紀(jì)金豹，張偉祺，胡宗祥

(北京工業(yè)大學(xué)工程抗震與結(jié)構(gòu)診治北京市重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100124)

已有變電站相關(guān)的設(shè)備檢修與維護(hù)策略優(yōu)化方法研究[1-2]，作為一種重要的變電站內(nèi)電力設(shè)施，應(yīng)確保電力機(jī)柜有足夠的抗震能力。目前關(guān)于電力機(jī)柜的抗震研究，主要集中在加強(qiáng)機(jī)柜構(gòu)件與加裝隔震裝置兩方面。加強(qiáng)機(jī)柜構(gòu)件截面后，在機(jī)柜遭遇超過(guò)設(shè)防烈度的地震作用時(shí)，容易出現(xiàn)設(shè)備損壞的情況[3-5]。加裝隔震裝置的機(jī)柜，結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)大幅降低，可滿足機(jī)柜降低結(jié)構(gòu)響應(yīng)與減小結(jié)構(gòu)變形的隔震要求，但無(wú)法減小正常使用狀態(tài)下外部振動(dòng)的影響[6-8]。而用于電力機(jī)柜的隔震裝置，水平剛度一般較小，在正常使用狀態(tài)下，當(dāng)電力機(jī)柜受到外部振動(dòng)等因素影響時(shí)，易發(fā)生有害變位；若要減小外部振動(dòng)影響，必須設(shè)計(jì)較大的隔震裝置水平剛度，但較大的隔震水平剛度不能取得很好的隔震效果。因此用于電力機(jī)柜的隔震裝置應(yīng)當(dāng)在正常使用狀態(tài)下處于鎖定狀態(tài)；在地震作用下迅速解鎖以發(fā)揮隔震作用。一種可行的方法是在隔震裝置中加入加速度觸發(fā)機(jī)制。Fujita等[9]研發(fā)了空氣支座隔震裝置，地震發(fā)生時(shí)，用地震預(yù)警系統(tǒng)探測(cè)地震波，判斷隔震裝置是否需要激活，若需要激活，空氣支座充滿壓縮空氣，發(fā)揮良好隔震效果，其本質(zhì)是以地震波為觸發(fā)條件。Murai等[10]在隔震裝置上下板用插銷連接，可以阻止正常使用狀態(tài)下的隔震層位移，當(dāng)?shù)卣鹱饔眠_(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，插銷斷裂，隔震裝置啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)解鎖觸發(fā)功能，本質(zhì)也為力觸發(fā)控制。馬伯濤等[11]提供了一種慣性力式鎖定及解鎖的隔震觸發(fā)裝置，認(rèn)識(shí)到了慣性力觸發(fā)的必要性。黃季陽(yáng)等[12]提供了一種可調(diào)節(jié)鎖定裝置及解鎖的隔震觸發(fā)裝置的改進(jìn)方法。其原理為利用慣性塊的傾覆觸發(fā)實(shí)現(xiàn)解鎖。趙呈陽(yáng)[13]提出了一種構(gòu)造非常復(fù)雜的用于隔震裝置的鎖定、解鎖、復(fù)位的方案，可實(shí)現(xiàn)解鎖、復(fù)位功能，但故障率較高。謝啟芳等[14]提出一種永磁質(zhì)量塊的鎖定方案，此方案可以安裝到設(shè)備隔震裝置中，具有解鎖、復(fù)位的功能。Ricky等[15]用剪力銷固定隔震層，通過(guò)地震預(yù)警系統(tǒng)來(lái)探測(cè)地震波，當(dāng)?shù)卣鹱饔眠_(dá)到一定峰值后，解除剪力銷，隔震裝置發(fā)揮作用，實(shí)現(xiàn)隔震觸發(fā)的功能。

目前中外關(guān)于的觸發(fā)機(jī)制研究，有少量電觸發(fā)和力觸發(fā)的研究，缺少加速度觸發(fā)研究，由于地震時(shí)可能發(fā)生斷電，而加速度觸發(fā)機(jī)制不受斷電影響，因此需要對(duì)加入加速度觸發(fā)機(jī)制對(duì)隔震效果影響進(jìn)行理論分析研究。鑒于此，介紹了加速度觸發(fā)機(jī)制，選取了典型帶有隔震裝置的電力機(jī)柜，建立了帶有加速度觸發(fā)機(jī)制的隔震電力機(jī)柜有限元模型，進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，研究了加速度觸發(fā)機(jī)制對(duì)隔震效率的影響，以期通過(guò)本研究驗(yàn)證加速度觸發(fā)機(jī)制不會(huì)降低帶有隔震裝置的電力機(jī)柜的隔震性能，同時(shí)確定合理的加速度觸發(fā)限值。

1 加速度觸發(fā)機(jī)制

加速度觸發(fā)機(jī)制是在隔震裝置中設(shè)置觸發(fā)裝置，觸發(fā)裝置根據(jù)地面運(yùn)動(dòng)進(jìn)行解鎖與鎖定狀態(tài)的切換，當(dāng)觸發(fā)裝置在正常使用狀態(tài)和遭受小于觸發(fā)限值的地震加速度時(shí)處于鎖定狀態(tài)，減小外部振動(dòng)影響；當(dāng)?shù)卣鸺铀俣瘸^(guò)觸發(fā)限值時(shí)觸發(fā)裝置解鎖，快速釋放隔震裝置正常發(fā)揮隔震作用。根據(jù)研究現(xiàn)狀與加速度觸發(fā)控制的原理，對(duì)觸發(fā)裝置的提出以下特點(diǎn)：①被隔震結(jié)構(gòu)受力時(shí)不會(huì)觸發(fā)鎖定器，確保正常使用條件下隔震裝置處于鎖定狀態(tài)；②地震發(fā)生時(shí)能夠感應(yīng)地面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)并快速釋放隔震器；③純機(jī)械構(gòu)造，不需要供電，不使用電子元器件；④可重復(fù)使用，釋放隔震裝置后可以通過(guò)簡(jiǎn)單設(shè)置快速恢復(fù)鎖定狀態(tài)；⑤體積小巧，可安裝于隔震裝置內(nèi)部或周邊。

觸發(fā)機(jī)制包括加速度感知部分、傳力放大機(jī)構(gòu)、附屬機(jī)構(gòu)。如圖1所示，地震發(fā)生時(shí)，加速度感知部分感知地面運(yùn)動(dòng)加速度，當(dāng)?shù)卣鸺铀俣瘸^(guò)觸發(fā)限值時(shí)，加速度感知部分產(chǎn)生解鎖力，傳力放大機(jī)構(gòu)解鎖力，實(shí)現(xiàn)解鎖。

觸發(fā)裝置在地震作用下由鎖定切換到解鎖狀態(tài)，解鎖條件為地震波加速度絕對(duì)值達(dá)到加速度觸發(fā)限值，解鎖后，觸發(fā)裝置在地震作用結(jié)束之前都為解鎖狀態(tài)。即觸發(fā)裝置鎖定時(shí)，隔震位置處的水平總剛度為觸發(fā)裝置與隔震裝置的水平剛度之和；觸發(fā)裝置解鎖時(shí)，隔震位置處的水平總剛度為隔震裝置的水平剛度。

2 觸發(fā)參數(shù)影響分析

2.1 有限元模型與隔震參數(shù)選取

選取電力機(jī)柜作為研究對(duì)象，機(jī)柜的三維圖如圖2所示。機(jī)柜的組成部分為部基本框架、內(nèi)部支撐系統(tǒng)、隔板、設(shè)備[16]。受力構(gòu)件為內(nèi)部隔板、加勁肋、內(nèi)側(cè)支撐立柱，外側(cè)支撐立柱。隔板的作用為放置機(jī)箱等設(shè)備。質(zhì)量分配情況為，設(shè)備重量均勻分到各個(gè)分層格上，每層50 kg，共200 kg。

圖2 電力機(jī)柜模型

機(jī)柜的基本參數(shù)及材料特性如表1所示。

表1 機(jī)柜基本參數(shù)

電力機(jī)柜的有限元模型使用ANSYS軟件進(jìn)行建模。立柱、加勁肋、橫梁使用Beam188單元，隔板使用Shell181單元，配重使用Mass21單元。將設(shè)備視作放置在隔板和底板上的集中質(zhì)量配重，每層50 kg，共200 kg，機(jī)柜自重200 kg。以機(jī)柜水平橫向?yàn)閤軸方向、水平縱向?yàn)閥軸方向、高度方向?yàn)閦軸方向建立機(jī)柜模型。隔震單元使用Link11連桿單元，通過(guò)改變輸入的剛度K與阻尼系數(shù)C來(lái)控制隔震層剛度與阻尼比。由于觸發(fā)裝置處于鎖定狀態(tài)時(shí)給隔震裝置提供水平剛度較大，因此觸發(fā)單元用Link11連桿單元，輸入遠(yuǎn)大于隔震單元的剛度來(lái)模擬觸發(fā)單元的鎖定狀態(tài)；觸發(fā)裝置在解鎖后，水平剛度為0，在ANSYS中通過(guò)單元生死功能，“殺死”觸發(fā)單元來(lái)模擬觸發(fā)裝置的解鎖。

將觸發(fā)裝置安裝到隔震裝置上，組成具有加速度觸發(fā)機(jī)制的隔震裝置，如圖3所示，整個(gè)系統(tǒng)由觸發(fā)裝置、隔震裝置、被隔震結(jié)構(gòu)組成。

圖3 隔震觸發(fā)系統(tǒng)示意圖

如圖4所示，在電力機(jī)柜有限元模型底部分別建立兩個(gè)相連的連桿單元，分別模擬隔震裝置與觸發(fā)裝置，調(diào)整連桿單元的剛度和阻尼系數(shù)來(lái)改變隔震層參數(shù)。

圖4 隔震觸發(fā)電力機(jī)柜有限元模型

在進(jìn)行隔震分析之前需要進(jìn)行機(jī)柜動(dòng)力特性分析與隔震層參數(shù)分析，機(jī)柜前三階的自振頻率為：一階19.05 Hz，二階19.11 Hz，三階21.21 Hz，由于機(jī)柜模型為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此自振頻率出現(xiàn)前兩階相似的情況，機(jī)柜的前兩階振型的方向均為水平向，質(zhì)量參與系數(shù)分別為水平向87.76%、95.28%，說(shuō)明機(jī)柜在水平向的易受地震影響，輸入地震波時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮此方向。

地震波選擇6條天然波加2條人工波，所選地震波覆蓋了4種場(chǎng)地類型，如表2所示，分析用到的地震波都為這8條波。

表2 地震波

將地震波加速度峰值調(diào)整為0.2g、0.4g、0.6g(g為重力加速度)，對(duì)不隔震狀態(tài)下進(jìn)行時(shí)程分析，8條地震波作用下的機(jī)柜加速度峰值、位移峰值如表3所示。

表3 不隔震機(jī)柜加速度峰值、位移峰值

通過(guò)對(duì)不隔震狀態(tài)下的電力機(jī)柜時(shí)程分析可以看出，機(jī)柜的地震響應(yīng)反應(yīng)較大，會(huì)將地震波加速度放大1.5～4.5倍。

隔震結(jié)構(gòu)體系的固有頻率應(yīng)在0.85 Hz以下，由式(1)、式(2)計(jì)算得到隔震層剛度<9 398.91 N/m。阻尼比取0.1～0.3。

(1)

(2)

式中：ωn為隔震結(jié)構(gòu)的固有頻率；K為隔震層剛度；M為上部結(jié)構(gòu)總質(zhì)量；ζ為阻尼比；C為阻尼系數(shù)。

修改隔震層剛度，調(diào)整隔震機(jī)柜頻率，用加速度峰值為0.2g、0.4g的El-centro波分別對(duì)不同隔震層參數(shù)下的電力機(jī)柜進(jìn)行時(shí)程分析，得到機(jī)柜加速度峰值、隔震層位移峰值，對(duì)比分析得到最優(yōu)隔震層參數(shù)。最終得到結(jié)論，隔震層參數(shù)在剛度取4 kN/m、阻尼比取0.20時(shí)，其隔震率最高，此時(shí)隔震機(jī)柜水平向的一階自振頻率為0.55 Hz。

2.2 觸發(fā)限值分析

觸發(fā)加速度限值太大，隔震裝置不能及時(shí)發(fā)揮作用，機(jī)柜容易受到損害；觸發(fā)加速度限值太小，則受到較小的環(huán)境激勵(lì)時(shí)觸發(fā)裝置解鎖，不能避免正常使用條件下的有害振動(dòng)。需要進(jìn)行觸發(fā)加速度的選擇。在實(shí)際情況中，機(jī)柜內(nèi)置設(shè)備在受到較小的加速度或力作用時(shí)會(huì)發(fā)生震動(dòng)，因此將加速度觸發(fā)限值取為0.1g。進(jìn)行時(shí)程分析獲得機(jī)柜的加速度、位移響應(yīng)，分析隔震率。地震波選用加速度峰值為0.2g、0.4g的El-centro波、Kobe波、Taft波。

定義隔震率λ為

(3)

觸發(fā)限值分析的計(jì)算結(jié)果如表4所示。從表4數(shù)據(jù)可以看出，0.1g的觸發(fā)加速度限值下，機(jī)柜在El-centro波、Taft波條件下隔震率較大，在Kobe波條件下隔震率較小，但也達(dá)40%。因此觸發(fā)加速度限值選擇為0.1g是合理的。

2.3 隔震效果分析

將有觸發(fā)與無(wú)觸發(fā)條件下的機(jī)柜動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，從而得出具有加速度觸發(fā)機(jī)制的隔震效果，觸發(fā)加速度限值同樣為0.1g。隔震率的定義同式(3)。隔震機(jī)柜分析結(jié)果如表5所示。

表5 隔震機(jī)柜動(dòng)力響應(yīng)

由表5數(shù)據(jù)可以得出，與不隔震機(jī)柜相比，隔震機(jī)柜在加速度峰值為0.2g、0.4g、0.6g地震波作用下的加速度響應(yīng)大幅度降低。

隔震觸發(fā)機(jī)柜分析結(jié)果如表6所示。表7為隔震與隔震觸發(fā)機(jī)柜隔震率對(duì)比結(jié)果。

從表6、表7數(shù)據(jù)可以看出，機(jī)柜頂層加速度峰值與隔震狀態(tài)下較為接近，說(shuō)明加入觸發(fā)裝置后，機(jī)柜的隔震性能依然可以達(dá)到較好的效果。機(jī)柜的隔震層位移結(jié)果與隔震狀態(tài)下也較為接近，說(shuō)明隔震觸發(fā)狀態(tài)與無(wú)觸發(fā)隔震電力機(jī)柜隔震性能較接近。

表6 隔震觸發(fā)機(jī)柜的動(dòng)力響應(yīng)

表7 隔震與隔震觸發(fā)機(jī)柜隔震率對(duì)比

3 結(jié)論

對(duì)具有加速度觸發(fā)機(jī)制的隔震裝置進(jìn)行分析，明確了加速度觸發(fā)機(jī)制的特點(diǎn)，通過(guò)有限元模擬，分析了具有加速度觸發(fā)機(jī)制的隔震裝置的隔震性能，得出以下結(jié)論。

(1)從隔震觸發(fā)限值的分析可以得出，使用0.2g、0.4g的El-centro波、Kobe波、Taft波，對(duì)觸發(fā)限值為0.1g的電力機(jī)柜動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析，分析結(jié)果為觸發(fā)限值為0.1g時(shí)機(jī)柜的隔震率較高，觸發(fā)限值設(shè)置為0.1g時(shí)是合理的。

(2)從隔震觸發(fā)分析可以得出，隔震有觸發(fā)狀態(tài)下的隔震率與無(wú)觸發(fā)狀態(tài)下隔震率較為接近，平均隔震率為67.02%，在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類場(chǎng)地以及人工波的隔震率均在40%以上，隔震效果較為顯著，說(shuō)明具有加速度觸發(fā)機(jī)制的電力機(jī)柜隔震性能良好。