Structural Selection and Optimal Design of Long Span Roof for VSC-UHVDC Valve Hall

和常规直流换流站一样，特高压柔性直流换流站阀厅也分高端阀厅和低端阀厅，两者工艺布置相似但高端阀厅建筑体量更大。鉴于篇幅限制，本文以设计难度相对较大的高端阀厅为例开展论述。

本工程高端阀厅的柔性直流工艺布置方案如图1所示，阀厅内核心设备——柔性直流换流阀布置在阀厅中部，由于重量过大，换流阀采用地面支撑式，此外阀厅内还布置有避雷器、隔离开关等其他设备。阀厅南侧外的联接变压器与阀厅之间设置钢筋混凝土防火墙，北侧墙面上布置高压出线套管。阀厅的内部空间尺寸由电气设备外形尺寸、电气净距要求、设备检修维护空间、升降平台车运行空间等因素确定^[2]，综合考虑上述因素后，高端阀厅柱内净平面尺寸为86.5 m×89.5 m，屋盖下净空高度为38.5 m。由于带电距离要求，阀厅内部不能设置立柱，整个阀厅为一个单层超高大跨度空间结构。

Figure 1.  Electric arrangement of high-voltage valve hall

根据电气工艺布置方案，特高压柔性直流阀厅结构特点如下：

石骁：特高压柔直换流站阀厅屋盖结构选型与优化1)跨度大，高度高。本工程高端阀厅屋盖跨度达到近90 m，净空高度近40 m，而以往工程中高端阀厅跨度通常在50 m以内，净空高度在30 m以内，特高压柔性直流阀厅平面尺寸和高度远超以往工程。随着阀厅跨度的显著增大，屋盖结构选型是否合理就显得更加至关重要，直接关系到整个换流站的安全性、可靠性和经济性。

2)屋盖下悬吊设备和吊车。根据工艺布置要求，虽然重量最大的换流阀设备采用地面支撑式，但屋盖下还是需要悬挂数量较多的避雷器、悬吊绝缘子等设备，此外，为便于后续运行过程中检修和更换阀组，屋盖上还需设置7座5 t的单轨吊车，如图2所示。这就要求屋盖结构下弦宜在同一平面内，以便于电气设备和吊车的安装。

Figure 2.  Loads distribution on roof of high-voltage valve hall

根据《高压直流换流站设计技术规定》(DL/T 5223—2005)，换流站阀厅结构安全等级为一级，结构重要性系数1.1。

根据《电力设施抗震设计规范》(GB 50260—2013)，±330 kV及以上换流站阀厅为重点设防类(乙类)建筑^[3]。

根据《中国地震动参数区划图》GB 18306—2015，本工程站址在Ⅱ类场地条件下，50年超越概率10%的地震动峰值加速度为0.05 g，对应的地震基本烈度为Ⅵ度，地震动反应谱特征周期均为0.35 s^[4]。

附加恒荷载主要考虑屋面檩条、屋面板以及设备吊梁自重，按照标准值为1.0 kN/m²的均布荷载考虑。

阀厅屋面按不上人屋面考虑，根据《±800 kV直流换流站设计规范》(GB/T 50789—2012)，不上人屋面活荷载标准值取0.7 kN/m^{2 [5]}。

阀厅屋盖上的单轨吊车及悬挂设备荷载如图2所示。屋盖上设置7座单轨吊车，计算时考虑2座吊车同时运行。设备荷载按照集中荷载考虑，位置按实布置，每处吊点集中荷载标准值20 kN。

根据《±800 kV直流换流站设计规范》(GB/T 50789—2012)，阀厅按100年一遇风压进行设计。本工程100年一遇基本风压取值0.45 kN/m²，相应风速为26.8 m/s。地面粗糙度类别为B类^[5]。

平面梯形钢屋架具有传力清晰、承载力和竖向刚度大的优点，是以往直流换流站阀厅屋盖最多采用的一种屋盖形式，但对于本工程近90 m的跨度的阀厅屋盖而言，已远远超出平面梯形钢屋架的适用范围。对于这种大跨度结构屋盖，目前在工业建筑中最常采用的有网架结构和空间管桁架结构。

网架结构一般是以大致相同的格子或尺寸较小的单元(重复)组成的空间网格结构，通常将平板型的空间网格结构称为网架，将曲面型的空间网格结构简称为网壳。网架结构是一种空间网格结构体系，所有杆件均按照空间受力体系工作，传力途径简洁，具有重量轻、刚度大、整体性好、抗震性能强等优点。

管桁架结构与网架结构相比，省去了下弦纵向杆件和球节点，杆件间采用直接焊接的方式连接。最常见的空间管桁架是空间倒三角形管桁架，这种结构造型美观，线条流畅，安装方便，同时具有良好的自稳定性，还可满足各种不同建筑造型的要求，尤其是构筑圆拱和任意曲线形状比网架结构更有优势。

换流站阀厅作为工业建筑，对建筑外形并无特别要求，良好的空间受力性能和经济性，以及满足工艺需求是阀厅结构选型主要需要考的虑因素。

从空间受力性上来讲，网架结构类似板结构，空间整体性好，竖向荷载可沿双向、三向或者四向传递，内力分布较为均匀。而管桁架的空间受力本质上是梁受力体系，屋面竖向荷载集中在桁架梁上，杆件内力分布较为集中，在相同结构高度和荷载的情况下，管桁架弦杆及腹杆的截面规格要比网架大的多。

从用钢量方面来讲，用钢量受较多因素影响，如边界条件、建筑平面尺寸等，但一般而言，对于建筑长宽比较大的建筑，类似于单向板受力体系，采用于空间桁架结构较为经济，而建筑长宽比较小的建筑，类似于双向板采，用多向传力的均匀的网架结构更为经济，本工程阀厅长宽比接近1，显然更适合采用网架结构体系。

从屋盖结构功能出发，本工程阀厅大跨度屋盖不仅是空间上的围闭结构，也是单轨吊车及电气设备的承载结构，这就要求屋盖结构必须具备较大的竖向承载力和刚度，网架结构整体性好，内力分布均匀，结构整体刚度较大，而管桁架内力分布较为集中，相同结构高度的情况下刚度比网架要小。

经过上述分析可知，对于本工程建筑长宽比接近1的阀厅而言，网架结构体系在空间受力性能、用钢量、结构整体性及刚度方面更优，因此本工程阀厅屋盖确定采用网架结构体系。

网架结构可分交叉桁架体系和角锥体系两大类。对于平面形状为矩形且跨度超过60 m以上的大跨度屋盖，通常多采用刚度较大且受力均匀的正方四角锥和斜放四角锥网架^[6]。高端阀厅柱内净空尺寸为86.5 m×89.5 m，考虑格构柱本体尺寸后，网架平面尺寸初步按照90 m×90 m考虑；阀厅内部不设置竖向支撑结构，网架为周边支撑形式。

网架球节点主要分为焊接空心球连接和螺栓球连接，如图3、图4所示。

Figure 3.  Welded hollow spherical joints

Figure 4.  Bolt-sphere joints

焊接空心球节点的优点是构造和制造均较简单，球体外形美观具万向性，节点制作费较低；缺点是节点与钢管交界处应力集中，且焊接球节点均在现场焊接，需要非常大的焊接工作量，安装工期久，且在多数情况下，大型工件焊接时不能翻身，对焊接要求高且难度大，焊接质量不宜控制。

当节点处连接杆件轴力均小于1 MN，且满足构造要求的球节点直径不大于300 mm时，可采用螺栓球节点^[7]。螺栓球节点优点是制作精度由工厂保证，现场转配快捷工期短，拆装方便；缺点是制作费用比焊接球节点高；此外结合面处需进行密封防腐处理，特别在南方地区应重视防腐。

焊接空心球节点和螺栓球节点各有优劣，总体而言，焊接球节点适应性好，承载力高，而螺栓球节点现场焊接工作量少，施工速度快。柔性直流换流站中通常有高、低端阀厅共4座，若全采用焊接空心球节点，则焊接安装工作量非常大，相比之下螺栓球节点在缩短工期方面具有明显优势。为节约工期，本工程网架节点优先采用螺栓球节点，仅当个别部位杆件内力过大或螺栓球构造不满足要求时，才采用焊接空心球节点。

网架高度是网架选型的关键点之一。平板型网架的力学模型可等效成一块考虑剪切变形的夹层板，为了保证必要的刚度，网架的高度随跨度L的增加而增大，网架高度既是控制网架变形的主要因素，同时也影响着网架杆件内力的大小，相应也影响着网架节点形式的选取。一般来说网架高度越高，网架刚度就越大，杆件受力越小，但是并非越高越好，网架高度太高一方面会增加施工安装的难度，另一方面由于杆件长细比增加导致杆件截面加大，最终反而可能导致网架用钢量增加。因此合理的网架高度应该是在满足承载力和变形要求的前提下，尽量减小网架杆件数量和用钢量，通常采用试算法来确定合理的网架高度。

根据《空间网格结构设计技术规程》(JGJ 7—2010)，一般平板网架的高度取其跨度的1/10～1/18。由于本工程阀厅跨度达到90 m且悬挂较大荷载，如采用常规的双层网架，则杆件长度基本都在7～9 m之间。网架的轴力杆中，压杆的长细比起控制作用，杆件截面会很大，相应的也会导致球节点直径加大，用钢量会增加，因此本工程网架考虑采用三层网架，可将腹杆长度减小一半，相应也减小了杆件截面和球节点大小^[8]。

考虑到正方四角锥和斜放四角锥两种布置形式受力特性不同，杆件内力传递与分布存在差异，因此需对这两种网格形式均进行试算，在相同边界条件下按照不同网架高度和网格尺寸，分别计算两种网格形式的杆件内力、跨中挠度和用钢量，最终对比确定最为合理的网架形式。

正方四角锥和斜放四角锥三层网架均由上弦杆、中弦杆、下弦杆以及上腹杆和下腹杆组成。由于屋面跨度太大，屋面排水如采用小立柱找坡，小立柱高度会超过2 m，很容易失稳，故考虑采用网架变高度找坡，上弦和中弦间变高度，中弦和下弦间等高度。网架支座设置在中弦层上，支座沿四周均匀布置。试算时荷载考虑阀厅屋面附加恒荷载、屋面活荷载、设备吊点以及吊车荷载。计算模型和计算结果分别如图5、图6和表1、表2所示。

Figure 5.  Orthogonal pyramid three layer space gird

Figure 6.  Diagonal pyramid three layer space gird

通过对比表1和表2可以看出：

1)斜放四角锥三层网架比正放四角锥三层网架刚度大，在相同的荷载及支撑条件下，斜放四角锥三层网架跨中挠度较小。阀厅屋盖挠度按照1/400控制，跨中最大挠度允许值为225 mm，在不考虑预起拱的情况下，正放四角锥网架要8 m高才能满足挠度要求，斜放四角锥网架高度大于6.8 m时即可满足挠度要求。

2)斜放四角锥三层网架受力较为均匀，跨中弦杆内力相对较小，弦杆最大内力出现在对角线及靠近支座位置，相应的焊接球节点主要分布在对角线及支座附近；而正放四角锥网架跨中弦杆受力较大，螺栓球节点主要集中在跨中。

3)相同网架高度下，斜放四角锥三层网架焊接球节点较少，在跨中高度7.6 m时，采用斜放四角锥网架仅有12个焊接球节点，而同样高度下，正放四角锥网架要130个焊接球节点。

4)随着网架高度增加，网架用钢量变化不大，且正放四角锥网架和斜放四角锥网架用钢量也基本相同，说明在一定范围内增加网架高度并不能显著节省用钢量。

5)综合而言，斜放四角锥受力更为合理，刚度较大，并且焊接球节点数量较少，因此本工程阀厅屋盖采用斜放四角锥三层网架。

采用选定的三层斜放四角锥网架进行整体模型计算。阀厅屋盖平面尺寸90 m×90 m，考虑到试算过程中网架边界条件较为理想，且未考虑温度、地震等作用，因此实际选用的斜放四角锥三层网架高度按照跨中4 m＋3.5 m＝7.5 m，端部2.2 m＋3.5 m ＝5.7 m考虑，网架支座设置在下弦平面，下弦标高39.7 m。

阀厅东西两侧采用四肢钢管格构柱，柱距11.25 m，柱顶设置网架支座，格构柱四肢中心距1.2 m×2.5 m。直流场侧由于套管电气距离要求，只能采用双肢格构柱，双肢间距1.5 m。双肢格构柱柱顶设置矩形刚性托梁，在托梁上设置网架支座。

钢柱从下到上设置4道水平刚性杆件，水平系杆采用平面桁架，两端与钢柱铰接。在东、西侧钢柱中间部位设置两道X型交叉支撑，柱间支撑采用平面桁架，两端与钢柱铰接。

网架与防火墙、直流场侧托梁的连接采用板式橡胶支座，与东西侧钢柱柱顶连接采用普通平板支座。阀厅整体模型如图7所示。

Figure 7.  Calculation model of high-voltage valve hall

构件约束及边界条件：网架结构均采用热轧无缝钢管，各杆件之间全部铰接。网架与东西侧钢柱采用铰接连接。钢柱间刚性系杆，交叉支撑均与钢柱铰接。桁架柱支管底部按照刚接考虑。

网架与防火墙、直流场侧支座采用板式橡胶支座，橡胶支座尺寸选为400 mm×400 mm×49 mm，橡胶支座水平刚度3.278 kN/mm，竖向刚度1 913.8 kN/mm，竖向承载力约1.521 MN。

整体模型采用整体有限元软件计算分析。

高端阀厅整体模型计算结果如表3所示，其中网架屋盖的内力、挠度及前三阶振型及周期如图8，图9，图10，图11所示。

Figure 8.  Deflection figure

Figure 9.  The first modal T₁＝1.720 s

Figure 10.  The second modal T₂＝0.804 s

Figure 11.  The third modal T₃＝0.714 s

依托乌东德直流输电工程，本文对特高压柔性直流阀厅屋盖进行了结构选型与优化设计，得到以下结论和建议：

1)根据柔性直流大跨度阀厅的特点，通过对网架结构体系和管桁架体系的特性进行对比可知，网架结构体系在空间受力性能、用钢量、结构整体性及刚度方面较管桁架体系更优。

2)对于跨度达90 m的柔直阀厅屋盖，采用双层网架杆件长细比较大，采用三层网架可减小杆件计算长度，相应可减小杆件截面尺寸和球节点大小，节约用钢量的同时还可降低施工难度。网架采用优先采用螺栓球节点，仅在内力较大或构造不满足时采用焊接球节点，能够节约工期和降低现场施工难度。

3)试算结果表明，在同等高度情况下，斜放四角锥网架受力性能和刚度优于正方四角网架，并且焊接球节点数量较少，因此本工程阀厅屋盖采用斜放四角锥三层网架。整体模型计算表明，优化设计后的网架屋盖用钢量仅为57 kg/m²，具有良好的经济性。