浅谈隔震技术在变电站建筑物中的应用

马国庆 刘仲洋

（河北建筑工程学院土木工程系，河北 张家口075024）

1 地震与隔震技术

地震是一种突发性、毁灭性的自然灾害，它对人类社会构成了严重威胁.一次突发性的大地震可令一座繁荣、美丽的城市在数十秒钟之内变成一片废墟，成片房屋破坏倒塌，交通、通信、供水、供电等生命线工程中断，并可能引发火灾、疾病等次生灾害，同时，还可导致大量人员伤亡，城市瘫痪，社会动荡不安，并导致严重的经济损失.上世纪破坏性最严重的20多次地震中，共死亡100多万人，其中发生在我国的有2次，死亡45万人，占40%以上.而2008年的汶川“5.12”地震，震级高达8级，是中国一九四九年以来破坏性最强、波及范围最大的一次地震.

传统的抗震方法，主要是以增大构件截面、多加钢筋来“抵抗”地震时产生的强大作用，提高了“抗震”所需的建筑造价.隔震技术主要以橡胶隔震支座为代表，是近些年来快速发展的一项技术，其主要思想是“将建筑物与地基分开来抑制结构的振动，避免地震作用”.与传统的抗震结构相比较，隔震结构（图1）具有下述优越性：（1）明显有效地减轻结构的地震反应；（2）提高了地震时结构的安全性；（3）降低房屋造价；（4）抗震措施简单明了；（5）震后无须修复；（6）上部结构的建筑设计限制较小，设计的自由度增大.

图1 隔震结构和传统抗震结构的对比

2 变电建筑物特征与震害

在现代社会中，电力关系到人类社会的各个方面，是现代社会最重要的能源支持.一旦失去了电力，不仅会给人们的日常生活造成各种不便，给社会生活造成很大的影响，给人们造成严重的经济损失，影响整个社会和国民经济的发展.因此，对于电力系统的安全正常运行是各个国家都非常关注的问题.

变电站作为整个电力系统中不可分割的一部分，属于地震区的生命线工程.在《建筑工程抗震设防分类标准》（GB50223-2008）中，330 kv及以上的变电所的抗震设防类别应化为重点设防类.它是变换电压、交换分配电力、控制电力流向和调整电压的场所，通常是由配电装置、保护设备、通信设备以及建构筑物等组成.

变电站按结构型式可划分为户外式变电站和户内式变电站，到目前为止，国内外大多数变电站建筑由于场地面积的限制和建筑美观的要求，逐渐开始采用户内式的结构型式.一般情况下，户内式变电站的平面布局宜合理、紧凑，这是节省变电站用地面积的关键.根据地形和总平面布置，变电站建筑平面基本上呈“一”字型平面组合，单层或两层布置.地下室层为电缆层、一层为值守室、卫生间及检修工具间；二楼布置10 k V开关室、主控室及接地变室.为了简化变电站的布置，节省占用的面积和空间，在电气设备的布置上，目前广泛采用的是六氟化硫封闭式组合电器配电装置（简称GIS）.它是把电压互感器、电流互感器、隔离开关等电气设备放在一个开关柜中，相当于把户外变电站一个间隔内众多设备集结在一个柜内，再由许多这样的开关柜合并组成整个变电站需要的配电装置.开关柜前留有维修通道，以备检修时方面拉出开关柜.主变压器通过铝母线与开关柜相连，开关柜的引出线通过墙上安装的瓷瓶引到户外的出线杆上.

由于GIS电气设备的特殊性，它对土建结构的设计就提出了比较严格的要求.一般而言，电气设备均由生产厂家根据具体变电站的电压等级进行成品批量设计，对于电压等级相同的电气设备，其外形设计基本是相同的.鉴于电气设备的这种通用性，相应的配电楼的建筑设计亦为大致的通用设计.另一方面，户内式变电建筑又与普通的民用建筑有很大的不同，它的建筑布局及结构形式的选取均受电气设备的限制，是为电气设备的良好运行提供服务.与民用建筑相比，变电站的配电楼建筑在地震中往往表现出较弱的抗震性能.由于它的抗侧移刚度较小、结构较空旷、电气设备较重，因而仍采用传统抗震技术，就不能很好的实现对建筑物及电气设备的双重保护.实践也证明，这类变电站在唐山、汶川等一系列地震中，震害比较明显.

在电力系统中，由于购置高压电力设备时，对高压电力设备都提出了抗震的要求，而电力设备生产厂家也往往能保证电力设备的抗震等级，这就给人以电力设备具有较高抗震等级的印象.因此，电力系统也似乎理所当然的具有较高的抗震等级.然而，在历次大地震中已经发现，电力系统的实际抗震等级远没有人们想象得那么好，特别是在近10年国内外发生的破坏性强烈地震中，电力系统，尤其是其中高压变电设备的破坏，引人注目.究其原因，主要有以下几点：

（1）在变电站中，配电楼的结构形式常设计为典型的框排架结构（楼层为地面以上两层，常附带地下电缆夹层）.楼层上配有荷载较大的GIS设备，以及吊车设备，这些电气设备本体具有较大的自重.配电楼比较空旷，抗侧移刚度小；

（2）配电楼的屋面多采用重型的钢筋混凝土屋面板和薄腹梁；

（3）安放在配电楼内的GIS设备，将随地震效应放大了的楼板一同运动，运行安全性降低.

3 隔震技术在变电站建筑中的应用

如上所述，传统的抗震已不能很好的保证电气设备的运行可靠性.而采用隔震措施，即在配电楼楼层底部与地下室顶层之间设置隔震层，通过隔震层延长结构的自振周期，减小地震能量向上部结构的传递，有效的降低上部结构的地震反应，使上部结构，尤其是建筑物内的电气设备在罕遇地震作用下仍能处于正常的工作状态.下面结合工程实例来加以说明.

西安市330 k V西北郊变电站位于陕西关中平原的渭河冲洪积平原，渭河南岸I级阶地上，北部紧临渭河高河漫滩阶地，相对高差小，无起伏.

工程资料：建筑场地10 km范围内无发震断层.建筑物结构形式为框架结构，地上一层带地下室一层.房屋平面尺寸为62.4 m×10.5 m，地上部分为11米高单层厂房，局部为二层，层高分别为4.5 m和6.5 m，地下室层高为2.1 m.西安市抗震设防烈度为8度（基本地震加速度为0.20 g）.场地类别为III类，场地特征周期Tg＝0.45 s.地震分组：设计地震分组取为第一组.由于建筑物位于高烈度区，为降低上部结构的地震作用，改善结构的抗震性能；降低GIS设备层的地震加速度反应，提高该层设备在地震作用时的运行安全性.经过对该结构体系进行技术、经济可行性综合对比分析后，确定采用基础隔震方案进行设计.

设计中采用西安光开橡胶隔震有限公司的GZY400V5A型隔震支座（图2），将隔震层设置于地下室柱顶与底层楼板之间，在每个地下室柱子顶部布置一个隔震支座.分析采用通用有限元软件SAP2000.经与普通抗震结构比较分析，得出以下结论：

图2 GZY型隔震支座

（1）采用基础隔震后，结构的周期大大延长，使地震作用大为减小，隔震后，结构的水平位移集中在隔震层，基底剪力、层间加速度大大减小，结构呈平动型；

（2）《电力设施抗震设计规范》（GB50260-1996）中规定设备的动力放大系数为1.0～1.2，而采用隔震设计，在多遇及罕遇地震作用下，结构的动力放大系数均小于1，由此也说明，隔震层对阻隔地面加速度向上传播，具有明显效果；

（3）隔震结构的楼面反应谱反映出楼板运动的卓越周期有效地避开了地面运动的卓越周期，楼面运动中高频部分被有效滤掉，极大的降低了电气设备与上部结构发生高频共振的可能.

（4）采用隔震结构的建筑物，其温度对结构内力的影响远比传统抗震结构小的多.因此，在超长建筑物中或不能设置伸缩缝的情况下，采用隔震结构可以扩大建筑结构的适用范围，还可以优化建筑结构的设计，达到事半功倍的效果.

4 结论与展望

隔震技术目前已在众多类型及结构的建筑物中使用，并取得了很好的经济效益和社会效益，它己经得到了工程界和广大社会的认可.2011年5月26日，南方电网重点项目——220千伏清水海输变电工程顺利实现“零缺陷”投产.这是南方电网首个防震抗震的220千伏变电站，在全国范围内也是首个建成的防震抗震的220千伏变电站.本工程的隔震和消能减震设计实施方案结合了汶川大地震中220千伏安县变电站和220千伏德阳（新市）变电站的震害调查，在南方电网以至全国电网范围内，首次对全变电站的建构筑物进行了分析，并进行隔震和消能减震设计.这标志着隔震技术在电力系统中得到了更广泛应用.在国家相关政策的扶植下，经过广大专业技术人员的共同努力，相信这一技术将为“十二五”期间经济社会发展推进提供更加有力的保障.

［1］周福霖.工程结构减震控制.北京：地震出版社，1997

［2］周庆文，周福霖.叠层橡胶垫隔震性能及设计.工业建筑，2000，8：23～25

［3］GB50011-2010建筑结构抗震设计规范［S］.北京：建筑工业出版社，2010