廖德芳 張肖峰

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510663)

近年來(lái)，我國(guó)電力網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速，朝著特高壓、遠(yuǎn)距離發(fā)展，形成了大范圍的特高壓交直流輸變電電網(wǎng)系統(tǒng)[1]。地震是人類無(wú)法避免的自然災(zāi)害，地震引起的震動(dòng)對(duì)建筑物的破壞是毀滅性的，給人民生命和財(cái)產(chǎn)安全造成了巨大損失。歷次震害調(diào)查表明，地震災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡主要源于建筑物和工程設(shè)施的破壞、倒塌以及由此引發(fā)的次生災(zāi)害。電力系統(tǒng)在以往發(fā)生的地震中都遭受了不同程度的損壞，例如在1995 年的日本神戶地震中，由于變電站損壞導(dǎo)致供電中斷，導(dǎo)致有約100 萬(wàn)居民用電中斷[2]；2008 年汶川大地震中，變電站及輸電線路損壞嚴(yán)重，停電造成了災(zāi)后救援的不便[3]。歷次的災(zāi)后調(diào)查較少發(fā)現(xiàn)線路本體的破壞，換流站和變電站內(nèi)設(shè)備和設(shè)施的抗震性能是目前抗震研究的熱點(diǎn)[4]。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，大容量換流站直流工程落點(diǎn)多在負(fù)荷密集地區(qū)。站址周邊城鎮(zhèn)化水平高，越來(lái)越接近生活區(qū)和工業(yè)區(qū)，甚至直接毗鄰住宅小區(qū)，人口密度較大。我國(guó)屬于地震多發(fā)國(guó)家，41%左右的國(guó)土面積處于地震基本烈度7度及7度以上地區(qū)，同時(shí)，這些地震多發(fā)地區(qū)往往又是人口密集地區(qū)，地震對(duì)這些地區(qū)人民生命和財(cái)產(chǎn)造成的損害更加嚴(yán)重。建筑減隔震產(chǎn)品有利于提高城市建筑和基礎(chǔ)設(shè)施抗災(zāi)能力，提高農(nóng)村住房設(shè)防措施和抗災(zāi)能力，能有效減少地震對(duì)生命和財(cái)產(chǎn)造成的損害。另一方面，目前我國(guó)對(duì)于減隔震技術(shù)的應(yīng)用不足，遠(yuǎn)落后于日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，一旦在地震中發(fā)生損毀甚至退出運(yùn)行，將顯著影響災(zāi)后救援。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在汶川地震中共計(jì)116座主控樓及多個(gè)開關(guān)室受損。地震導(dǎo)致變電站建筑物破壞的數(shù)據(jù)表明：大量變電站建筑物抗震能力相對(duì)薄弱，有必要加強(qiáng)新建變電站建筑物的抗震設(shè)計(jì)和對(duì)既有變電站建筑物的加固設(shè)計(jì)，提高其抗震能力。

主控樓是換流站或變電站的主要建筑結(jié)構(gòu)之一，具有綜合控制、保護(hù)及通信等功能，是站內(nèi)設(shè)備控制及安全保護(hù)的核心。主控樓一般由控制保護(hù)室、蓄電池室、設(shè)備間、配電室、辦公及休息區(qū)組成，一般設(shè)計(jì)成多層混凝土框架結(jié)構(gòu)。目前，建筑隔震技術(shù)已經(jīng)在一些高烈度區(qū)得到了廣泛應(yīng)用[5]。

目前，變電站或換流站建筑物的抗震設(shè)計(jì)方法主要是加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件，采用“硬抗”的途徑，即加大構(gòu)件的斷面，以期提高結(jié)構(gòu)剛度來(lái)抵抗地震的保護(hù)措施，但這種抗震設(shè)計(jì)方法是比較粗放和不經(jīng)濟(jì)的。有研究指出，傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方法只考慮建筑結(jié)構(gòu)本身的抗震，未考慮房屋內(nèi)部設(shè)備的抗震，如有重要設(shè)備在屋內(nèi)，一旦發(fā)生地震，建筑本體沒(méi)有較大損壞，但設(shè)備如已經(jīng)損毀的情況下，一樣會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)中斷而引發(fā)嚴(yán)重后果，對(duì)于這種情況，傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方法是不適用的。比如在1971年美國(guó)舊金山地震時(shí)，機(jī)房結(jié)構(gòu)只有輕微破壞，但內(nèi)部通信設(shè)備嚴(yán)重毀壞而導(dǎo)致電力系統(tǒng)的中斷，造成較大的破壞。20世紀(jì)90年代，全世界至少有30多個(gè)國(guó)家和地區(qū)開展建筑減隔震技術(shù)的研究，并在美、日、法、新、意等20 多個(gè)國(guó)家修建了數(shù)百座減隔震建筑物。其中，日本是技術(shù)發(fā)展最快、最成熟、應(yīng)用最廣泛的國(guó)家。2011 年3 月11 日9 級(jí)日本大地震中，大量減隔震建筑經(jīng)歷地震后不僅建筑本身完好，同時(shí)室內(nèi)儀器設(shè)備均沒(méi)有損壞，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗震性能，該地震大面積的驗(yàn)證了減隔震技術(shù)的有效性。與傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)相比，隔震設(shè)計(jì)主要是通過(guò)隔震層（如隔震支座等）延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)體系的自振周期，從而降低上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

本文對(duì)某換流站主控樓框架結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行了計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行了分析和對(duì)比，研究了主控樓混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。

1 有限元建模

為了研究換流站主控樓框架結(jié)構(gòu)的抗震及隔震性能，在有限元軟件SAP2000 中建立主控樓框架結(jié)構(gòu)有限元模型，輸入地震波進(jìn)行計(jì)算，分析其抗震性能。

1.1 主控樓框架結(jié)構(gòu)

主控樓是換流站或變電站中的重要建筑，起著綜合控制的功能。本文進(jìn)行分析的主控樓參考某高烈度換流站主控樓設(shè)計(jì)圖紙，主控樓框架結(jié)構(gòu)為三層，總高16.8m，樓板厚度為120mm；柱采用450mm×450mm方形柱；主梁和次梁截面尺寸分別為300mm×600mm 及250mm×600mm，混凝土等級(jí)為C35，鋼筋為HRB400，沿X方向?yàn)?跨，Y方向?yàn)?跨。結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

圖1 主控樓結(jié)構(gòu)布置

1.2 建模要點(diǎn)

根據(jù)主控樓設(shè)計(jì)圖紙使用SAP2000建立了混凝土框架結(jié)構(gòu)模型，板采用殼單元模擬，建模參考某已投運(yùn)換流站主控樓設(shè)計(jì)圖紙，主控樓為二層框架結(jié)構(gòu)，柱截面為600mm×600mm，板厚度為120mm。

1.3 地震波的選取

依據(jù)《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50260—2013)[6]和IEEE 693[7]的相關(guān)規(guī)定，分別選取Elcentro波、清平波以及人工合成地震波作為主控樓框架結(jié)構(gòu)模型計(jì)算分析的輸入地震波。三條地震波的加速度時(shí)程曲線如圖2所示。

圖2 選取地震波的加速度時(shí)程曲線

1.4 模態(tài)分析

對(duì)換流站主控樓換流站混凝土框架結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，獲得模型的自振頻率如表1所示。

表1 模型的自振頻率

2 主控樓框架結(jié)構(gòu)抗震性能分析

2.1 基底剪力

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》里對(duì)選取的地震波及反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果有相關(guān)規(guī)定，在軟件中提取了反應(yīng)譜及地震波分別計(jì)算下的基底X和Y方向的剪力，如表2所示。

表2 提取的基底剪力/KN

從表2可以看出，本次選取的地震波滿足規(guī)范要求“時(shí)程計(jì)算方法單條波計(jì)算結(jié)果不小于反應(yīng)譜計(jì)算的65%，平均結(jié)果不小于80%”的規(guī)定。

根據(jù)樓層最小剪力的規(guī)定，各樓層地震作用剪力標(biāo)準(zhǔn)值都滿足式（1）樓層最小剪力的要求：

2.2 層間位移

框架結(jié)構(gòu)在罕遇地震輸入時(shí)獲得結(jié)構(gòu)各層間位移，如表3所示。

表3 框架結(jié)構(gòu)罕遇地震的層間位移

框架結(jié)構(gòu)在罕遇地震輸入時(shí)最大層間位移出現(xiàn)在底層，從表3可以看出，在抗震計(jì)算時(shí)，彈塑性層間位移比不滿足要求。

3 隔震措施探討

與傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)相比，隔震設(shè)計(jì)主要是通過(guò)隔震層（如隔震支座等）延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)體系的自振周期，從而降低上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。本章對(duì)主控樓框架結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行了計(jì)算和分析，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果選取隔震支座，建立主控樓框架結(jié)構(gòu)隔震模型，進(jìn)行了計(jì)算分析和比對(duì)。

隔震支座的選取是隔震設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的一步，合適的隔震支座能很好地滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)重力荷載代表值產(chǎn)生的柱底反力來(lái)計(jì)算各柱底隔震支座所需的尺寸面積，如式（2）所示。

式中σ為隔震支座的最小壓應(yīng)力，按規(guī)范取12MPa。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以得到由豎向荷載控制的隔震支座直徑分布在217mm～424mm之間，另外根據(jù)豎向力估算隔震層的層間屈服力為782kN?？紤]風(fēng)荷載工況后初步選取LRB 系列鉛芯隔震橡膠支座的型號(hào)為L(zhǎng)RB400X24 和LRB500X15。SAP2000 在框架模型各柱底模擬隔震支座。得出設(shè)置隔震支座后的結(jié)構(gòu)模型和地震響應(yīng)，隔震后的基底剪力相對(duì)隔震前降低很多。隔震效果明顯，經(jīng)過(guò)基底剪力時(shí)程峰值對(duì)比，隔震后基底剪力為隔震前的8.6%～18%，且通過(guò)對(duì)層間剪力的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隔震后結(jié)構(gòu)各層層間剪力不及隔震前的20%。模型計(jì)算結(jié)果表明，采用橡膠隔震支座，對(duì)主控樓框架模型有很好的減隔震效果，采用隔震支座是可行的措施。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)某換流站主控樓框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模和抗震計(jì)算，并根據(jù)抗震計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，研究了主控樓框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。

（1）換流站主控樓換流站混凝土框架結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，獲得模型的自振頻率約在0.35 Hz～1.47Hz之間。

（2）主控樓框架結(jié)構(gòu)模型在高烈度地震地區(qū)計(jì)算不滿足抗震要求，需要采用特別的措施。

（3）主控樓在高烈度地震地區(qū)，常規(guī)設(shè)計(jì)很難滿足要求時(shí)，可以考慮采用相應(yīng)的減隔震措施，比如在柱底設(shè)置合適的隔震支座，是非常必要的。

（4）通過(guò)對(duì)隔震前后框架結(jié)構(gòu)模型的基底剪力時(shí)程曲線對(duì)比，隔震后基底剪力為隔震前的8.6%～18%。隔震支座的設(shè)置使得框架結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)降低比較明顯。

（5）通過(guò)對(duì)層間剪力的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隔震后結(jié)構(gòu)各層層間剪力不及隔震前的20%，隔震支座的設(shè)置使得各層層間剪力降低非常明顯。

（6）主控樓框架結(jié)構(gòu)模型在設(shè)置合適的隔震支座后抗震效果較好，因此，在高烈度地震地區(qū)，若變電站或換流站框架結(jié)構(gòu)常規(guī)設(shè)計(jì)不滿足要求時(shí)，選擇在柱底設(shè)置合適的隔震支座進(jìn)行是可行的解決辦法。