柳北換流站大跨度網(wǎng)架支座方案分析研究

吳 晟，程 亮，趙李源

(中國電力工程顧問集團中南電力設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430071)

0 引言

閥廳作為換流站體量最大的單項工程，是換流站的核心功能區(qū)，閥廳內(nèi)設(shè)備工藝布置十分復雜，需提供大跨度內(nèi)部無支撐結(jié)構(gòu)空間。目前國內(nèi)特高壓柔直換流站閥廳屋蓋大多采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有跨度大、自重輕、造型靈活等優(yōu)點，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件及規(guī)范也日趨成熟，但關(guān)于網(wǎng)架支座的選擇軟件和規(guī)范并未給出明確指示，網(wǎng)架的支座設(shè)計成為了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點部位。

1 工程概況

昆柳龍直流工程是國家大氣污染防治行動計劃12條重點輸電通道建設(shè)項目之一，也是國務(wù)院保證經(jīng)濟“穩(wěn)增長”重點工程。該工程是世界上容量最大的特高壓多端直流輸電工程，工程西起云南昆北換流站，東至廣西柳北換流站、廣東龍門換流站，采用±800 kV三端混合直流技術(shù)，線路全長1 489 km，輸送容量800萬 kW，是國家特高壓多端直流的示范工程。柳北換流站是昆柳龍直流工程的廣西受端站，站址位于柳州市鹿寨縣中渡鎮(zhèn)黃村，距鹿寨縣約15 km。

柳北換流站共設(shè)置4個閥廳，分別為極1高端閥廳、極2高端閥廳、極1低端閥廳、極2低端閥廳，兩高端閥廳建筑軸線尺寸為86 m×86 m，兩低端閥廳建筑軸線尺寸為67 m×76.5 m。閥廳鳥瞰圖如圖1所示。極2低端、極2高端閥廳與極1低端、極1高端閥廳為鏡像布置，同極的高端和低端閥廳結(jié)構(gòu)為獨立結(jié)構(gòu)，單個高端閥廳跨度為86 m，屋架下弦高度32.6 m，單個低端閥廳跨度為67 m，屋架下弦高度22.6 m，閥廳作為換流站的核心功能區(qū)，室內(nèi)設(shè)備工藝布置十分復雜，由于室內(nèi)設(shè)備帶電距離要求，需閥廳提供大跨度室內(nèi)無支撐結(jié)構(gòu)空間。故室內(nèi)均不設(shè)置結(jié)構(gòu)柱，結(jié)構(gòu)柱均沿閥廳四周布置，采用矩形格構(gòu)式鋼柱，屋面結(jié)構(gòu)建筑造型、排水等要求，采用整體剛度較好的鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)整體模型及柱網(wǎng)布置如圖2所示。

圖1 柳北換流站閥廳鳥瞰圖

圖2 高端閥廳三維模型及柱網(wǎng)布置圖

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件及規(guī)范也日趨成熟，但關(guān)于網(wǎng)架支座選型軟件和規(guī)范并未給出明確指示[1-2]，大跨度空間鋼網(wǎng)架的支撐條件對計算有很大的影響，網(wǎng)架的支座設(shè)計成為了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點部位，設(shè)計時應根據(jù)支撐結(jié)構(gòu)的剛度和支座節(jié)點的特點，確定支座節(jié)點的約束情況和彈性剛度，為了確定網(wǎng)架與下部結(jié)構(gòu)采用何種連接方式更為合理，本文對高端閥廳采用球鉸支座和平板鋼支座兩種方案進行對比分析。

2 支座剛度模擬

2.1 平板鋼支座

平板鋼支座主要分為壓力支座和拉力支座，其中，平板壓力支座應用最為廣泛[3]，平板鋼支座是網(wǎng)架節(jié)點通過十字加勁板和底板把支座力傳遞給下部結(jié)構(gòu)，鋼支座節(jié)點圖如圖3所示。

圖3 平板鋼支座節(jié)點

平板支座是比較理想的固定鉸支座，在結(jié)構(gòu)計算模型中支座的水平剛度即為下部支撐結(jié)構(gòu)對網(wǎng)架的水平約束剛度，每個結(jié)構(gòu)柱上設(shè)置一個支座，各柱線剛度見表1所列。

表1 平板支座水平剛度kN/mm

部分帶過渡板的平板鋼支座雖能允許支座產(chǎn)生部分位移，但該位移的產(chǎn)生需克服網(wǎng)架支座壓力產(chǎn)生的摩擦力，適合自重較小的中小跨度網(wǎng)架，本工程網(wǎng)架屬于大跨度網(wǎng)架，自重、下弦懸吊設(shè)備及吊車荷載較大，支座壓力大，產(chǎn)生位移需克服的摩擦力較大，故不適用帶過渡板的平板鋼支座。

2.2 球鉸支座

球鉸支座亦稱為萬向轉(zhuǎn)動球鉸支座[3]，能同時承受豎向荷載并且實現(xiàn)徑向和環(huán)向的位移要求，釋放部分水平力及彎矩，支座不用橡膠承壓，不存在橡膠老化對支座的影響，使用壽命長，球鉸支座節(jié)點如圖4、圖5所示。

圖4 球鉸支座X向節(jié)點圖

圖5 球鉸支座Y向節(jié)點圖

球鉸支座是比較理想的彈簧鉸支座，根據(jù)網(wǎng)架跨度可以選擇不同線剛度的球鉸支座，本站高端閥廳球鉸支座平面尺寸擬采用650 mm×650 mm，支座高度250 mm，X向及Y向線剛度均為2.5 kN/mm，X向及Y向最大位移為±30 mm。在結(jié)構(gòu)計算模型中支座的水平剛度應有兩部分組成，分別是球鉸支座自身的水平約束剛度K1以及下部支撐結(jié)構(gòu)對網(wǎng)架的水平約束剛度K2，這兩個剛度是串聯(lián)關(guān)系，根據(jù)串聯(lián)原理模型支座的剛度K應等于K1×K2/(K1+K2)[4-5]。每個結(jié)構(gòu)柱上設(shè)置一個支座，模型中各支座線剛度見表2所列。

表2 球鉸支座線剛度 kN/mm

3 計算對比分析

3.1 振型對比分析

通過空間迭代法進行動力特性分析，分別計算平板鋼支座和球鉸支座兩個方案，兩方案前9階自振周期及各振型質(zhì)量參與系數(shù)見表3所列。計算結(jié)果表明，平板鋼支座方案和球鉸支座方案各個振型累計質(zhì)量參與系數(shù)均達到99%，且前幾階主振型均以平動振型為主，球鉸支座較平板鋼支座結(jié)構(gòu)自振周期大，結(jié)構(gòu)更柔，這是因為網(wǎng)架平面內(nèi)和平面外剛度均較大，平板鋼支座對下部結(jié)構(gòu)的約束更大，而球鉸支座釋放了部分力和位移，降低整體結(jié)構(gòu)的剛度，消耗部分水平地震力，提高結(jié)構(gòu)抗震性能。

表3 兩方案自振周期及各振型質(zhì)量參與系數(shù)

3.2 受力分析

對兩方案進行內(nèi)力分析，荷載工況分別有恒荷載、活荷載、風荷載以及溫度荷載，各支座反力最大值詳見表4～表5所列，支座編號同結(jié)構(gòu)柱編號，由表可知，各支座軸向力均為壓力，且兩方案軸力值相差不大，最大軸力均發(fā)生在2號支座，為2 600 kN左右；兩方案水平剪力相差加大，采用球鉸支座方案水平剪力較平板鋼支座方案平均降低70%，在平板鋼支座方案中，最大水平剪力均發(fā)生在角支座，查荷載工況可知，溫度工況產(chǎn)生的水平力占總水平力50%以上，由于網(wǎng)架跨度較大，溫升和溫降產(chǎn)生的作用力較大，而在球鉸支座方案中，由于支座可以允許部分位移，釋放了部分水平力，該方案中溫度工況產(chǎn)生的水平力占總水平力下降到30%左右，且各水平力分布較均勻，各支座水平力大小相差不大；根據(jù)模型計算可知，兩方案的變形趨勢均一致，最大位移發(fā)生在網(wǎng)架跨中，兩方案變形大小相差不大。

表4 平板鋼支座各支座最大內(nèi)力kN

表5 球鉸支座各支座最大內(nèi)力 kN

3.3 位移對比

平板鋼支座方案網(wǎng)架最大位移發(fā)生在跨中，最大豎向位移值為-86.634 mm；球鉸支座方案網(wǎng)架最大位移發(fā)生在跨中，最大豎向位移值為-87.123 mm，兩方案網(wǎng)架位移趨勢及大小均一致，對支座約束的釋放不改變網(wǎng)架的變形。

4 結(jié)論

1)球鉸支座方案與平板鋼支座方案相比，結(jié)構(gòu)振動周期均以平動周期為主，球鉸支座方案振動周期更大，球鉸支座水平剛度較小，支座釋放了部分水平力和位移，整體結(jié)構(gòu)的剛度也降低，結(jié)構(gòu)相比平板鋼支座方案更柔，能消耗部分水平地震力，提高結(jié)構(gòu)抗震性能。

2)球鉸支座方案與平板鋼支座方案網(wǎng)架的變形趨勢及大小均一致，最大位移發(fā)生在網(wǎng)架跨中。

3)球鉸支座方案與平板鋼支座方案相比，各支座均產(chǎn)生軸向壓力，且壓力大小基本一致；水平剪力相差較大，球鉸支座方案水平剪力較平板鋼支座平均降低70%，在平板鋼支座方案中，最大水平剪力均發(fā)生在角支座，且最大值與最小值相差較大，而在球鉸支座方案中，各支座水平剪力相差不大，絕對值趨于一致。

綜上所述，相比平板鋼支座，柳北換流站閥廳網(wǎng)架更適合采用球鉸支座，由于該工程網(wǎng)架跨度大，能充分發(fā)揮球鉸支座的特性，降低網(wǎng)架傳給下部結(jié)構(gòu)柱的水平力及整體結(jié)構(gòu)的剛度，提高整體結(jié)構(gòu)的抗震性能。