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第 32 卷 第 11 期
2011 年 11 月
电 力 建 设
Electric Power Construction
Vol. 32,No. 11
Nov,2011
中图分类号:TM 63 文献标志码:A 文章编号:1000-7229(2011)11-0028-03
基金资助项目:国家自然科学基金资助项目(51178362)。
±800 kV换流站阀厅结构扭转变形分析
吴必华1,高湛1,陈俊1,李志1,蔡华2,龚天森2,胡蓉2,甘运良2
(1.中南电力设计院,武汉市,430071;2.中国南方电网超高压输电公司,广州市,510620)
Torsion Deformation of Valve Hall Structure in
±800 kV Convertor Station
WU Bihua1,GAO Zhan1,CHEN Jun1,LI Zhi1,CAI Hua2,
GONG Tiansen2,HU Rong2,GAN Yunliang2
(1. Central Southern China Electric Power Design Institute,Wuhan 430071,China;
2. China Southern Power Grid Extra-high Voltage Power Transmission Corporation,Guangzhou 510620,China)
ABSTRACT:The finite element models of valve hall structure
in ± 800 kV convertor station is constructed in the paper. The
model analyses of shot - pier shear wall structure and shear wall
structure of valve hall are performed. The corresponding
frequency and mode of vibration are analyzed,and the torsion
deformation is discussed under earthquake wave. In addition,the
dynamical and time history analyses of two valve halls are carried
out,and the global assessment for torsion deformation discussed.
KEYWORDS:convertor station;valve hall;torsion deformation;
model analysis;earthquake response
摘要:建立了某 ± 800 kV 换流站阀厅结构的有限元模型,对挂
阀前后的框架剪力墙阀厅结构和全剪力墙阀厅结构进行模态
分析,比较了阀厅结构挂阀前后的振型和频率变化,分析了地
震作用下阀厅结构的扭转特性。另外,对悬挂阀塔的框架剪
力墙阀厅结构和全剪力墙阀厅结构进行了动力时程分析,对 2
种结构型式阀厅的扭转变形进行了整体评价。
关键词:换流站;阀厅;扭转变形;模态分析;地震响应
doi:10. 3969 / j. issn. 1000-7229. 2011. 11. 006
0 引言
阀厅结构是长距离高压直流输电
工程
路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理
中换流站
的核心部位,起着关键作用。阀厅结构悬挂多层阀
塔,阀塔及其相关设备通过吊索悬挂于水平钢梁上。
阀厅结构振动时,阀塔会伴随着结构的振动而产生晃
动,而阀塔的晃动又将对结构的振动产生影响,整体
结构响应分析较为复杂。由于阀厅结构一边是钢结
构柱(类似于普通单层工业厂房) ,另一边由于设备
要求为剪力墙(防火墙) ,造成结构整体扭转,对结构
抗震非常不利。
针对目前阀厅结构体系抗震设计中存在的问
题
快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题
,
本文将防火墙中全剪力墙改为框架剪力墙,采用有限
元通用软件 ANSYS,建立了某 ± 800 kV 换流站阀厅
结构体系的 2 类有限元模型(框架剪力墙阀厅结构和
全剪力墙阀厅结构)。对挂阀前后 2 种阀厅结构在地
震作用下的动力特性进行分析和比较,为换流站阀厅
结构的抗震设计提供参考。
1 工程概况
本文研究的阀厅结构是钢和钢筋混凝土混合结
构形式,包括阀组及相关设备的钢梁、梯形钢屋架、阀
组、钢柱以及剪力墙(或框架)等。阀厅平面布置、阀
厅屋架上弦水平支撑结构布置、阀厅屋架下弦水平支
撑及设备吊梁结构布置如图 1 所示。
图 1 阀厅结构布置
Fig. 1 Layout of valve hall structure
2 阀厅结构的模态分析
2.1 有限元模型
对 2 种结构型式的阀厅进行模态分析,以确定 2
种阀厅结构挂阀前后的前几阶振型和频率,及 2 种结
第 11 期 吴必华等:± 800 kV 换流站阀厅结构扭转变形分析 ·29·
构型式的动力特性。分别对短肢剪力墙阀厅结构和
全剪力墙阀厅结构 2 种阀厅结构进行有限元建模,模
型几何尺寸与原结构相同,所有梁、柱、屋架构件和支
撑均采用三维空间 BEAM189 梁单元[1];剪力墙采用
SHELL63 壳单元;屋面檩条截面尺寸小,属于非结构
构件,与填充墙和活荷载一样,主要考虑质量的影响,
采用 MASS21 模拟;阀塔结构中的吊索采用索单元
模拟,阀塔采用壳单元模拟。图 2 ~ 3 为框架剪力墙
阀厅结构和全剪力墙阀厅结构的有限元模型。
图 2 框架剪力墙阀厅结构
Fig. 2 Shot-pier shear wall structure of valve hall
图 3 全剪力墙阀厅结构
Fig. 3 Shear wall structure of valve hall
2.2 框架剪力墙阀厅结构模态分析
分别对挂阀前后框架剪力墙阀厅结构的动力特
性进行分析[2],并对其振型和频率进行比较,如表 1
所示。由表 1 可知:吊阀对框架剪力墙阀厅结构(整
体结构)的频率和振型的影响(比较)在 1%以内。
表 1 短肢剪力墙结构挂阀前后整体频率
Tab. 1 Frequency of shot-pier shear wall structure
振型
整体频率 / Hz
有阀 无阀
差值 /%
1 2. 436 6 2. 448 4 - 0. 484
2 2. 477 9 2. 488 6 - 0. 432
3 3. 088 7 3. 079 2 0. 308
4 3. 611 7 3. 614 2 - 0. 069
5 4. 783 1 4. 749 8 0. 696
2.3 全剪力墙阀厅结构模态分析
同理,对挂阀前后的全剪力墙阀厅结构进行模态
分析,结果如表 2 所示。由表 2 可知:吊阀对全剪力
墙阀厅结构的频率和振型的影响并不显著,主要的不
同在于吊阀本身具有多阶局部振型,频率相差范围在
1. 1%以内。从以上分析可以看出:挂阀前后主体结
构的频率变化不大。
表 2 全剪力墙结构整体频率对比
Tab. 2 Frequency of shear wall structure
振型
整体频率 / Hz
有阀 无阀
差值 /%
1 2. 410 1 2. 403 6 0. 270
2 2. 548 2 2. 527 3 0. 820
3 3. 121 6 3. 087 8 1. 083
4 3. 496 4 3. 468 4 0. 801
5 3. 627 2 3. 625 6 0. 044
阀厅结构第 1 阶振型如图 4 所示。从图 4 可以
看出:地震作用下,阀厅结构扭转变形非常明显。
图 4 阀厅扭转变形
Fig. 4 Torsion deformation of valve hall
3 阀厅结构体系动力时程分析
3.1 阀厅结构体系地震反应动力方程
单质量悬挂体系支架的弹性振动与悬挂质量的
重力振动相耦联,可借用结构力学中的水平刚度系数
法,得到悬挂体系水平刚度系数[3-4]为
kii =
mig
li
; kij = -
mig
li
;
kji = -
mig
li
; kjj = k +
mig
li
(1)
式中:k为主体结构的水平刚度系数,可由一般结构
力学中的矩阵位移法推导出,kij为悬挂质量的水平刚
度系数;mi 为悬挂物的质量;li 为 mi 的悬索长度。
阀厅结构体系运动方程[3-4]为
(M +Ms)¨Xτ + C Xτ +(K + Ks)Xτ = - X¨g,τMI (2)
式中:τ = θΔt;t = iΔt;¨Xτ、Xτ 和 Xτ 分别表示从 t到 t +
τ时刻各节点加速度向量、速度向量和位移向量;¨Xg,τ
为地震加速度,I 为单位向量;M 是结构的广义质量
矩阵,同一楼面上的质量均被凝聚到楼层上,Ms 是悬
挂质量的质量矩阵;C 为结构体系的阻尼系数矩阵,
采用 Rayleigh阻尼[5-6];K 为结构本身的刚度矩阵;K s
·30· 电 力 建 设 第 32 卷
为悬挂质量的刚度矩阵。
根据以上的动力学方程即可对具有悬挂质量的
建筑结构体系进行地震作用下的动力时程分析,得到
该体系的地震作用效应。
3.2 阀厅结构体系扭转变形分析
为了对 2 种结构型式阀厅的扭转变形进行整体
评价,本文分别对 2 种结构型式阀厅进行了动力时程
分析。由于结构产生扭转变形的主要原因为结构在
纵向结构刚度不对称引起的,因而,本文主要分析结
构在纵向地震输入时的扭转变形。通过时程分析得
到阀厅 2 边角点(1 号节点和 2 号节点)位移时程,选
出相同时刻的位移幅值,即可确定阀厅整体结构的扭
转角。由于篇幅限制,本文仅列出阀厅结构(有阀)
在纵向地震作用下 1 号节点(角柱顶点,标高
24. 8 m)的位移时程,地震加速度为 0. 1g,如图 5
所示。
图 5 框架剪力墙阀厅结构(有阀)1 号节点
在纵向地震波下的位移
Fig. 5 Diaplacement of No. 1 node for shot - pier shear wall
structure of valve hall under longitudinal earthquake wave
在纵向地震作用下,挂阀前后 2 种结构扭转角如
表 3 所示。
从表 3 可以看出:将阀厅结构全剪力墙改为框架
剪力墙后,纵向地震下最大扭转角有所减小。主要原
因是框架剪力墙结构两侧的侧向刚度较为接近,而全
剪力墙结构虽然可以提供更大的纵向抗侧刚度,但由
表 3 不同地震波下 2 种阀厅结构最大扭转角
Tab. 3 The torsion angle amplitude of the valve hall
地震波
框架剪力墙
有阀 无阀
全剪力墙
有阀无阀
El-centro 0. 226 0. 211 0. 275 0. 272
Taft 0. 319 0. 317 0. 365 0. 370
Tianjin 0. 320 0. 325 0. 368 0. 374
Qianan 0. 269 0. 312 0. 276 0. 309
于阀厅结构另一侧是钢框架结构,使得阀厅结构两侧
刚度差异明显,导致较大的扭转变形。
3 结论
(1)吊阀对 2 种阀厅结构的整体结构的前 3 阶
频率和振型的影响基本控制在 1. 1%以内,可以忽略
不计。整体结构基本振型为整体结构扭转变形,对抗
震不利。
(2)挂阀框架剪力墙结构与全剪力墙结构在 4
种地震作用下的最大扭转角对比分析表明:框架剪力
墙结构的整体抗扭性能优于全剪力墙结构。因此,从
结构安全性和抗震性能方面考虑,采用框架剪力墙结
构更合理,并且框架剪力墙结构较全剪力墙结构更为
经济。
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收稿日期:2011-05-17 修回日期:2011-09-20
作者简介:
吴必华(1966) ,男,大学本科,高级工程师,主要从事土建结构设
计工作,E-mail:wubihua@ csepdi. com。
(责任编辑:魏希辉)