阀厅结构中型钢混凝土支撑结构性能分析

高 湛，杨 超

(1.中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，武汉 430071;2.武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430070)

电力作为一种高效清洁和适用广泛的能源，对我国经济发展的影响不言而喻。但我国的经济和资源的不平衡问题随着发展日益突出，利用超、特高压等方式进行远距离的电力输送，能充分解决资源发展矛盾的问题，同时减小电力输送过程中的损耗[1]。

在进行超、特高压远程输电过程中，换流变压器和换流阀组成的换流站安全性问题日益明显，建造安全防火的换流站阀厅，是保证现有输电线路安全运行的前提[2]。对于大跨度的阀厅结构，除按基本要求设置足够的梁柱结构及防火墙结构外，需设置足够的柱间支撑保证结构的刚度，以防止结构因双向抗侧刚度差距较大造成破坏。现有阀厅结构中主要采用钢筋混凝土支撑或钢结构支撑，但此两类支撑均无法兼具良好的强度和耐火性能，这一阀厅结构对支撑的要求，需考虑改进现有结构形式以满足电力输送的需求。

型钢混凝土结构的性能一直是国内外研究的热点，近十年间国内外诸多学者对其进行了深入的分析，如兰琳[3]研究高轴压比下型钢混凝土柱的力学特性；查昕峰[4]对单榀型钢混凝土框架结构的损伤指数进行了研讨；杜振宇[5]和毛冬旭[6]等先后对型钢混凝土异形柱的力学性能进行分析。Reshma Biju等[7]探讨了开孔对型钢混凝土梁性质的影响。Isaac Montava等[8]则针对型钢混凝土和钢筋混凝土的耗能能力的差别进行了深入的分析。

随着学者们的深入研究和在工程中的广泛使用，型钢混凝土结构良好的受力性能及耐火能力已经日益凸显，但将其运用于换流站阀厅的支撑结构尚缺少研究和应用。因此，选择某拟建的阀厅建筑，在其中设置型钢混凝土结构，通过试验分析和有限元模拟的方式，考察其受力性能及内力分布变形特征等。

1 试验的设计与分析

选取设计于某地的大跨阀厅结构，其纵向及横向长度分别为86.2 m和56 m，对其中某跨设置型钢混凝土支撑。采用2.5∶1的相似比例设计缩尺模型试件，模型的相似比满足相似理论的要求，模型试件的尺寸、配筋及配钢图，如图1、图2及表1所示。

表1 试件各截面尺寸、配筋及配钢信息

在进行试验前，首先进行支撑结构的全部构件的材料性能试验，包含梁、柱、支撑的混凝土、钢筋及型钢性能的测试。完成后，利用MTS伺服系统对3组试验模型SRCB-X1～3进行拟静力试验，采用荷载及位移混合控制的低周反复加载方式进行。选择试验中具有代表性试件SRCB-X2的滞回曲线显示于图3，全部试件的骨架曲线如图4所示。

查看典型试件的滞回曲线可知，其整体的饱满程度较好，显示出抗震性能良好，而从承载力的下降程度中则发现在对承载力的贡献中，斜撑优于梁柱结构。骨架曲线的延展特性也显示出支撑结构良好的力学性质，同时其在超越极限荷载后的承载力的下降趋势，也同样表明斜撑的重要性超过梁柱。

2 有限元模拟

利用试验分析对支撑结构的整体性能分析后，通过有限元软件对其中难于直接用试验获取的性质进行模拟计算，并对试验参数的影响进行探讨。在建模加载后，为验证有限元建模分析的合理性，对比试验及有限元模拟的结果，如表2所示。

表2 试验及有限元对比

表2显示有限元建模计算与试验分析的结果较为接近，误差也在可以接受范围内，有限元分析结果可信，可以利用其体现结构内部的损伤和破坏程度，斜撑结构在破坏阶段的型钢和钢筋的应力云图如图5,图6所示。

由图5、图6可见，在破坏阶段钢筋和型钢大面积屈服，大部分失去承载能力，结合试验现象中混凝土的开裂破坏，体现出支撑结构的整体耗能及延性能力较好，能充分应用材料性质。进一步利用有限元模型，对可能影响型钢混凝土支撑结构的因素进行分析。选择含钢量和轴压比进行研究，不同含钢量和轴压比下的荷载-位移曲线如图7、图8所示。

支撑的承载力随着配钢量的增加有明显增加，对柱配钢量影响则不够明显[9]，因此在实际设计中，在含钢量一定的前提下，优先增加支撑结构的配钢率较为合理。图8显示轴压比对结构的承载力的影响，轴压比从0.1提升至0.8，支撑结构承载力变化不大。因此，实际设计中，不推荐采用修正轴压比的方式提高构件承载力。

3 结论与建议

通过对型钢混凝土支撑结构的试验和有限元分析，该结构体现出良好的力学性能及耗能能力，适用于大跨度阀厅结构中的支撑，可部分或全部替代现有的钢筋混凝土支撑或型钢支撑，能较大程度地提高结构的抗侧及耐火能力。

在对承载力的贡献中，支撑结构的重要性强于梁柱结构，设计中应合理安排其截面设计，保证关键结构的强度；配钢率对支撑结构性能影响较为明显，尤其是对于斜撑的影响更为明显，对结构柱影响相对较小，在整体造价受限的前提下，可采用适当增加斜撑配钢率而维持柱配钢率；柱轴压比的变化对支撑结构的影响可以忽略，实际中可按一般构造要求设置轴压比，采用调整轴压比加大结构承载力的思路在设计中不可取。