之外，其余振型全部为扭转振型，未见平动振型，反映结构刚度分布严重不均匀，结构扭转严重。

此外，分析振型参与系数，前10阶振型的振型参与系数之和不足30%；并且事实上，当截断振型增加至100阶时，振型参与系数增加非常有限，远低于90%。造成振型参与系数不足的原因：一是结构刚度分布不均匀；二是结构体系自由度较多。振型参与系数不足，说明后续高阶振型不能忽略，否则将导致地震作用偏小。因此，在反应谱分析中，必须增加振型数量，满足振型参与系数不小于90%的要求。

表6 全钢结构自振特性

从表6来看，低阶振型的结构自振周期大于场地特征周期，反映结构刚度适中。结构的第1振型主要为Z方向的平动振型，同时为Z方向的主振型；第2振型主要为X方向的平动振型，同时为X方向的主振型；第4振型为扭转振型。

抗震研究表明，结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比，对结构的扭转响应有明显影响，当两者接近时，扭转效应显著增大。参照《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3—2010的要求，周期比不应大于0.9，全钢结构的周期比值Tt／T1仅为0.6，反映结构刚度分布均匀，地震作用下的扭转效应较小。

5.3.2 反应谱分析

从反应谱方法计算的结构内力来看，由于结构的总重力荷载代表值不大，在多遇地震作用下，抗侧力结构承受的水平地震剪力较小，地震作用不控制结构设计。因此，本文着重研究地震作用下的结构变形分析。根据反应谱分析得到的结构在多遇地震作用下的节点位移值，按规范规定的方法，计算得到混合结构、全钢结构的位移比见表7。

表7 结构位移比

根据现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB 50011－2010的规定，在规定的水平力作用下，楼层的最大弹性水平位移大于楼层两端弹性水平位移平均值的1.2倍，则为扭转不规则；同时，这一比值不宜大于1.5。混合结构的位移比达到1.98，大大超出1.5的限值，属于特别不规则结构。而全钢结构的位移比为1.01，表明结构抗侧力构件布置规则。

6 结论

(1)非地震作用工况下，混合结构阀厅、全钢结构阀厅的结构变形、结构强度及稳定性均能满足要求，结构具有足够的刚度及承载力。

(2)混合结构在地震作用下的扭转反应明显，除局部振型外，其低阶振型全部为扭转振型；结构位移比高达2.0，大大超出1.5的限值。属于特别不规则结构，结构布置存在明显的薄弱部位，抗震性能较差。

(3)当采用混合结构时，在振型分解反应谱分析计算中应取足够的振型数，以满足振型参与系数不小于90%的要求；并且根据《建筑抗震设计规范》GB 50011－2010的规定，应采用时程分析法进行多遇地震作用下的补充计算。

(4)全钢结构的第1、2阶振型均为平动振型，并为相应方向的主振型；结构周期比仅为0.6；结构位移比仅为1.01；表明结构布置规则、刚度分布均匀。

(5)由于混合结构抗侧力构件布置特别不规则，结构存在明显的薄弱部位，抗震性能较差；而全钢结构布置规则、刚度均匀，因此，高烈度地震区的±500 kV换流站阀厅结构形式建议采用全钢结构。

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