柳北换流站大跨度网架支座方案分析研究

吴 晟，程 亮，赵李源

(中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071)

0 引言

阀厅作为换流站体量最大的单项工程，是换流站的核心功能区，阀厅内设备工艺布置十分复杂，需提供大跨度内部无支撑结构空间。目前国内特高压柔直换流站阀厅屋盖大多采用网架结构，网架结构比传统结构具有跨度大、自重轻、造型灵活等优点，网架结构设计软件及规范也日趋成熟，但关于网架支座的选择软件和规范并未给出明确指示，网架的支座设计成为了网架结构设计的重点部位。

1 工程概况

昆柳龙直流工程是国家大气污染防治行动计划12条重点输电通道建设项目之一，也是国务院保证经济“稳增长”重点工程。该工程是世界上容量最大的特高压多端直流输电工程，工程西起云南昆北换流站，东至广西柳北换流站、广东龙门换流站，采用±800 kV三端混合直流技术，线路全长1 489 km，输送容量800万 kW，是国家特高压多端直流的示范工程。柳北换流站是昆柳龙直流工程的广西受端站，站址位于柳州市鹿寨县中渡镇黄村，距鹿寨县约15 km。

柳北换流站共设置4个阀厅，分别为极1高端阀厅、极2高端阀厅、极1低端阀厅、极2低端阀厅，两高端阀厅建筑轴线尺寸为86 m×86 m，两低端阀厅建筑轴线尺寸为67 m×76.5 m。阀厅鸟瞰图如图1所示。极2低端、极2高端阀厅与极1低端、极1高端阀厅为镜像布置，同极的高端和低端阀厅结构为独立结构，单个高端阀厅跨度为86 m，屋架下弦高度32.6 m，单个低端阀厅跨度为67 m，屋架下弦高度22.6 m，阀厅作为换流站的核心功能区，室内设备工艺布置十分复杂，由于室内设备带电距离要求，需阀厅提供大跨度室内无支撑结构空间。故室内均不设置结构柱，结构柱均沿阀厅四周布置，采用矩形格构式钢柱，屋面结构建筑造型、排水等要求，采用整体刚度较好的钢网架结构，结构整体模型及柱网布置如图2所示。

图1 柳北换流站阀厅鸟瞰图

图2 高端阀厅三维模型及柱网布置图

网架结构设计软件及规范也日趋成熟，但关于网架支座选型软件和规范并未给出明确指示[1-2]，大跨度空间钢网架的支撑条件对计算有很大的影响，网架的支座设计成为了网架结构设计的重点部位，设计时应根据支撑结构的刚度和支座节点的特点，确定支座节点的约束情况和弹性刚度，为了确定网架与下部结构采用何种连接方式更为合理，本文对高端阀厅采用球铰支座和平板钢支座两种方案进行对比分析。

2 支座刚度模拟

2.1 平板钢支座

平板钢支座主要分为压力支座和拉力支座，其中，平板压力支座应用最为广泛[3]，平板钢支座是网架节点通过十字加劲板和底板把支座力传递给下部结构，钢支座节点图如图3所示。

图3 平板钢支座节点

平板支座是比较理想的固定铰支座，在结构计算模型中支座的水平刚度即为下部支撑结构对网架的水平约束刚度，每个结构柱上设置一个支座，各柱线刚度见表1所列。

表1 平板支座水平刚度kN/mm

部分带过渡板的平板钢支座虽能允许支座产生部分位移，但该位移的产生需克服网架支座压力产生的摩擦力，适合自重较小的中小跨度网架，本工程网架属于大跨度网架，自重、下弦悬吊设备及吊车荷载较大，支座压力大，产生位移需克服的摩擦力较大，故不适用带过渡板的平板钢支座。

2.2 球铰支座

球铰支座亦称为万向转动球铰支座[3]，能同时承受竖向荷载并且实现径向和环向的位移要求，释放部分水平力及弯矩，支座不用橡胶承压，不存在橡胶老化对支座的影响，使用寿命长，球铰支座节点如图4、图5所示。

图4 球铰支座X向节点图

图5 球铰支座Y向节点图

球铰支座是比较理想的弹簧铰支座，根据网架跨度可以选择不同线刚度的球铰支座，本站高端阀厅球铰支座平面尺寸拟采用650 mm×650 mm，支座高度250 mm，X向及Y向线刚度均为2.5 kN/mm，X向及Y向最大位移为±30 mm。在结构计算模型中支座的水平刚度应有两部分组成，分别是球铰支座自身的水平约束刚度K1以及下部支撑结构对网架的水平约束刚度K2，这两个刚度是串联关系，根据串联原理模型支座的刚度K应等于K1×K2/(K1+K2)[4-5]。每个结构柱上设置一个支座，模型中各支座线刚度见表2所列。

表2 球铰支座线刚度 kN/mm

3 计算对比分析

3.1 振型对比分析

通过空间迭代法进行动力特性分析，分别计算平板钢支座和球铰支座两个方案，两方案前9阶自振周期及各振型质量参与系数见表3所列。计算结果表明，平板钢支座方案和球铰支座方案各个振型累计质量参与系数均达到99%，且前几阶主振型均以平动振型为主，球铰支座较平板钢支座结构自振周期大，结构更柔，这是因为网架平面内和平面外刚度均较大，平板钢支座对下部结构的约束更大，而球铰支座释放了部分力和位移，降低整体结构的刚度，消耗部分水平地震力，提高结构抗震性能。

表3 两方案自振周期及各振型质量参与系数

3.2 受力分析

对两方案进行内力分析，荷载工况分别有恒荷载、活荷载、风荷载以及温度荷载，各支座反力最大值详见表4～表5所列，支座编号同结构柱编号，由表可知，各支座轴向力均为压力，且两方案轴力值相差不大，最大轴力均发生在2号支座，为2 600 kN左右；两方案水平剪力相差加大，采用球铰支座方案水平剪力较平板钢支座方案平均降低70%，在平板钢支座方案中，最大水平剪力均发生在角支座，查荷载工况可知，温度工况产生的水平力占总水平力50%以上，由于网架跨度较大，温升和温降产生的作用力较大，而在球铰支座方案中，由于支座可以允许部分位移，释放了部分水平力，该方案中温度工况产生的水平力占总水平力下降到30%左右，且各水平力分布较均匀，各支座水平力大小相差不大；根据模型计算可知，两方案的变形趋势均一致，最大位移发生在网架跨中，两方案变形大小相差不大。

表4 平板钢支座各支座最大内力kN

表5 球铰支座各支座最大内力 kN

3.3 位移对比

平板钢支座方案网架最大位移发生在跨中，最大竖向位移值为-86.634 mm；球铰支座方案网架最大位移发生在跨中，最大竖向位移值为-87.123 mm，两方案网架位移趋势及大小均一致，对支座约束的释放不改变网架的变形。

4 结论

1)球铰支座方案与平板钢支座方案相比，结构振动周期均以平动周期为主，球铰支座方案振动周期更大，球铰支座水平刚度较小，支座释放了部分水平力和位移，整体结构的刚度也降低，结构相比平板钢支座方案更柔，能消耗部分水平地震力，提高结构抗震性能。

2)球铰支座方案与平板钢支座方案网架的变形趋势及大小均一致，最大位移发生在网架跨中。

3)球铰支座方案与平板钢支座方案相比，各支座均产生轴向压力，且压力大小基本一致；水平剪力相差较大，球铰支座方案水平剪力较平板钢支座平均降低70%，在平板钢支座方案中，最大水平剪力均发生在角支座，且最大值与最小值相差较大，而在球铰支座方案中，各支座水平剪力相差不大，绝对值趋于一致。

综上所述，相比平板钢支座，柳北换流站阀厅网架更适合采用球铰支座，由于该工程网架跨度大，能充分发挥球铰支座的特性，降低网架传给下部结构柱的水平力及整体结构的刚度，提高整体结构的抗震性能。