柔性直流是近年来发展较快的一种新型高压直流输电技术。主要应用于风力发电、电力交易、电网互联、海上钻井平台供电等领域，掌握大型风电场柔性多端直流接入的相关技术，有利于降低风电对电网稳定性的影响，降低风电接入标准、提高风电等新能源应用比例。直流换流站是直流输电技术最主要的组成部分，南方电网选择在南澳岛风电场附近进行“大型风电场柔性直流输电接入技术研究与开发”示范工程建设，规划建成一个电压等级为±160 kV，输送容量为200 MW的4端柔性直流输电系统，服务于青澳、牛头岭、云澳和塔屿风电场。

工程在汕头南澳岛上建设2个送端换流站，在澄海区塑城变电站内建设1个受端换流站，3个换流站电气布置均为全户内方案，所有电气设备均布置在一栋建筑物内(以下简称为配电装置楼)。建筑平面尺寸约为55.5 m×34.5 m，高度约28 m。各层平面布置如下：-1.5 m层为局部半地下层，布置电缆间、泵房及消防水池(消防水池底标高-4.0 m)；±0.0 m层布置连接变压器室、阀电抗器室、交流GIS室及110 kV站用变室；1.5 m层、5.5 m层、9.5 m层布置有10 kV/380 V配电室、备用品间、主控室、继电器室、通信机房、蓄电池室、阀冷设备间等设备房间及其它办公房间；13.5 m层布置有阀厅和直流场；屋面布置空调机和阀冷设备。根据设备布置的要求，阀厅、直流场、变压器室及阀电抗器室等4个房间内均不得设置柱位，且其净空不低于10.5 m。典型结构断面图如图1所示。

图  1  典型结构断面图

Figure 1.  Typical Structure Profile

本期3个换流站均位于沿海地区。抗震设防烈度8度，设计基本地震加速度0.2 g，地震分组第一组；基本风压0.85 kN/m²，地面粗糙度A类。

本工程3个换流站从2013年3月份开始施工，在2013年8月底即完成结构封顶，2013年12月三个换流站均竣工投产。

该工程属于产学研一体化工程，没有以往工程可以参考，主要的电气设备在立项时还未完全定型，但是业主对工程竣工日期要求非常严格，因此在进行结构选型，建设工期成为重要的考虑因素。

从工期和满足抗震安全性出发，可研阶段结构选型为全钢结构，钢结构强度高、自重轻，特别适用于大跨度、超高和超重型的建筑物；同时塑性、延性好，变形能力强，抗震性能优越；最重要的是可以工厂加工，现场安装，建设工期短。对于常规的民用建筑来说的确是可以在满足功能和安全的前提下大大缩短建设工期，但是对于工业建筑来说，工艺流程太复杂，特别是对于本工程来说，部分设备只有一个大概的形状和重量，具体的埋件及安装方式并不能完全确定。采用钢结构将导致主次梁布置将非常复杂，节点非常多，设计和加工将非常麻烦，同时由于上游设备资料不能及时提供，纯钢结构的包络和容错能力都相对较差。

图  2  钢-钢筋混凝土混合结构全户内换流站模型

Figure 2.  Steel-Concrete Hybrid Structure Model

从经济性和工艺方便出发，结构选型可采用钢筋混凝土结构，混凝土材料来源广泛，工程造价和维护费用低；一般采用现场浇注，可以方便工艺开孔，预留埋件等；同时耐久性和耐火性好。但是混凝土结构自重比钢结构大，延性差，特别是在高烈度区域不适宜建造大跨度结构，特别是大跨度的阀厅及屋顶，采用混凝土结构将导致梁高特别大；混凝土结构需要支模浇注，对大跨度高楼层房间需要满堂脚手架支模，影响施工安全性及施工速度。

图  3  阀厅楼面层钢结构布置图

Figure 3.  Valve Hall Floor Plan

综合考虑功能要求，施工速度，同时考虑经济性，根据柔性直流换流站的“交流场—联接变压器—阀厅—直流场”工艺流程，以及辅助设备及房间的布置特点，对全户内柔性直流换流站提出了钢-钢筋混凝土混合结构方案。即主体结构为混凝土框架结构，大跨度及重荷载楼面梁及转换梁采用钢桁架梁，楼面板采用压型钢板组合楼板。屋盖结构采用平面钢桁架屋架梁，屋面板采用压型钢板组合屋盖。所有竖向构件及辅助房间全部采用钢筋混凝土结构。既利用混凝土结构在常规跨度范围内的对工艺的良好适应性，又利用钢结构在大跨度及重荷载房间的高强度优点。同时采用了组合楼板，使整个站的施工过程属于半装配式，节省了施工工期。

图  4  屋面层钢结构布置图

Figure 4.  Roof Structural Plan

本结构的整体分析采用SAP2000进行，结构设计时，钢结构部分采用SAP2000软件进行，混凝土部分采用PKPM软件进行计算。先进行整体分析，保证结构的整体振型及位移满足规范要求，混凝土结构设计时将钢桁架梁按照抗弯刚度等效为实腹梁建模到PKPM中进行混凝土结构部分设计，保证支座荷载和刚度等效。

结构整体分析结果如下：

1)自振周期

根据计算结果可以看出，X向和Y向的总体抗侧刚度相差不大，但由于结构本身的不规则性，导致结构的抗侧力构件沿建筑周边布置不均匀，靠近辅助房间的抗侧刚度较大，大开间的阀厅、换流变及阀电抗器房间侧抗侧刚度较小，使结构的扭转周期较大，扭转刚度相对较小，但是未超过A级建筑高度的规范限制。

1)层间位移

本户内站结构属于混合结构，且含错层，平立面均不规则，进行层间位移角计算时，主要是以框架结构要求来控制结构的变形。根据计算的位移比，扭转不规则分类为II类^[4]。

本结构的设计难点为控制整体结构的扭转不规则，由于工艺开间限制，没办法通过结构布置上进行调整，只能根据规范要求，通过结构构件的内力调整和构造措施来进行构件设计。

结构阀厅房间的跨度和荷载非常大，因此主要的关键构件为钢筋混凝土柱，钢桁架梁。钢桁架为梁式构件，主要承受整体弯曲作用，具体表现为上下弦杆的拉压轴力，钢桁架的腹杆则代替了实腹式钢梁腹板的作用，以轴力的形式将桁架上的剪力传递到端部。其杆件的受力特征呈现为轴心受力，是一种较为高效的水平承力构件。

本工程桁架承受荷载较大，钢桁架均采用箱型截面结构，能有效提高下弦的抗侧刚度，提高下弦杆的平面外稳定性，减少下弦水平支撑的数量。关键构件的设计计算结果如表3所示。

钢桁架梁与混凝土柱牛腿采用铰接连接，且释放水平轴向力，减少节点位置桁架梁对混凝土柱的弯矩影响，大大减少框架柱的弯矩。压型钢板组合楼板布置在钢桁架层的次梁上，并设置剪力键^[3]。

由于本工程存在16 m、22 m和34.5 m的大跨度结构，且属于高烈度大荷载建筑物，纯混凝土结构在本工程明显不经济，本文就全钢结构以及S-RC混合结构进行初步计算和分析，估算其造价，比较两种结构方案的技术经济性。所有计算均在相同计算假定和荷载条件情况下进行。

由于本工程位于8度区，全钢结构方案由于钢柱整体抗侧刚度较差，造成用钢量的上升，故造价较高；S-RC混合结构方案工程量主要由横向地震作用下的结构侧移限值控制，采用较大柱截面后，可有效控制结构整体抗侧刚度，造价稍低。

两个结构方案的造价对比详见表4。通过两个结构方案的造价对比来看，全钢结构方案与S-RC混合结构方案相比，造价高出11%，S-RC混合结构方案经济效益明显。

除了经济对比，表5对S-RC混合结构和纯钢结构方案进行了详细的技术对比。主要对比的要素为：结构安全性；全户内站建筑复杂工艺的适用性；施工便易性；建筑物的防火要求以及在海岸环境的特殊防盐雾腐蚀要求；造价经济性等。对比结果表明S-RC混合结构体系在复杂全户内电力建筑中的优势明显^[5]。

1)电力规划建设用地越来越紧张：由于国土资源的稀缺，以及电力工程本身的特性，当地政府及当地居民均对建设电力设施存在一定的抵触，征地问题日趋严峻。

2)全户内站将成为潮流：全户内电力建筑具有节省建设用地，减小外部环境对电气设施影响，对电力工业设施进行修饰美化，大大减少周边噪音的影响等优点，应用将越来越多。

3)工艺愈见复杂：随着技术进步，工艺更新，户内站建筑物内的工艺错层，开洞，沟道越来越复杂多样。

4)设计条件复杂：为满足工艺要求，一般的电力建筑物均存在建筑大跨度，设备重荷载，含转换梁及大错层。

5)建设工期紧张：电力工程由于电网运行的需要，有时候由于前期规划和征地耗时较多，真正施工工期都非常紧张，因此设计方案对施工工期的考虑越来越重要。

1)S-RC混合结构分别利用了钢筋混凝土抗压性能好，耐火耐腐蚀性能好，应用在竖向构件及小跨度房间水平构件经济合理，利用钢结构梁强度高，抗弯能力强，应用在大跨度和重荷载房间水平构件。很好综合了两种结构体系的优点，规避了缺点，应用到全户内换流站，变电站等特殊工业建筑中安全可靠，经济合理。

2)大跨度房间采用钢结构及压型钢板组合楼板，可以大大减少混凝土结构的高支模和大面积支模，实现半装配式施工，大大加快了施工进度。

3)混凝土结构可以适用复杂工艺要求，沟道，开洞等方便，钢结构可以适用大荷载，大开间工艺要求，两种结构优势互补，可以满足全户内站对建筑物的复杂工艺要求。

4)工业建筑采用S-RC混合结构比采用全钢结构及钢筋混凝土结构，造价更低，工期更短。

1)钢结构属于导电体，因此需要严格核对钢结构部分与电气设备的带电安全距离要求，同时做好构件的接地设计。

2)全户内站含有较多的带油设备，部分房间的防火等级较高，因此需要特别注意钢结构构件的防火设计。

3)部分户内站位于海岸地区，需要做好盐雾地区的防腐措施。

随着科技进步，电力技术将会出现越来越多的新技术，新工艺，同时国土资源越来越稀缺，环境要求越来越高，传统敞开式布置将越来越受限制，电力枢纽建设将会朝集约式绿色化发展，全户内站将成为趋势，但以往简单的混凝土结构已经不能满足复杂全户内站设计要求，依据本工程建设经验，以及本文的技术经济分析，S-RC混合结构具有受力明确，工艺适应性强，造价经济的优势，在今后的电力建设中值得优先考虑选用。