程 亮，楊 超，魏文暉

(1.中南電力設計院有限公司,武漢 430071;2.武漢理工大學道路橋梁與結構工程湖北省重點實驗室，武漢 430070)

目前，換流站閥廳結構多采用鋼結構框架，少部分采用鋼筋混凝土框架，型鋼混凝土閥廳結構在電力行業(yè)上的運用還較少[1,2]，為了充分了解型鋼混凝土閥廳結構的振動特性和結構響應，以構件極限承載力相近作為設計與修改的原則，將電力行業(yè)某鋼筋混凝土閥廳結構修改為型鋼混凝土閥廳結構，并采用SAP2000建立了型鋼混凝土閥廳結構的整體模型，對該結構進行了模態(tài)分析、反應譜分析；同時，選取了該閥廳具有代表性的一跨X形型鋼混凝土斜支撐結構作為后續(xù)試驗的研究對象，計算了該研究對象在各種荷載組合下的柱端內力、梁端內力以及斜撐內力的最不利組合，從而對后續(xù)試驗模型設計提供依據(jù)。

1 X形支撐型鋼混凝土閥廳結構整體模型的建立

將某鋼筋混凝土閥廳結構修改為型鋼混凝土閥廳結構，修改校核后的X形支撐型鋼混凝土閥廳結構縱向總長度為86.2 m，橫向總長度為56 m，山墻長度為33 m。其中，主體框架的型鋼混凝土柱有矩形，L形和T形，型鋼混凝土梁和斜撐截面形式為矩形。型鋼混凝土閥廳采用的是鋼結構屋架，鋼屋架下弦距地面高度為26.05 m，上弦距地面高度為30.05 m，型鋼混凝土框架和鋼屋架之間的連接形式為鉸接，上下弦桿拼接雙角鋼采用2L200×18，腹桿拼接雙角鋼采用2L110×10，屋架左右兩側與型鋼混凝土柱連接部位的型鋼分別采用HW250×250×9×14、HM58屋架下弦水平支撐采用□250×250×6，屋架上弦水平系桿與上弦水平支撐均采用□250×250×6，閥廳結構的縱軸結構及X形支撐布置和屋架結構布置如圖1、圖2所示。

閥廳結構框架中型鋼混凝土鋼材強度等級為Q235，縱筋等級為HRB400，箍筋等級為HPB300，混凝土強度等級為C30，鋼屋架所用的鋼材強度等級為Q345，閥廳結構所受各種荷載信息如表1所示。

表1 閥廳結構荷載/作用信息

為了較為精準的掌握型鋼混凝土閥廳結構的實際受力情況，在建立有限元模型時，對實際閥廳結構進行了一定的簡化。建模過程中采用框架單元模擬實際結構中的柱、梁和斜撐，對于非承重構件，將其自重轉換為相應的集中力或均布荷載添加到結構上，閥廳結構和地面的連接采用剛接，型鋼混凝土閥廳結構整體模型如圖3所示。

2 模態(tài)分析

模態(tài)是結構的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和振型，模態(tài)分析是研究工程領域中結構動力特性的方法[3]。SAP2000在對結構進行模態(tài)分析時，引入了“質量源”[4]，“質量源”將結構部分荷載視為結構自身的質量，“質量源”需要根據(jù)結構本身特性和所求解的問題來確定。該文根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》[5]的條文規(guī)定，將恒荷載系數(shù)設為1，活荷載系數(shù)設為0.5來定義“質量源”。

該文進行模態(tài)分析時，主要研究型鋼混凝土主體框架的振動特性。由于高階頻率衰減較快，對結構的影響較小，故該文只對整體模型的前三階振型進行研究，結構前三階振型圖如圖4～圖6所示，前三階振動信息如表2所示。

表2 整體模型前三階振動信息

振型階次123周期/s1.030.770.68振型特征Y向(橫向)平動X向(縱向)平動扭轉振型剛度/(kN·m-1)37.8267.6786.76

由圖4～圖6、表2可知：型鋼混凝土閥廳結構的前三階振型分別為朝Y向(橫向)平動、朝X向(縱向)平動、扭轉，這說明型鋼混凝土閥廳主體結構的剛度分布較為均勻，結構布置較為合理，整體結構縱向剛度要比橫向剛度大。型鋼混凝土閥廳結構自振周期隨著振型階次的增加而逐漸減小，振型剛度隨著振型階次的增加而逐漸增加。

3 反應譜分析

反應譜分析是對結構進行擬靜力地震動分析的一種方法。從理論上來講，如果結構只進行彈性分析，采用時程分析和反應譜分析所得出的結果基本一致，并且反應譜分析可以節(jié)約大量時間。但是反應譜分析不考慮地震的持續(xù)時間、罕遇地震對結構動力特性的改變、土體與結構的相互作用。

采用的反應譜是基于《建筑抗震設計規(guī)范》的設計加速度反應譜，抗震設防烈度為7度，設計地震基本加速度為0.15g，場地類別為Ⅲ類，設計地震分組為第二組，將計算得到的最大位移值提取出來，并用該數(shù)值除以柱高來計算型鋼混凝土閥廳結構的層間位移角，X及Y向分別為0.001 7和0.001 9，考慮到計算柱高為26.05 m，因此，在反應譜工況下，模型沿橫向的層間位移角值最大為1/1 371，由《建筑抗震設計規(guī)范》可知，彈性層間位移角限值為1/550，大于1/1 371，因此層間位移角符合規(guī)范要求。對型鋼混凝土閥廳結構整體模型進行內力計算，并選擇典型的H～K軸線處支撐，計算柱底最不利組合，如表3所示。其中工況1)～4的選擇是根據(jù)《建筑結構可靠性設計統(tǒng)一標準(GB50068—2018)》條文規(guī)定[6]，地震作用由反應譜法求出：

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

表3 鋼混凝土柱底最不利內力組合

該最不利內力組合可以用于進一步進行局部試驗提供參考。

4 結 論

以構件極限承載力相近為設計和修改原則，將鋼筋混凝土閥廳結構修改為X形支撐型鋼混凝土閥廳結構，并采用SAP2000軟件對閥廳結構整體有限元模型進行了分析，對其性能進行了一定研究，主要結論如下：

a.通過模態(tài)分析得到整體模型的振型和自振周期，其第一、二、三階振型分別為朝Y向(橫向)平動、朝X向(縱向)平動、扭轉，說明該閥廳主體結構的剛度分布較為均勻，結構布置較為合理，整體結構縱向剛度要比橫向剛度大。型鋼混凝土閥廳結構自振周期隨著振型階次的增加而逐漸減小，振型剛度隨著振型階次的增加而逐漸增加。

b.X形支撐型鋼混凝土閥廳結構整體模型在反應譜工況下，模型沿Y向(橫向)的層間位移角值最大為1/1 371，由《建筑抗震設計規(guī)范》可知，彈性層間位移角限值為1/550，大于1/1 371，模型層間位移角符合規(guī)范要求。

c.在不同荷載工況組合下，對X形支撐型鋼混凝土閥廳結構整體模型進行內力計算，選擇具有代表性的一跨斜支撐結構中型鋼混凝土柱考察最不利內力組合，為型鋼混凝土斜支撐結構試驗模型的設計提供了內力依據(jù)。