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(nèi)力、梁端內(nèi)力以及斜撐內(nèi)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(zhì)量源”[4]，“質(zhì)量源”將結構部分荷載視為結構自身的質(zhì)量，“質(zhì)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(zhì)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(nèi)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(nèi)力組合

該最不利內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)力依據(jù)。