(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071)

0 引言

地震其具有突發(fā)性和破壞力大的特點(diǎn)，根據(jù)以往震害調(diào)研，在強(qiáng)震作用下變電站、換流站建構(gòu)筑物均產(chǎn)生不同程度的損壞[1-2]。重要的電力設(shè)施屬于生命線工程，根據(jù)GB 50260—2013《電力設(shè)施抗震規(guī)范》[3]中1.0.4和1.0.5條的規(guī)定、GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2016年版)》[4]、《生命線地震工程導(dǎo)論》[5]以及《生命線地震工程》[6]對(duì)生命線工程抗震性能化設(shè)計(jì)要求，對(duì)于電壓等級(jí)110 kV～750 kV變電站以及電壓等級(jí)為±660 kV及以下?lián)Q流站內(nèi)的建(構(gòu))筑物可劃分為以下3個(gè)性能等級(jí)，如表1所示[7]。

表1 變電站及換流站內(nèi)建(構(gòu))筑物抗震性能等級(jí)

±1 100 kV閥廳是±1 100 kV特高壓換流站內(nèi)最核心的建筑物。與低電壓等級(jí)的閥廳相比，±1 100 kV閥廳的軸線尺寸更大、高度更高、換流閥重量更重，其在高烈度地震作用下，所產(chǎn)生的地震力和位移將遠(yuǎn)大于其他電壓等級(jí)較低的閥廳。±1 100 kV閥廳地震中如遭遇損傷，將直接造成更為重大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也將影響地震后的抗震救災(zāi)工作。因此建議±1 100 kV閥廳抗震性能目標(biāo)定為性能1，推薦其抗震性能目標(biāo)參數(shù)不低于表2要求。

表2 ±1 100 kV閥廳結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

本文主要對(duì)±1 100 kV閥廳(以下簡(jiǎn)稱“閥廳”)鋼結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)件分別采用普通支撐以及屈曲約束支撐時(shí)的抗震性能進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)比達(dá)到抗震性能為性能1時(shí)兩者的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

1 工程概況

本文以昌吉—古泉±1 100 kV輸電工程古泉換流站高端閥廳為研究對(duì)象，該±1 100 kV換流站閥廳軸線尺寸為118.5 m×45.65 m，屋架下弦標(biāo)高為34.45 m?！? 100 kV高端閥廳采用全鋼結(jié)構(gòu)方案，即鋼柱+鋼屋蓋的結(jié)構(gòu)型式，換流變鋼筋混凝土防火墻與閥廳鋼結(jié)構(gòu)柱脫開(kāi)布置，體型相對(duì)較規(guī)整，地震作用下不容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，主體結(jié)構(gòu)受力性能更好，更利于抗震。在該結(jié)構(gòu)方案中，鋼排架柱主要作為承重構(gòu)件，結(jié)構(gòu)水平剛度主要由支撐承擔(dān)，如圖1所示，其中X向?yàn)槎踢叿较?，Y向?yàn)殚L(zhǎng)邊方向。

圖1 ±1 100 kV閥廳計(jì)算模型示意圖

結(jié)合在建和已建的換流站站址所對(duì)應(yīng)的抗震設(shè)防烈度，本文分析采用的抗震設(shè)防烈度為8度，所對(duì)應(yīng)的設(shè)防地震加速度峰值為0.30g，相應(yīng)的多遇地震和罕遇地震對(duì)應(yīng)的地震加速度峰值分別為0.07g和0.51g，同時(shí)計(jì)算8度(0.20g)罕遇地震工況，分析普通鋼支撐的屈曲情況，具體如表3所示。

表3 時(shí)程分析特征周期及地震加速度峰值

2 屈曲約束支撐及其工作原理

屈曲約束支撐也稱為防屈曲支撐，一般由內(nèi)核單元、外部約束單元及滑移機(jī)制單元組成。其斷面型式有很多，包括一字型、十字型、工字型等等。屈曲約束支撐承受的力多由內(nèi)核單元來(lái)承擔(dān)，屈曲約束支撐在承擔(dān)軸向力的過(guò)程中，其屈服耗能工作主要由內(nèi)核單元中的屈服段部分承擔(dān)，約束單元能夠保證內(nèi)核單元在承受軸壓力時(shí)不發(fā)生屈曲失穩(wěn)。因此防屈曲支撐比普通支撐具有更穩(wěn)定的力學(xué)表現(xiàn)，其滯回曲線也更飽滿，可以更好地吸收地震能量。

屈曲約束支撐的發(fā)明解決了普通鋼支撐的失穩(wěn)破壞的問(wèn)題，使鋼結(jié)構(gòu)支撐在受拉和受壓時(shí)候性能一致(如圖2所示)，從而大大提高了鋼材的利用率。同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)件采用屈曲約束支撐時(shí)，支撐成為結(jié)構(gòu)的耗能元件，起到結(jié)構(gòu)“保險(xiǎn)絲”的作用。屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)延性好，耗能能力強(qiáng)，且屈曲約束支撐施工方法與普通鋼結(jié)構(gòu)支撐相同，施工進(jìn)度快，質(zhì)量可靠[8]。

圖2 屈曲約束支撐與普通支撐滯回曲線對(duì)比

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

3.1 計(jì)算模型及工況

為對(duì)比普通鋼支撐以及屈曲約束支撐構(gòu)件的抗震性能及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，本文對(duì)閥廳鋼結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)件分別為普通鋼支撐、加強(qiáng)普通鋼支撐以及屈曲約束支撐時(shí)，采用大型有限元分析軟件SAP200進(jìn)行彈性及彈塑性時(shí)程分析，其中加強(qiáng)的普通鋼支撐方案只計(jì)算8度(0.30g)罕遇地震工況。支撐布置遵循“均勻、分散、對(duì)稱”的原則，均勻布置在結(jié)構(gòu)四周。SAP2000模型如圖1所示，具體計(jì)算工況見(jiàn)表4。

表4 閥廳計(jì)算分析工況

3.2 地震波的選擇

按GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2016年版)》[4]要求，該結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算應(yīng)采用動(dòng)力時(shí)程分析法，且動(dòng)力時(shí)程分析應(yīng)按建筑場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組選用不少于2組實(shí)際強(qiáng)震記錄 (Chi-Chi，Taiwan-02；Chi-Chi，Taiwan-05)和1組人工波(A1)的加速度時(shí)程曲線，其中人工波A1如圖3所示。

圖3 分析所用的地震波［8度(0.30g)罕遇地震人工波］

4 結(jié)構(gòu)時(shí)程分析結(jié)果對(duì)比

4.1 8度(0.30g)多遇地震

屈曲約束支撐8度(0.30g)多遇地震下尚未進(jìn)入耗能階段，采用等效支撐剛度來(lái)模擬屈曲約束支撐的彈性剛度，即屈曲約束支撐方案和普通支撐方案在8度(0.30g)多遇地震下的支撐截面剛度一致。8度(0.30g)多遇地震下，時(shí)程分析所得閥廳層間位移角包絡(luò)值見(jiàn)表5。

表5 8度(0.30g)多遇地震層間位移角(包絡(luò)值)1/rad

由表5可知，支撐構(gòu)件為屈曲約束支撐方案和普通支撐方案時(shí)在8度(0.30g)多遇地震下X，Y向?qū)娱g位移角均滿足抗震性能目標(biāo)1中有關(guān)層間位移角的要求。

4.2 罕遇地震

屈曲約束支撐8度(0.30g)罕遇地震下進(jìn)入塑性耗能階段，因此在SAP2000中，采用軸力鉸模擬屈曲約束支撐。對(duì)于閥廳結(jié)構(gòu)的排架柱、系桿以及普通支撐(含加強(qiáng)方案的相關(guān)構(gòu)件)，在8度(0.20g)罕遇地震以及8度(0.30g)罕遇地震均定義塑性鉸。

為了分析結(jié)構(gòu)在不同地震波、不同地震輸入方向作用下結(jié)構(gòu)的彈塑性性能，對(duì)閥廳結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行X，Y向地震輸入作用下的彈塑性時(shí)程分析，得出閥廳主體鋼結(jié)構(gòu)在8度(0.20g)罕遇地震以及8度(0.30g)罕遇地震下的位移及塑性鉸分布的響應(yīng)結(jié)果。普通鋼支撐方案、加強(qiáng)普通鋼支撐方案以及屈曲約束支撐方案的支撐構(gòu)件與鋼柱在Y方向罕遇地震下最終塑性鉸分布狀態(tài)如圖4～圖5，典型屈曲約束支撐構(gòu)件內(nèi)力—變形曲線見(jiàn)圖5(d)。三種鋼結(jié)構(gòu)支撐方案在罕遇地震下層間位移角包絡(luò)值見(jiàn)表6。

圖4 Y方向構(gòu)件塑性鉸分布[8度(0.20g)罕遇地震]

圖5 Y方向構(gòu)件塑性鉸分布及內(nèi)力—變形曲線[8度(0.30g)罕遇地震]

表6 罕遇地震層間位移角(包絡(luò)值)1/rad

從閥廳鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件塑性鉸分布(圖4～圖5)以及罕遇地震層間位移角的大小(表6)分析對(duì)比得出：

1)普通支撐方案在8度(0.20g)罕遇地震作用下，閥廳層間位移角包絡(luò)值達(dá)到1/65，滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]所規(guī)定的彈塑性層間位移角1/50的限值，大多數(shù)支撐構(gòu)件出現(xiàn)塑性鉸，部分塑性鉸處于C-D喪失承載力階段。結(jié)構(gòu)整體仍具有一定的承載能力，但是結(jié)構(gòu)整體變形超出實(shí)現(xiàn)抗震性能目標(biāo)1罕遇地震下本文所推薦得層間位移角(1/200)的要求。

2)普通支撐方案在8度(0.30g)罕遇地震作用下，閥廳層間位移角包絡(luò)值達(dá)到1/46，超出《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]所規(guī)定的彈塑性層間位移角1/50的限值，支撐構(gòu)件基本上均出現(xiàn)塑性鉸，同時(shí)大多數(shù)塑性鉸處于C-D喪失承載力階段。結(jié)構(gòu)整體已失去承載能力，破壞嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)整體變形遠(yuǎn)超實(shí)現(xiàn)抗震性能目標(biāo)1罕遇地震下本文所推薦得層間位移角(1/200)的要求。

3)加強(qiáng)普通支撐方案在8度(0.30g)罕遇地震作用下閥廳層間位移角包絡(luò)值為1/203。部分支撐構(gòu)件屈服，產(chǎn)生塑性鉸，但只有少量塑性鉸處于C-D喪失承載力階段，結(jié)構(gòu)整體承載力及剛度有所下降，但仍具有較大的剛度和承載能力，層間位移角可以滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]中“大震不倒”所規(guī)定的彈塑性層間位移角1/50的限值要求，也可實(shí)現(xiàn)抗震性能目標(biāo)1中對(duì)罕遇地震下本文推薦層間位移角(1/200)的要求。

4)屈曲約束支撐方案在8度(0.30g)罕遇地震作用下閥廳層間位移角包絡(luò)值為1/208。閥廳結(jié)構(gòu)構(gòu)件除屈曲約束支撐外，基本處于彈性階段。同時(shí)由典型的屈曲約束支撐構(gòu)件內(nèi)力—變形曲線可看出，其滯回曲線飽滿，比普通支撐具有更穩(wěn)定的力學(xué)表現(xiàn)，可以更好地吸收地震能量，在地震力的作用下屈曲約束支撐屈服耗能可以更好地起到保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的作用。此時(shí)閥廳層間位移角不僅可以滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]中“大震不倒”要求，而且滿足實(shí)現(xiàn)抗震性能目標(biāo)1中的相關(guān)要求。

5 不同支撐方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

本文所采用的加強(qiáng)普通支撐方案以及屈曲約束支撐方案均可達(dá)到抗震性能要求1層間位移角要求。由表7可看出，此時(shí)，屈曲約束支撐方案可節(jié)省造價(jià)374.05萬(wàn)元，相對(duì)節(jié)省主體鋼結(jié)構(gòu)總造價(jià)的27.8%。同時(shí)防屈曲支撐為位移型減震產(chǎn)品，無(wú)附加構(gòu)件，施工安裝方便，安裝方案與普通鋼支撐方案一致，因此高烈度地震地區(qū)閥廳以及類似閥廳的結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能化設(shè)計(jì)時(shí)，采用屈曲約束支撐方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均較為優(yōu)良。

表7 不同支撐方案經(jīng)濟(jì)對(duì)比

6 結(jié)論

本文首先依據(jù)《電力設(shè)施抗震規(guī)范》[3]中相關(guān)條文對(duì)電力設(shè)施抗震性能以及《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]抗震性能化設(shè)計(jì)的規(guī)定，給出±1 100 kV閥廳抗震性能目標(biāo)；其次對(duì)閥廳鋼結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)件分別采用普通支撐以及屈曲約束支撐時(shí)的抗震性能進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)比達(dá)到抗震性能目標(biāo)時(shí)的兩者經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，得出的主要結(jié)論如下：

1)±1 100 kV閥廳作為生命線工程中的核心建筑物，建議其抗震性能目標(biāo)定為性能1。

2)閥廳結(jié)構(gòu)在8度(0.30g)多遇地震作用下，屈曲約束支撐提供附加剛度，屈曲約束支撐方案和普通支撐方案結(jié)構(gòu)層間位移角為包絡(luò)值為1/664，滿足性能目標(biāo)1要求。

3)采用普通鋼支撐方案，在8度(0.20g)罕遇地震作用下，閥廳結(jié)構(gòu)層間位移角包絡(luò)值滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的彈塑性層間位移限值；在8度(0.30g)罕遇地震作用下，閥廳結(jié)構(gòu)層間位移角包絡(luò)值超出彈塑性層間位移限值；兩種情況下均無(wú)法實(shí)現(xiàn)抗震性能目標(biāo)1。

4)采用加強(qiáng)普通鋼支撐方案以及屈曲約束支撐方案，在8度(0.30g)罕遇地震作用下，閥廳結(jié)構(gòu)層間位移角包絡(luò)值分別為1/203以及1/208，均可以滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的彈塑性層間位移的限值，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)抗震性能目標(biāo)1。

5)8度(0.30g)罕遇地震作用下，閥廳結(jié)構(gòu)達(dá)到抗震性能目標(biāo)1時(shí)，在同等級(jí)位移角的情況下，屈曲約束支撐方案總體可節(jié)省造價(jià)27.8%；同時(shí)防屈曲支撐為位移型減震產(chǎn)品，無(wú)附加構(gòu)件，施工安裝方便，安裝方案與普通鋼支撐方案一致，便于現(xiàn)場(chǎng)施工。

6)屈曲約束支撐延性好、耗能能力強(qiáng)，閥廳支撐構(gòu)件采用屈曲約束支撐時(shí)，支撐成為結(jié)構(gòu)的耗能元件，起到結(jié)構(gòu)“保險(xiǎn)絲”的作用，使得閥廳整體結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，更有利于實(shí)現(xiàn)性能為1的抗震性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)于閥廳這類生命線工程中的核心建筑物，建議在抗震設(shè)防烈度為8度及以上地區(qū)采用屈曲約束支撐減震方案。