750 kV变电架构隔震性能的有限元分析

罗柯镕，张富有，余海强，贺梦瑶

(河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 210098)

750 kV变电架构隔震性能的有限元分析

罗柯镕，张富有，余海强，贺梦瑶

(河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 210098)

针对750 kV变电架构在地震中易损性问题。基于ANSYS有限元软件，分别建立了750 kV构架隔震前后的有限元模型，输入地震波进行动力时程响应分析。结果表明，采用合适的隔震支座后电力架构基频降低，顶端位移响应、杆件应力以及倾覆力矩较隔震前都有不同程度的减小，验证了隔震系统的有效性。

750 kV；变电构架；隔震；有限元；时程分析

近年来，随着我国经济的迅速发展，各行业对电力的需求量越来越大，新建输电线路的电气设备也逐渐向高、大、重方向发展。另一方面，我国是地震多发国家，部分发电厂、输电线路以及变电站将不可避免地建在中高烈度区，在地震中极易损坏，对当地的生产生活及之后的抗震救灾工作产生严重影响[1]。结构隔震技术可以隔离地震对结构的作用[2]，各种规范[3]主要是针对建筑房屋结构，对于电气构架的抗震设计，所涉及的深度仍很浅，远没有到达可操作的程度。目前国内外对高压电气设备动力反应机理已有了一些研究[4-6]，但对于高压构架的研究成果较少。本课题通过对750 kV架构隔震体系的研究，以期得到一些有益的结论，为后续的构架抗震提供指导。

1 隔震结构的力学模型和运动方程

目前，基础隔震结构的计算简化模型主要由单质点模型、双自由度模型和多自由度模型[7-8]。双自由度模型是将上部结构和隔震层分别等效成一个单自由度，然后确定上部结构与隔震层的地震反应，为大多数工程所应用，如图1所示，以双自由度模型为例，基础隔震体系的运动微分方程为

其中，M1为隔震层的质量；K1、C1分别为隔震层橡胶支座的总水平刚度和阻尼；M2、K2、C2为上部结构的总质量、总水平刚度和总层间阻尼。

图1 基础隔震结构简化模型Fig.1 Simpli fi ed model of base-isolation

2 隔震单元介绍

在 ANSYS 软件中没有现成的单元得以直接模拟隔震支座，但由于 ANSYS 单元库非常丰富，有线性弹簧单元及非线性粘滞阻尼-弹簧单元，故可以由这两种单元组合来拟隔震支座[9]。水平隔震单元可采用 COMBIN40 单元(图2)，该单元通过指定的两个节点弹簧常数、阻尼系数和屈服力，来模拟隔震支座水平方向的力学性能。竖向隔震单元可以通过设定竖向刚度 COMBIN14单元(图3)来进行模拟。铅芯橡胶支座水平方向的力学参数为：Ku，Kd，Qd。COMBINE40单元有实常数K1、K2、Ch、FSLIDE、GAP，容易得到各个参数对应取值如下：K2=Kd，K1=Ku-Kd，FSLIDE=Qd，GAP=0，Ch为阻尼[10]。竖向隔震单元COMBINE14的输入参数k 和阻尼系数可由橡胶支座参数直接获得。以下列出了4种常用铅芯橡胶支座的力学参数，见表1，参数直接来源于生产厂家。

图2 COMBINE40 单元Fig.2 COMBINE40 Element

图3 COMBINE14 单元Fig.3 COMBINE14 Element

表1 隔震支座参数表Tab.1 Lead rubber bearings parameters

3 有限元模型建立

计算分析的750 kV构架高50.3 m，柱主杆为Φ351×10(单位mm，以下尺寸单位同)，横撑为Φ83×5，斜杆为Φ146×5，腹杆为Φ83×5，缀条为Φ83×5，梁上下弦杆为Φ168×8，立面斜杆为L80×8，立面立杆为L70×8，底面斜杆L80×8，底面立杆L70×8，连接腹杆为L56×5。采用ANSYS软件分析时，柱、梁主材采用 Beam188 单元，其余杆件采用 Link180单元。有限元模型如图4所示。

4 模态分析及结构自振特性

将上述隔震支座分别引入脚柱底下，采用分块Lanczons方法分别计算了有无隔震支座下的构架自振频率，如表2所示。取前6阶模态分析结果，从表2可以看出，隔震前构架一阶频率为1.2，隔震后频率都有不同程度的影响，其中添加支座LRB300后频率减少幅度最大，达到了20.92%。隔震后，相当于使整个结构变柔了，延长了构架的自振周期，一定程度上能避开场地自振周期，减小地震反应。选取具有代表性的EL centro波和Northridge波，人工波基于建筑抗震设计规范进行合成。隔震前构架的前两阶频率分别为x方向和y方向的弯曲变形，第三阶振型为整体扭转振动。隔震后变形主要集中在隔震层，构架前两阶阵型仍以弯曲变形为主，但幅度有所减少，第三阶阵型变为了反向弯曲。

图4 750 kV构架有限元模型Fig.4 Finite element model of 750 kV structural gantry

5 动力时程分析

5.1 地震波选取

本文选用两条天然地震波和一条人工波调整至8度设防对应的地震水平(0.20 g)，在垂直于构架的方向即x方向激励进行动力时程分析。天然地震波

表2 隔震前后自振频率 (单位：Hz)Tab.2 Frequencies of gantry with and without Isolation

5.2 隔震前后各层构架根部应力及顶端位移对比

在高压电气设备的设计和计算分析中，需要控制结构设备的顶端位移和弯曲应力。规范[11]中规定在地震荷载短时作用下，设备对应破坏应力的安全系数不应小于 1.67，此变电构架采用Q235钢材，屈服应力为235 MPa，因此，在设计中构架容许应力值为140 MPa。8度设防对应的地震作用下，普通结构和不同支座布置方案的隔震结构的x向最大根部应力和位移分别列于表3和表4，表中数值均为三条地震波激励的最大响应的平均值。考虑到此

750 kV变电构架结构形式与房屋建筑相比具有一定的特殊性，故将此构架由下往上划分为6层，每层由2段组成。表3中还给出了各层水平向减震系数，水平向减震系数即采用隔震技术的结构受到水平地震作用结构动力反应降低的程度，能够直观反映减震效果，是评价隔震效果的重要指标之一。表中水平向减震系数计算公式为

从表3中数据可以看出在8度设防地震下，电气构架最大应力为131.22 MPa，小于考虑了安全系数后对应的容许应力值140 MPa，构架整体是偏于安全的。所有构架模型各层杆件根部应力的变化规律也是一致的，随着构架高度的降低应力越来越大，最底部构架应力达到最大。引入隔震支座后，四种不同隔震支座布置方案的水平向减震系数最大值分别为22.69%、19.25%、16.21%、13.24%，隔震效果明显，其中LRB300支座的隔震效果最为明显，达到了22.69%。此外，减震系数也呈现随高度降低而增大的趋势，原因可能是底部设置隔震支座后直接耗散了底部输入的地震能量，而对上部影响较小。

表3 各模型构架各层最大根部应力Tab.3 The maximum bending stress in each fl oor of gantry in each model

由表4可以看出，引入隔震支座后，位移主要发生在隔震层，原因在于橡胶支座的抗侧刚度于构架而言相对较小，隔震支座的设置改变了整个体系的动力特性，支座发生较大位移后能耗散部分向上部结构输入的地震能量。随着构架高度的上升，位移也表现为不断增大的趋势，但引入隔震支座后，上部位移增幅较小，结构接近于平动，这与建筑隔震的规律是一致的[12]。此外，LRB300及LRB350隔震支座虽然对于杆件应力起着减少的作用，但是由于支座刚度过小，最顶端位移反而增大，这对构架的抗震设计显然是不利的。而LRB400和LRB500支座对于应力和位移都起着减小的作用，最顶端位移减小率分别为10.0%和16.8%。综合考虑隔震支座对应力和位移的影响，在常用的四种隔震支座中，宜采用LRB400和LRB500。

表4 各模型构架各层最大位移Tab.4 The maximum displacement in each fl oor of gantry in each model

5.3 隔震前后各层构架根部倾覆力矩对比

引入隔震支座后，倾覆力矩的变化趋势(表5)与应力的变化趋势是一致的，但是减小幅度比应力小。在高层建筑隔震中，过大的倾覆力矩是阻碍隔震技术发展的一个不利方面，因为倾覆力矩的产生必然导致隔震支座部分受拉，而橡胶支座的抗拉能力是极为有限的，虽然引入隔震支座后倾覆力矩有所减小，但此时的拉力是由于隔震支座所承担，而原模型是由基础所承担。因此，对于此构架进行隔震设计时，可仿照建筑隔震采取限位等措施来进一步减小倾覆力矩。

表5 各模型构架各层最大倾覆力矩Tab.5 The maximum overturning moment in each fl oor of gantry in each model

6 结论

1）在8度设防地震作用下，未隔震前变电构架最大应力为131.22 MPa，小于考虑了安全系数后对应的容许应力值140 MPa，构架整体是偏于安全的。而采用隔震支座后，应力都有不同幅度的减小，结构安全富余度更高。

2）地震作用下，未隔震前构架最大位移为131.37 mm，而隔震后对于采用LRB300和LRB350支座的模型位移反而增大了，原因在于底部抗侧刚度过小，综合考虑隔震支座对于应力和位移的影响，对于750 kV变电构架隔震设计时宜采用LRB400和LRB500。

3）若要进一步提高该变电构架的抗震性能，应在采取隔震技术的基础上考虑加大侧向约束来减小构架的位移、倾覆力矩，进一步对其加固处理。

[1] 程永锋，全 军，卢智成.变电站电力设施抗震措施研究现状与发展趋势[J].电网技术，2008，32(2)：84-89.[2]武田寿一.构造物的免震防震制振[M].东京：技报堂出版，1988.

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[4] MAENO Y，HANADA K，SAKAMOTO Y.Dynamic properties of UHV power transmission towers：full-scale tests and numerical investigation[C] //8th WCEE.San Francisco，USA：[s.n.]，1984：12-34.

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Finite element analysis of isolation performance for 750 kV structure gantry

LUO Kerong，ZHANG Fuyou，YU Haiqiang，HE Mengyao
(College of Civil And Transportation Enginerring，Ho Hai Unversity，Nanjing 210098，China)

Absract：The 750 kV structural gantry is a high and heavy load steel latticed structure，which is of vital importance in the 750 kV electric substation. It has high vulnerability during earthquakes. In this work，finite element models of 750 kV structural gantry with and without isolation layer are established by ANSYS. Dynamic time-history analysis are carried out by inputting seismic waves for these two models.The results show that by adopting suitable isolation bearing the structure gantry with base isolation has lower frequency. Apart from this，its top displacement response and pole stress have different degrees of reduction compared to those of gantry without base isolation. These conclusions indicate that it is effective to use isolation system，which has provided a basis for practical application of isolation technology in power tower.

gantry；isolation； fi nite element；time-history analysis

TU32

A

1673-9469（2017）04-0010-05

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.04.003

2017-08-04

国家自然科学基金资助项目(51479052)

罗柯镕(1993-)，男，江苏常州人，硕士，从事工程抗震及隔震减震研究。