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        ±800 kV換流站閥廳結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形分析

        2011-06-06 06:34:08吳必華高湛陳俊李志蔡華龔天森胡蓉甘運良
        電力建設(shè) 2011年11期
        關(guān)鍵詞:閥廳剪力墻框架

        吳必華,高湛,陳俊,李志,蔡華,龔天森,胡蓉,甘運良

        (1.中南電力設(shè)計院,武漢市,430071;2.中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司,廣州市,510620)

        0 引言

        閥廳結(jié)構(gòu)是長距離高壓直流輸電工程中換流站的核心部位,起著關(guān)鍵作用。閥廳結(jié)構(gòu)懸掛多層閥塔,閥塔及其相關(guān)設(shè)備通過吊索懸掛于水平鋼梁上。閥廳結(jié)構(gòu)振動時,閥塔會伴隨著結(jié)構(gòu)的振動而產(chǎn)生晃動,而閥塔的晃動又將對結(jié)構(gòu)的振動產(chǎn)生影響,整體結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析較為復(fù)雜。由于閥廳結(jié)構(gòu)一邊是鋼結(jié)構(gòu)柱(類似于普通單層工業(yè)廠房),另一邊由于設(shè)備要求為剪力墻(防火墻),造成結(jié)構(gòu)整體扭轉(zhuǎn),對結(jié)構(gòu)抗震非常不利。

        針對目前閥廳結(jié)構(gòu)體系抗震設(shè)計中存在的問題,本文將防火墻中全剪力墻改為框架剪力墻,采用有限元通用軟件ANSYS,建立了某±800 kV換流站閥廳結(jié)構(gòu)體系的2類有限元模型(框架剪力墻閥廳結(jié)構(gòu)和全剪力墻閥廳結(jié)構(gòu))。對掛閥前后2種閥廳結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力特性進行分析和比較,為換流站閥廳結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計提供參考。

        1 工程概況

        本文研究的閥廳結(jié)構(gòu)是鋼和鋼筋混凝土混合結(jié)構(gòu)形式,包括閥組及相關(guān)設(shè)備的鋼梁、梯形鋼屋架、閥組、鋼柱以及剪力墻(或框架)等。閥廳平面布置、閥廳屋架上弦水平支撐結(jié)構(gòu)布置、閥廳屋架下弦水平支撐及設(shè)備吊梁結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

        圖1 閥廳結(jié)構(gòu)布置Fig.1 Layout of valve hall structure

        2 閥廳結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

        2.1 有限元模型

        對2種結(jié)構(gòu)型式的閥廳進行模態(tài)分析,以確定2種閥廳結(jié)構(gòu)掛閥前后的前幾階振型和頻率,及2種結(jié)構(gòu)型式的動力特性。分別對短肢剪力墻閥廳結(jié)構(gòu)和全剪力墻閥廳結(jié)構(gòu)2種閥廳結(jié)構(gòu)進行有限元建模,模型幾何尺寸與原結(jié)構(gòu)相同,所有梁、柱、屋架構(gòu)件和支撐均采用三維空間BEAM189梁單元[1];剪力墻采用SHELL63殼單元;屋面檁條截面尺寸小,屬于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件,與填充墻和活荷載一樣,主要考慮質(zhì)量的影響,采用MASS21模擬;閥塔結(jié)構(gòu)中的吊索采用索單元模擬,閥塔采用殼單元模擬。圖2~3為框架剪力墻閥廳結(jié)構(gòu)和全剪力墻閥廳結(jié)構(gòu)的有限元模型。

        圖2 框架剪力墻閥廳結(jié)構(gòu)Fig.2 Shot-pier shear wall structure of valve hall

        圖3 全剪力墻閥廳結(jié)構(gòu)Fig.3 Shear wall structure of valve hall

        2.2 框架剪力墻閥廳結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

        分別對掛閥前后框架剪力墻閥廳結(jié)構(gòu)的動力特性進行分析[2],并對其振型和頻率進行比較,如表1所示。由表1可知:吊閥對框架剪力墻閥廳結(jié)構(gòu)(整體結(jié)構(gòu))的頻率和振型的影響(比較)在1%以內(nèi)。

        表1 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)掛閥前后整體頻率Tab.1 Frequency of shot-pier shear wall structure

        2.3 全剪力墻閥廳結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

        同理,對掛閥前后的全剪力墻閥廳結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析,結(jié)果如表2所示。由表2可知:吊閥對全剪力墻閥廳結(jié)構(gòu)的頻率和振型的影響并不顯著,主要的不同在于吊閥本身具有多階局部振型,頻率相差范圍在1.1%以內(nèi)。從以上分析可以看出:掛閥前后主體結(jié)構(gòu)的頻率變化不大。

        表2 全剪力墻結(jié)構(gòu)整體頻率對比Tab.2 Frequency of shear wall structure

        閥廳結(jié)構(gòu)第1階振型如圖4所示。從圖4可以看出:地震作用下,閥廳結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形非常明顯。

        圖4 閥廳扭轉(zhuǎn)變形Fig.4 Torsion deformation of valve hall

        3 閥廳結(jié)構(gòu)體系動力時程分析

        3.1 閥廳結(jié)構(gòu)體系地震反應(yīng)動力方程

        單質(zhì)量懸掛體系支架的彈性振動與懸掛質(zhì)量的重力振動相耦聯(lián),可借用結(jié)構(gòu)力學(xué)中的水平剛度系數(shù)法,得到懸掛體系水平剛度系數(shù)[3-4]為

        式中:k為主體結(jié)構(gòu)的水平剛度系數(shù),可由一般結(jié)構(gòu)力學(xué)中的矩陣位移法推導(dǎo)出,kij為懸掛質(zhì)量的水平剛度系數(shù);mi為懸掛物的質(zhì)量;li為mi的懸索長度。

        閥廳結(jié)構(gòu)體系運動方程[3-4]為

        根據(jù)以上的動力學(xué)方程即可對具有懸掛質(zhì)量的建筑結(jié)構(gòu)體系進行地震作用下的動力時程分析,得到該體系的地震作用效應(yīng)。

        3.2 閥廳結(jié)構(gòu)體系扭轉(zhuǎn)變形分析

        為了對2種結(jié)構(gòu)型式閥廳的扭轉(zhuǎn)變形進行整體評價,本文分別對2種結(jié)構(gòu)型式閥廳進行了動力時程分析。由于結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形的主要原因為結(jié)構(gòu)在縱向結(jié)構(gòu)剛度不對稱引起的,因而,本文主要分析結(jié)構(gòu)在縱向地震輸入時的扭轉(zhuǎn)變形。通過時程分析得到閥廳2邊角點(1號節(jié)點和2號節(jié)點)位移時程,選出相同時刻的位移幅值,即可確定閥廳整體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)角。由于篇幅限制,本文僅列出閥廳結(jié)構(gòu)(有閥)在縱向地震作用下 1號節(jié)點(角柱頂點,標(biāo)高24.8 m)的位移時程,地震加速度為 0.1g,如圖 5所示。

        圖5 框架剪力墻閥廳結(jié)構(gòu)(有閥)1號節(jié)點在縱向地震波下的位移Fig.5 Diaplacement of No.1 node for shot-pier shear wall structure of valve hall under longitudinal earthquake wave

        在縱向地震作用下,掛閥前后2種結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)角如表3所示。

        從表3可以看出:將閥廳結(jié)構(gòu)全剪力墻改為框架剪力墻后,縱向地震下最大扭轉(zhuǎn)角有所減小。主要原因是框架剪力墻結(jié)構(gòu)兩側(cè)的側(cè)向剛度較為接近,而全剪力墻結(jié)構(gòu)雖然可以提供更大的縱向抗側(cè)剛度,但由于閥廳結(jié)構(gòu)另一側(cè)是鋼框架結(jié)構(gòu),使得閥廳結(jié)構(gòu)兩側(cè)剛度差異明顯,導(dǎo)致較大的扭轉(zhuǎn)變形。

        表3 不同地震波下2種閥廳結(jié)構(gòu)最大扭轉(zhuǎn)角Tab.3 The torsion angle amplitude of the valve hall

        3 結(jié)論

        (1)吊閥對2種閥廳結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)的前3階頻率和振型的影響基本控制在1.1%以內(nèi),可以忽略不計。整體結(jié)構(gòu)基本振型為整體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形,對抗震不利。

        (2)掛閥框架剪力墻結(jié)構(gòu)與全剪力墻結(jié)構(gòu)在4種地震作用下的最大扭轉(zhuǎn)角對比分析表明:框架剪力墻結(jié)構(gòu)的整體抗扭性能優(yōu)于全剪力墻結(jié)構(gòu)。因此,從結(jié)構(gòu)安全性和抗震性能方面考慮,采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)更合理,并且框架剪力墻結(jié)構(gòu)較全剪力墻結(jié)構(gòu)更為經(jīng)濟。

        [1]王金龍.ANSYS 12.0土木工程應(yīng)用實例解析[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.

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