河南省大隶营变电站变电构架结构模态分析

河南省大隶营变电站变电构架结构模态分析

1高型变电站结构分析昭营水电站位于河南省新余市东北部，是河南省电网的中心车站。该变电站内分别布置有220kV和110kV高型变电构架,其中220kV变电构架采用的是高型布置的结构形式。高型布置的变电构架与现在常见的变电构架形式有较大的区别,其结构形式如图1所示,这种结构形式在上世纪70年代的变电站建设中被广泛采用。高型变电构架虽然具有结构整体性好,上人检修方便的优点,但同时由于结构复杂,结构构件多种多样,分析起来也较为复杂。变电站和输变电线路属于十分重要的生命线工程,一旦变电站中变电构架发生严重震害,不仅将对电力部门造成严重的损失,同时也将会引起非常严重的次生灾害。据不完全统计,我国2003年已发生5.0级以上地震20多次。大召营变电站位于河南省的强地震区,该变电站自竣工投入运行至今已有20多年的时间,结合电力系统的维修改造,需对该变电站的变电构架进行现状分析。结合这项工作,本文通过变电构架的动力特性分析,可以了解大召营变电站高型变电构架的动力特性,进一步可以了解这类结构的整体特性,这对于该变电构架形式的抗震性能分析,结构的维护及加固改造都具有指导意义。2大召营变电站大召营变电站220kV高型变电构架长轴方向轴线长75m,共5跨;短轴方向宽52m,分3跨。结构顶部标高为25.120m(不含避雷针),上人检修走道板将结构分为两层。在底层,主要由钢筋混凝土桁架梁承担走道板传递的竖向荷载;顶层中,主要由格构式钢梁承受导线水平和竖向的张力。柱子采用钢筋混凝土环形杆的形式,通常是2或3根环形杆排列在一起以获得更大的抗侧移能力。梁直接搁置在柱顶,通过必要的构造措施约束其平动,而对转动的限制较弱,因此梁柱节点可以视为铰接方式。基础采用柱下独立基础,结构布置见如图1。110KV变电构架相对规模较小,连接简单,本文不做讨论。大召营变电站的变电构架形式虽然是该变电站所特有,但属于在我国一定时期偏向于建设的高型变电构架,在国内还有一定数量的变电站变电构架所采用的结构形式为高型变电构架结构形式。,这些高型变电构架的形式和布置基本一样,所以大召营变电构架的结构特性具有一定的共性。3变刚度计算方法由于高型变电构架结构布置较为复杂,构件的形式多样,为了能够较好地得到该类结构的自振特性,本文采用有限元软件ANSYS进行分析。该软件具有较强的模型建立功能、计算功能以及后处理功能。针对大召营高型变电构架的实际情况,文中对于变电构架的柱子采用三维管单元(PIPE16);格构式钢梁通过计算得出其横截面面积、惯性矩等几何参数,用等代梁代替,并采用三维空间梁单元(BEAM4)进行模拟;钢筋混凝土桁架梁及结构的支撑构件采用三维空间梁单元(BEAM44),对于钢筋拉杆单元采用的是了拉索单元(LINK10),该单元只能承受拉力。变电构架所建立的变电构架模型如图1所示:4自振特性分析为了求出变电构架结构的自然频率和振型,采用子空间迭代方法进行结构的模态分析。由于子空间迭代方法运用雅可比迭代的运算法则,并采用完全的刚度和质量矩阵,因此这种方法是相对比较精确,但计算速度相对较慢。在一般情况下,结构的前几阶自振频率和振型对结构起控制作用,因此,计算所取结构的模态数量为15。通过计算,高型变电构架的前15个模态的自然频率如表1所示,同时文中还给出了结构的前六阶振型图,分别如图2～图7所示。通过对高型变电构架结构体系的前15阶自振频率和振型(如表1所示)以及图2～图7所示的前6阶结构振型图的分析,可以看出,高型变电构架有下列的一些特点:(1)高型变电构架从结构形式上为空间刚架结构,但由于在各层基本没有楼板,仅用连接刚度相对较差的连接节点连接,因此,表现出结构的整体刚度较弱。在自振特性中,前几阶的振动有较多表现出局部振动的特点。如在前6阶振型图中,均表现有局部振动变形。在第6阶振型之后也有一定的局部振动特征。(2)结构的第1阶振型为纵向变形,说明结构在纵向的刚度相对较弱。但其振动变形并不表现为整体结构的纵向变形,振型图中具体表现为中间部分的两榀刚架有较大的变形。说明结构沿纵向的各榀框架的侧向刚度不均匀,两侧边框架的刚度相对较大,而中间两榀自重较大,同时侧向刚度较弱。这是由于这种高型构架在两侧边刚架是与外部导线相连,需要考虑导线的张拉作用,所以两侧边刚架的刚度表现为较大。(3)结构的横向刚度总体上要大于结构的纵向刚度,虽然在第2阶振型中已经表现有横向振动的变形,但这种变形是局部性的,并不表现为整体的横向振动。直到第6阶振型,才表现出有横向变形的特点。这是由于在结构的横向,一般跨度较小。(4)在第4阶振型中,表现出结构整体的扭转变形,在扭转变形中也有局部变形的特点。说明结构的整体抗扭性能并不好,这种结构在刚架的纵向和横向之间缺少相互间的连接。(5)在结构的前15阶振型中没有反映结构竖向振动的特点。这是由于结构自重较轻,结构的竖向刚度相对并不弱,所以也不易发生竖向振动。这就能够体现出钢结构具有自重轻、刚度大的特点。(6)中部桁架梁组成的平面刚度较大,而上部格构式钢梁组成的平面刚度较小,因此振动容易发生在上部结构。(7)结构振型的第2、3阶,9、10阶,12、13阶,14、15阶自振频率的大小接近数值基本相等,表现除为整个结构的空间接近对称的特点。而各阶的自振频率相差不大,从第1阶1.2551Hz到第15阶2.3642Hz,相差不大。,但结构并不对称,所以自振频率并不是对称排序。这在一定程度上也说明这种结构形式实际的整体性并不好,但各个方向刚度相差不大。结构的第1振型的自振频率为1.2551Hz,则结构自振周期为0.797s,可见结构的总体刚度相对不大。这也是由这种结构的自身联系较弱的特点所决定的。高型变电构架从本身的受力特点来看,构架所受的外部作用较小。竖向荷载主要是结构及设备的自重,而设备的自重一般较小。水平荷载包括风和地震作用,以及导线所产生的张力。由于构架本身比较露空,结构自重也很小,所以,风和地震作用一般均不是很大。因此,变电构架主要承受导线张力的作用。而高型构架体系具有整体性,对于抵抗导线张力是有利的。正是由于高型变电构架的这种特点和工艺要求,造成了高型变电构架上述的动力特征。5局部振动的杆件连接方式选择通过对大召营高型变电构架的模态分析,得到了该结构自振频率和振型特征,从而对结构的刚度特点和抗震薄弱环节有了较为清晰的认识。该变电构架整体刚度较小,且横向刚度要高于纵向刚度,而结构有可能承受纵向的荷载,因此这种结构的在纵向可能为其薄弱环节。结构的振型多次出现局部振动的特征