X形支撑型钢混凝土阀厅结构的整体有限元分析

程 亮，杨 超，魏文晖

(1.中南电力设计院有限公司,武汉 430071;2.武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室，武汉 430070)

目前，换流站阀厅结构多采用钢结构框架，少部分采用钢筋混凝土框架，型钢混凝土阀厅结构在电力行业上的运用还较少[1,2]，为了充分了解型钢混凝土阀厅结构的振动特性和结构响应，以构件极限承载力相近作为设计与修改的原则，将电力行业某钢筋混凝土阀厅结构修改为型钢混凝土阀厅结构，并采用SAP2000建立了型钢混凝土阀厅结构的整体模型，对该结构进行了模态分析、反应谱分析；同时，选取了该阀厅具有代表性的一跨X形型钢混凝土斜支撑结构作为后续试验的研究对象，计算了该研究对象在各种荷载组合下的柱端内力、梁端内力以及斜撑内力的最不利组合，从而对后续试验模型设计提供依据。

1 X形支撑型钢混凝土阀厅结构整体模型的建立

将某钢筋混凝土阀厅结构修改为型钢混凝土阀厅结构，修改校核后的X形支撑型钢混凝土阀厅结构纵向总长度为86.2 m，横向总长度为56 m，山墙长度为33 m。其中，主体框架的型钢混凝土柱有矩形，L形和T形，型钢混凝土梁和斜撑截面形式为矩形。型钢混凝土阀厅采用的是钢结构屋架，钢屋架下弦距地面高度为26.05 m，上弦距地面高度为30.05 m，型钢混凝土框架和钢屋架之间的连接形式为铰接，上下弦杆拼接双角钢采用2L200×18，腹杆拼接双角钢采用2L110×10，屋架左右两侧与型钢混凝土柱连接部位的型钢分别采用HW250×250×9×14、HM58屋架下弦水平支撑采用□250×250×6，屋架上弦水平系杆与上弦水平支撑均采用□250×250×6，阀厅结构的纵轴结构及X形支撑布置和屋架结构布置如图1、图2所示。

阀厅结构框架中型钢混凝土钢材强度等级为Q235，纵筋等级为HRB400，箍筋等级为HPB300，混凝土强度等级为C30，钢屋架所用的钢材强度等级为Q345，阀厅结构所受各种荷载信息如表1所示。

表1 阀厅结构荷载/作用信息

为了较为精准的掌握型钢混凝土阀厅结构的实际受力情况，在建立有限元模型时，对实际阀厅结构进行了一定的简化。建模过程中采用框架单元模拟实际结构中的柱、梁和斜撑，对于非承重构件，将其自重转换为相应的集中力或均布荷载添加到结构上，阀厅结构和地面的连接采用刚接，型钢混凝土阀厅结构整体模型如图3所示。

2 模态分析

模态是结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和振型，模态分析是研究工程领域中结构动力特性的方法[3]。SAP2000在对结构进行模态分析时，引入了“质量源”[4]，“质量源”将结构部分荷载视为结构自身的质量，“质量源”需要根据结构本身特性和所求解的问题来确定。该文根据《建筑抗震设计规范》[5]的条文规定，将恒荷载系数设为1，活荷载系数设为0.5来定义“质量源”。

该文进行模态分析时，主要研究型钢混凝土主体框架的振动特性。由于高阶频率衰减较快，对结构的影响较小，故该文只对整体模型的前三阶振型进行研究，结构前三阶振型图如图4～图6所示，前三阶振动信息如表2所示。

表2 整体模型前三阶振动信息

振型阶次123周期/s1.030.770.68振型特征Y向(横向)平动X向(纵向)平动扭转振型刚度/(kN·m-1)37.8267.6786.76

由图4～图6、表2可知：型钢混凝土阀厅结构的前三阶振型分别为朝Y向(横向)平动、朝X向(纵向)平动、扭转，这说明型钢混凝土阀厅主体结构的刚度分布较为均匀，结构布置较为合理，整体结构纵向刚度要比横向刚度大。型钢混凝土阀厅结构自振周期随着振型阶次的增加而逐渐减小，振型刚度随着振型阶次的增加而逐渐增加。

3 反应谱分析

反应谱分析是对结构进行拟静力地震动分析的一种方法。从理论上来讲，如果结构只进行弹性分析，采用时程分析和反应谱分析所得出的结果基本一致，并且反应谱分析可以节约大量时间。但是反应谱分析不考虑地震的持续时间、罕遇地震对结构动力特性的改变、土体与结构的相互作用。

采用的反应谱是基于《建筑抗震设计规范》的设计加速度反应谱，抗震设防烈度为7度，设计地震基本加速度为0.15g，场地类别为Ⅲ类，设计地震分组为第二组，将计算得到的最大位移值提取出来，并用该数值除以柱高来计算型钢混凝土阀厅结构的层间位移角，X及Y向分别为0.001 7和0.001 9，考虑到计算柱高为26.05 m，因此，在反应谱工况下，模型沿横向的层间位移角值最大为1/1 371，由《建筑抗震设计规范》可知，弹性层间位移角限值为1/550，大于1/1 371，因此层间位移角符合规范要求。对型钢混凝土阀厅结构整体模型进行内力计算，并选择典型的H～K轴线处支撑，计算柱底最不利组合，如表3所示。其中工况1)～4的选择是根据《建筑结构可靠性设计统一标准(GB50068—2018)》条文规定[6]，地震作用由反应谱法求出：

1)1.3恒荷载+1.5活荷载+0.9风荷载；2)1.3恒荷载+1.5风荷载+1.05活荷载；3)1.0恒荷载+1.5活荷载+0.9风荷载；4)1.2恒荷载+0.6活荷载+1.3地震作用+0.28风荷载。

表3 钢混凝土柱底最不利内力组合

该最不利内力组合可以用于进一步进行局部试验提供参考。

4 结 论

以构件极限承载力相近为设计和修改原则，将钢筋混凝土阀厅结构修改为X形支撑型钢混凝土阀厅结构，并采用SAP2000软件对阀厅结构整体有限元模型进行了分析，对其性能进行了一定研究，主要结论如下：

a.通过模态分析得到整体模型的振型和自振周期，其第一、二、三阶振型分别为朝Y向(横向)平动、朝X向(纵向)平动、扭转，说明该阀厅主体结构的刚度分布较为均匀，结构布置较为合理，整体结构纵向刚度要比横向刚度大。型钢混凝土阀厅结构自振周期随着振型阶次的增加而逐渐减小，振型刚度随着振型阶次的增加而逐渐增加。

b.X形支撑型钢混凝土阀厅结构整体模型在反应谱工况下，模型沿Y向(横向)的层间位移角值最大为1/1 371，由《建筑抗震设计规范》可知，弹性层间位移角限值为1/550，大于1/1 371，模型层间位移角符合规范要求。

c.在不同荷载工况组合下，对X形支撑型钢混凝土阀厅结构整体模型进行内力计算，选择具有代表性的一跨斜支撑结构中型钢混凝土柱考察最不利内力组合，为型钢混凝土斜支撑结构试验模型的设计提供了内力依据。