余 萍，劉林超

（信陽師范學(xué)院土木工程學(xué)院，河南信陽464000）

換流站閥廳結(jié)構(gòu)抗震性能的 ANSYS計(jì)算機(jī)仿真分析

余 萍，劉林超

（信陽師范學(xué)院土木工程學(xué)院，河南信陽464000）

利用結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS對(duì)某換流站閥廳結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能分析，建立換流站閥廳結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算模型 ，進(jìn)行模態(tài)分析求解和四種地震波作用下時(shí)程分析對(duì)比，得到有益的結(jié)論，研究結(jié)果可供工程實(shí)際參考。

仿真分析；換流站閥廳結(jié)構(gòu)；抗震性能

從我國第一個(gè)直流工程“±500千伏葛州壩至上海直流輸電工程”到現(xiàn)在，經(jīng)過二十幾年的引進(jìn)、消化、吸收和應(yīng)用，近年來我國在換流站建設(shè)方面雖然取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是幾乎所有換流站的主控樓閥廳結(jié)構(gòu)都是由外方設(shè)計(jì)，有時(shí)甚至連其加工制造都是在國外完成，國家為此花費(fèi)了大量外匯。這種現(xiàn)狀與我國快速發(fā)展的土建設(shè)計(jì)技術(shù)是不匹配的，另外在已建換流站的閥廳結(jié)構(gòu)中，ABB和SIMES公司的做法也有一些不同，為了更深入的吸收和消化他們的設(shè)計(jì)理念，并為我國所用，同時(shí)隨著換流設(shè)備的國產(chǎn)化率的不斷提高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也要加快國產(chǎn)化的進(jìn)程，必須在換流站的閥廳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行研究，尤其對(duì)于閥廳結(jié)構(gòu)抗震性能的研究必須更加重視［1］。

目前我國對(duì)換流站閥廳結(jié)構(gòu)的研究還沒有現(xiàn)成的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［2］可用，僅有一些國外的參考資料［3－6］作為借鑒 ，國內(nèi)相關(guān)研究［7－9］也主要是針對(duì)閥塔掛上之前結(jié)構(gòu)的振動(dòng)進(jìn)行的分析，而閥塔掛上之后的研究相對(duì)很少［10］，由于閥塔掛上前與掛上后的實(shí)際工作狀態(tài)相差情況目前還不明確，則需要針對(duì)閥塔掛上后的情況進(jìn)行專門研究。因此，論文為了能較實(shí)際地反映地震應(yīng)力，運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS建立有限元模型，對(duì)單榀簡(jiǎn)化模型進(jìn)行了100 gal的廣州波、El－centro波、蘭州波和天津波四種地震波作用下的時(shí)程分析，全面了解閥廳結(jié)構(gòu)抗震性能。

1 工程概況

圖1為深圳某換流站閥廳平面布置 ，主要結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土剪力墻－鋼框架結(jié)構(gòu)。其軸③剖面如圖2所示。由于工藝要求，F(xiàn)軸結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土防火墻，其力學(xué)特點(diǎn)類似于鋼筋混凝土剪力墻 ，厚380mm；軸A結(jié)構(gòu)和屋架為鋼結(jié)構(gòu)，軸A上的柱為鋼柱（HW 400×400×13×21）。閥塔及其相關(guān)設(shè)備通過懸索懸掛于水平的鋼梁上，閥塔共有6層，層與層之間由懸索連接，整個(gè)閥廳結(jié)構(gòu)共有6個(gè)閥塔，每個(gè)閥塔（6層）重120 kN，屋面荷載取0.15 kN／m2［11］。

圖1 換流站閥廳結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖2 換流站閥廳結(jié)構(gòu)剖面圖

2 計(jì)算模型

現(xiàn)已建成的閥廳結(jié)構(gòu)均是鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的組合體。閥塔及其相關(guān)設(shè)備通過吊桿懸掛于水平的鋼梁上，結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，閥塔會(huì)伴隨著結(jié)構(gòu)的振動(dòng)而產(chǎn)生晃動(dòng)，而閥塔的晃動(dòng)又將對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)產(chǎn)生影響，整體結(jié)構(gòu)響應(yīng)的分析較為復(fù)雜。為了突出懸掛閥塔對(duì)閥廳結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)作用這一關(guān)鍵問題，論文選取圖1閥廳結(jié)構(gòu)的單榀為研究對(duì)象，建立圖3所示的ANSYS有限元單元模型。利用ANSYS對(duì)四種典型地震波作用下懸掛閥塔前后閥廳結(jié)構(gòu)的橫向地震進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析，全面了解懸掛閥塔對(duì)閥廳結(jié)構(gòu)抗震特性的影響。

3 ANSYS仿真分析

3.1 ANSYS功能簡(jiǎn)介

ANSYS軟件的功能強(qiáng)大，主要有基本功能和高級(jí)功能之分?；竟δ馨航Y(jié)構(gòu)靜力分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)非線性分析、動(dòng)力學(xué)分析、熱分析、電磁場(chǎng)分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析。高級(jí)功能包括：多物理場(chǎng)耦合分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、拓?fù)鋬?yōu)化、單元生死、用戶可擴(kuò)展功能（UPF）［12－13］。

圖3 閥廳單元模型

ANSYS軟件是一種大型通用的有限元分析軟件［14－15］，界面直觀 ，為用戶提供了強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，直接建模與實(shí)體建模相結(jié)合，能對(duì)各種物理場(chǎng)量進(jìn)行分析。結(jié)構(gòu)分析中可進(jìn)行線性、非線性結(jié)構(gòu)靜力分析，結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析（包括模態(tài)、諧波響應(yīng)、瞬態(tài)動(dòng)力響應(yīng)、譜、隨機(jī)振動(dòng)等分析），幾何、材料、邊界和單元非線性分析，斷裂力學(xué)分析，復(fù)合材料分析，疲勞及壽命估算分析等。前、后處理及求解階段緊密結(jié)合，可以進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、變形顯示及各種動(dòng)畫顯示等。通過ANSYS仿真試驗(yàn)，可以克服動(dòng)力試驗(yàn)觀測(cè)難、重復(fù)難，費(fèi)用高的不足，還可以得到實(shí)驗(yàn)室無法真實(shí)再現(xiàn)的試驗(yàn)現(xiàn)象［16］。

3.2 地震波的選擇

在地震作用下分析懸掛閥塔前后對(duì)閥廳結(jié)構(gòu)的效應(yīng)，對(duì)圖3閥廳單元模型沿橫向即圖1軸③進(jìn)行分析。為了能較真實(shí)地模擬不同種場(chǎng)地選了廣州波、El－centro波、蘭州波和天津波四種地震波。

3.3 不同地震波作用下模型地震響應(yīng)仿真分析

荷載采用峰值100 gal的廣州波、El－centro波、蘭州波和天津波四種加速度地震波作用下的時(shí)程分析。利用ANSYS軟件進(jìn)行地震波瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析圖3中433＃節(jié)點(diǎn)在四種地震波作用下，結(jié)構(gòu)懸掛閥塔前后433＃節(jié)點(diǎn)水平位移時(shí)程曲線見圖4至圖7，水平位移最大值的對(duì)比見表1，鋼柱內(nèi)力時(shí)程曲線見圖8～圖15，時(shí)程曲線中的位移或內(nèi)力值以及圖表中的位移或內(nèi)力值均為僅有地震作用所產(chǎn)生的數(shù)值，不包括恒載、活載等其他荷載的作用效應(yīng)，但考慮了恒載、活載的質(zhì)量效應(yīng)，鋼柱內(nèi)力最大值對(duì)比見表2和表3。

圖4 廣州波作用下結(jié)構(gòu)模型433＃節(jié)點(diǎn)水平位移時(shí)程圖

圖5 El－centro波作用下結(jié)構(gòu)模型433＃節(jié)點(diǎn)水平位移時(shí)程圖

圖6 蘭州波作用下結(jié)構(gòu)模型433＃節(jié)點(diǎn)水平位移時(shí)程圖

圖7 天津波作用下結(jié)構(gòu)模型433＃節(jié)點(diǎn)水平位移時(shí)程圖

表1 有無閥塔433＃節(jié)點(diǎn)水平位移最大值對(duì)比

由時(shí)程曲線圖4～圖7和表1可知：閥廳結(jié)構(gòu)懸掛閥塔前后的地震時(shí)程分析的433＃節(jié)點(diǎn)水平位移變化不大，柱頂位移的變化為 －0.81% ～4.63%（負(fù)值表示加閥后，位移有所加大），變化幅度因場(chǎng)地地震波的不同，存在一定的差異。

圖8 廣州波作用下結(jié)構(gòu)懸掛閥塔前后鋼柱頂部剪力時(shí)程圖

圖9 El－centro 波作用下結(jié)構(gòu)懸掛閥塔前后鋼柱頂部剪力時(shí)程圖

圖10 蘭州波作用下結(jié)構(gòu)懸掛閥塔前后鋼柱頂部剪力時(shí)程圖

表2 鋼柱剪力最大值對(duì)比

圖12 廣州波作用下結(jié)構(gòu)懸掛閥塔前后鋼柱頂部軸力時(shí)程圖

圖13 El－centro波作用下結(jié)構(gòu)懸掛閥塔前后鋼柱頂部軸力時(shí)程

圖14 蘭州波作用下結(jié)構(gòu)懸掛閥塔前后鋼柱頂部軸力時(shí)程圖

圖15 天津波作用下結(jié)構(gòu)懸掛閥塔前后鋼柱頂部軸力時(shí)程圖

表3 鋼柱軸力最大值對(duì)比

由時(shí)程曲線圖8～圖15和表2和表3可知：結(jié)構(gòu)懸掛閥塔之后，在水平地震作用下鋼柱最大軸壓力有所增大，增大值不超過21%。鋼柱的最大剪力在不同地震波作用下的相對(duì)變化量從 －5.08%到2.19% ，但是絕對(duì)變化量最大值有51.43 N，而靜力作用下鋼柱剪力有4 200 N。地震作用下結(jié)構(gòu)有無閥塔鋼柱剪力變化量占鋼柱總剪力的1.22%，故可以忽略閥塔對(duì)鋼柱剪力的影響。

4 結(jié) 論

（1）采用ANSYS軟件可以簡(jiǎn)化有限元模型，能較好地模擬閥廳結(jié)構(gòu)抗震性能，時(shí)程曲線圖直觀，計(jì)算簡(jiǎn)捷。軟件的應(yīng)用能提高專業(yè)人員對(duì)閥廳結(jié)構(gòu)計(jì)算的能力，并為今后閥廳結(jié)構(gòu)抗震能力分析奠定了基礎(chǔ)。

（2）通過仿真分析，分析模型符合實(shí)際受力情況，在7度設(shè)防烈度地震四種地震波作用下閥廳結(jié)構(gòu)有限元模型在掛閥前后，柱頂位移影響不大，鋼柱內(nèi)力影響也不十分顯著，在不同的地震波下存在差別，分析結(jié)果為全面了解換流站閥廳結(jié)構(gòu)抗震特性的研究提供理論參考。

［1］ 黃利軍.閥廳結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測(cè)試與非線性動(dòng)力分析研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

［2］ 中華人民共和國建設(shè)部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB50011－2001.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.

［3］ Goodno B J，Gere JM.Analysis of shear cores using superelements［J］.Journalof the StructuralDivision，1976，102（1）：267－283.

［4］ Goodno B J，Gere JM.Earthquake behavior of suspended floor buildings［J］.Journalof the StructuralDivision，1976，102（5）：973－992.

［5］ Nikolaenko N A，Burgman IN.Earthquake Resistance of Structureswith Suspended Masses［C］／／Proceedings of 5th International Symposium Earthquake Structural Engineering，Misiiouri，USA：University Missouri，1976.

［6］ ChaiW，F(xiàn)engM Q.Vibration control of super tall buildings subjected towind loads［J］.International Journalof Non－LinearMechanics，1997，32（4）：657－668.

［7］ 李宏男 .擺一結(jié)構(gòu)體系減震性能研究［J］.工程力學(xué) ，1996，13（3）：123－129.

［8］ 李宏男，孫玉良 .工程結(jié)構(gòu)利用懸吊擺的振動(dòng)控制［J］.地震工程與工程振動(dòng)，1996，16（3）：61－71.

［9］ 李宏男，宋本有.高層建筑利用懸吊質(zhì)量擺的減震研究［J］.地震工程與工程振動(dòng)，1995，15（4）：54－61.

［10］ 余 萍.懸吊質(zhì)量體系結(jié)構(gòu)地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué) ，2008.

［11］ 魏文暉，周興樂，胡孝平.換流站閥廳結(jié)構(gòu)地震效應(yīng)動(dòng)力分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2010，（3）：75－77.

［12］ 陳精一，蔡國忠.電腦輔助工程分析ANSYS使用指南［M］.北京：中國鐵道出版社，2001.

［13］ ANSYS.Inc，ANSYS Elements Reference［M］.Eleventh Edition，SAS，IP Inc，2001.

［14］ Madenci E，Cuven I.The Finite ElementMethod and Applications in Engineering Using ANSYS［M］.New York：Springer，2007.

［15］ Nakasone Y，Yoshimoto S，Stolarski T A.Engineering Analysiswith ANSYSSoftware［M］.Oxford；Boston，MA：Butterworth—Heinemann，2006.

［16］ 譚建國.使用ANSYS 6.0進(jìn)行有限元分析［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2002.

Analyzing the Earthquake Performance of Inverter Station Valve Hall by ANSYS

YU Ping，LIU Lin－Chao
（School of Civil Engineering，Xinyang Normal College，Xinyang，Henan 464000，China）

The aseismic performanceofa inverter station valvehallwasanalyzed by using structuralanalysissoftware ANSYS，based onwhich the finite elementmodelof the inverter station valve hallwas established.The solution of themodal analysis and dynamic time history analysis under four kinds of seismic waveswere carried out to get beneficial conclusions.This research result is referential to practical engineering of inverter station valve halls.

simulation analysis；inverter station valve hall；aseismic performance

TU399

A

1672—1144（2014）04—0196—04

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.04.039

2014－03－11

2014－04－03

河南省軟科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（122400450336）；信陽師范學(xué)院校青年基金項(xiàng)目（2012－23）

余 萍（1975—），女 ，河南信陽人 ，碩士 ，講師 ，主要從事結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)與研究工作。