柔直阀厅大跨度屋盖结构选型研究

伍鑫元，何 勇

( 中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

阀厅是柔性直流换流站的核心建筑，常规直流工程中±500 kV 换流站阀厅的横向跨度约为25 m，纵向长度约为55 m；±800 kV 换流站高压阀厅的横向跨度约为32 m，纵向长度80 m；而本工程柔性直流换流站阀厅跨度达50 ～60 m，纵向长85 m，结构跨度远超±500 kV、±800 kV 常直换流站阀厅，属于单层、大跨、空旷建筑。目前，在国内直流输电工程领域，大跨度厂房较少[1]，结构设计、施工组织经验不足，因此有必要就阀厅大跨度屋盖结构设计进行研究[2-6]。本文旨在通过结构选型论证和计算分析，确保阀厅结构安全可靠，实现换流站设计技术先进、安全适用、经济合理、确保质量的目标[3]。

1 工程概况

本工程设柔直阀厅2 座，建筑布置基本相同，平面轴线尺寸85 m×96 m，净空高度20 m。其屋盖结构考虑联合布置，屋盖横向跨度接近50 ～60 m，约为±800 kV 特高压直流换流站高压阀厅跨度的2 倍，属于单层、空旷、大跨厂房。

主要设计条件如表1所示，荷载如表2所示。

表1 主要设计条件和参数

表2 荷载

2 结构选型

2.1 大跨度屋盖承重结构形式

本工程屋盖结构属于大跨结构，且已经超出混凝土屋盖结构的经济跨度，需采用钢结构水平受力体系可有效减小自重[3]。目前对于单层大跨度工业厂房结构形式.可以采用的屋盖结构形式如下：

1)门式刚架结构：门式刚架通过变截面的实腹柱和实腹梁刚接形成横向受力体系，通过平面和竖向支撑体系形成整体受力体系。厂房内部美观简洁，屋面净空较低，涂装质量高，维修保养方便，制作和安装简单，施工周期短，单位造价低，此结构形式在36 m 跨度以下厂房中大量使用。但大跨度厂房应用中存在钢材利用效率低，用钢量大，吊装过程中平面外刚度差，吊装易发生变形。且由于本工程的雪压和风压较大，柱刚度大，因此采用门式刚架结构时由于弯矩较大而导致刚架截面高度很大，经济性较差。

2)空间管桁架结构：空间管桁架结构(以下简称“管桁架”)已被广泛应用于大型的机场、体育场馆等民用建筑，在昌吉－古泉±1 100 kV 直流输电工程的户内直流场上也有应用。作为三维空间结构体系的管桁架结构，杆件受力合理，空间刚度大，节点荷载是由空间多根杆件承担，空间汇交的杆件互为支撑，将受力杆件与支撑有机地结合起来，因而它适合大跨度的结构。空间管桁架结构还具有整体性能好、结构布置灵活、抗压和抗弯性能好、外形美观等优点。但其对相贯节点的加工精度要求高，焊接工作量大，对焊接的质量要求较高。

3)实腹式钢柱＋空间网架屋盖结构：网架屋盖结构(以下简称“网架”)在规则单层厂房中应用较多，是用钢量最节省的屋盖结构形式之一。网架采用很多杆件沿两个或多个方向有规律地组成，能够承担由各个方向传递来的荷载。该结构是高次超静定空间结构，改变了一般的平面桁架的传力方式及其受力体系，具有刚度大、整体效果好、抗震能力强等优点。网架在结构、杆件、节点的生产上可实现规格化，这对实现工厂化生产是非常有利的，也对提高工程质量和加快工程进度有很大好处。在我国近十多年来工业建设中，大跨度单层工业厂房屋盖结构形式中网架结构得到了较为广泛的应用。

根据上文和表3 各屋盖结构型式的对比分析，综合考虑工艺要求、用钢经济性及结构安全性，本工程采用实腹式钢柱＋网架结构或者实腹式钢柱＋管桁架结构均属于较为合理的结构方案。下文将针对柔直阀厅分别采用这两种方案进行详细对比分析。

表3 屋盖承重结构型式优缺点比较

3 方案对比分析

3.1 网架屋盖结构形式

3.1.1 方案说明

两座阀厅采用纵向联合布置方式，横向构成两跨连续排架，以提高结构刚度，减小耗钢量，本结构跨度较大，采用正放四角锥双层折板网架结构。网架网格尺寸约为4 m ～5 m，网架高度3.5 m。建筑轴线尺寸85 m×96 m，屋内净空22 m，檐口高度25 m。考虑本工程结构跨度较大，节点受力大，节点形式采用焊接球节点或螺栓球节点。屋面找坡坡度为5%，如果采用立柱找坡，立柱高度较高，为提高立柱的稳定性，需适当布置竖向支撑，施工与制作较为繁琐。因此本工程采用结构找坡[7]。网架杆件均采用热轧无缝钢管。

结构柱采用实腹式焊接H 型钢柱，在中间跨设置交叉支撑，形成整体抗侧力结构体系。柱间支撑体系应保证房屋的纵向稳定和空间刚度。

山墙结构由钢柱及柱间水平支撑组成，山墙柱上端与网架上弦铰接连接，下端与基础固接连接。山墙平面外水平力(风荷载、地震用等)分别由山墙柱上下端传递给整体结构的纵向支撑和基础。山墙柱采用H 形截面，柱间水平支撑采用H 型钢。网架结构三维透视图如图1 所示；网架结构平面布置图如图2 所示 。

图1 网架结构三维透视图

图2 网架结构平面布置图

网架通过与各柱顶铰接，使整个厂房形成由实腹式柱和屋面平板网架组成的空间网架结构体系，所选用的钢结构主要截面类型如表4 所示。

表4 网架结构钢结构截面类型

3.1.2 结构受力分析

1)静力分析

网架结构在1.0 恒载+1.0 活载荷载组合下的变形如图3 所示。网架跨中最大竖向变形为-115 mm，挠跨比为1/452<1/400，满足规范要求。

图3 网架结构单元阀厅1.0恒载+1.0活载下竖向变形图

在风荷载作用下排架柱柱顶水平位移如图4 所示。排架柱柱顶在0°风荷载标准值作用下最大柱顶水平位移为29.8(1/838) mm，满足规范要求。

图4 0°风荷载作用下排架柱柱顶水平位移图(网架结构)

主体结构应力比如表5 所示，均控制在0.8以下(考虑了结构重要性系数)。

表5 网架结构主体结构应力比

2)动力分析

模态分析是结构动力分析的基础，用以确定结构的周期和振型，重力荷载代表值取1.0恒载+0.5 活载，求得结构的前3 阶自振周期如图5 ～图7 所示。

图5 网架结构第一阶振型模态图 自振周期0.87s

图6 网架结构第二阶振型模态图 自振周期0.70s

图7 网架结构第三阶振型模态图 自振周期0.65 s

由图5 ～图7 可知，结构第一阶为整体X方向的平动，第二阶为绕Z轴的整体扭转，第三阶主要为网架的竖向振动，由结构的振型可知，结构竖向刚度较好，平面布置合理[8]。

网架结构主体钢结构用钢量如表6 所示。

表6 网架结构主体结构用钢量 t

3.2 管桁架结构形式

3.2.1 方案说明

由于本结构跨度较大，管桁架结构采用空间桁架。桁架截面形状为倒三角形，三角形边长尺寸为4 m，桁架高度为3.5 m，檐口高度25 m，屋内净空高度为22 m。本工程桁架结构杆件之间均采用相贯焊连接，支撑柱采用实腹式H 型钢柱，杆件均采用热轧无缝钢管。

管桁架结构方案立面柱间支撑设置、屋面找坡方式与网架方案相同。但在管桁架方案中，在阀厅屋盖上弦四周设置屋面交叉支撑，用以增加管桁架空间协同作用，并解决施工阶段管桁架的平面外稳定性问题。屋面上弦交叉支撑布置如图8 所示。

图8 屋面上弦交叉支撑平面布置图

阀厅管桁架的主要构件截面类型如表7 所示。

表7 管桁架结构钢结构截面类型

3.2.2 结构受力分析

1)静力分析

管桁架结构在1.0 恒载+1.0 活载荷载组合下的变形如图9 所示。管桁架跨中最大竖向变形为-78 mm，挠跨比1/666<1/400，满足规范要求。

图9 管桁架结构单元阀厅1.0恒载+1.0活载下竖向变形图

在风荷载作用下排架柱柱顶水平位移如图10 所示。排架柱柱顶在0°风荷载标准值作用下最大柱顶水平位移为26.2(1/954) mm，满足规范要求。

图10 0°风荷载作用下排架柱柱顶水平位移图(管桁架结构)

主体结构应力比如表8 所示，均控制在0.8以下(考虑了结构重要性系数)。

表8 管桁架结构主体结构应力比

2)动力分析

模态分析是结构动力分析的基础，用以确定结构的周期和振型，重力荷载代表值取1.0恒载+0.5 活载，求得结构的前3 阶自振周期如图11 ～图13 所示。

图11 管桁架结构第一阶振型模态图 自振周期0.91 s

图13 管桁架结构第三阶振型模态图 自振周期0.60 s

图12 管桁架结构第二阶振型模态图 自振周期0.90 s

由图11 ～图13 可知，结构第一阶为整体X方向的平动，第二阶为绕Z轴的整体扭转，第三阶主要为整体Y方向的平动，由结构的振型可知，结构竖向刚度较好，平面布置合理。

管桁架结构主体钢结构用钢量如表9 所示。

表9 管桁架结构主体结构用钢量t

3.3 方案比较

阀厅网架屋盖与管桁架屋盖方案的技术经济对比指标如表10 所示。

表10 两种方案主要技术经济指标对比表

4 结论

本文对阀厅采用网架＋实腹式柱方案和管桁架＋实腹式柱方案分别进行了整体计算和分析。两种方案在给定的设计条件下均能够满足规范设计要求，但在经济性和适用性方面有所差异。

1)在相同的输入条件和荷载作用情况下，同时控制相同的最大应力比，根据初步计算结果，考虑屋面檩条系统后，网架方案用钢量比管桁架方案节省约20%，经济效益明显[9]。

2)管桁架方案施工周期较长，构件加工相对于网架方案更为复杂，焊缝较多。

综上所述，结合技术、经济等因素，建议阀厅屋盖结构方案采用空间网架结构。