换流站主控楼框架结构抗震性能分析

2023-10-17廖德芳张肖峰

砖瓦 2023年10期

廖德芳张肖峰

(中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东广州 510663)

近年来，我国电力网络发展迅速，朝着特高压、远距离发展，形成了大范围的特高压交直流输变电电网系统[1]。地震是人类无法避免的自然灾害，地震引起的震动对建筑物的破坏是毁灭性的，给人民生命和财产安全造成了巨大损失。历次震害调查表明，地震灾害造成的经济损失和人员伤亡主要源于建筑物和工程设施的破坏、倒塌以及由此引发的次生灾害。电力系统在以往发生的地震中都遭受了不同程度的损坏，例如在1995 年的日本神户地震中，由于变电站损坏导致供电中断，导致有约100 万居民用电中断[2]；2008 年汶川大地震中，变电站及输电线路损坏严重，停电造成了灾后救援的不便[3]。历次的灾后调查较少发现线路本体的破坏，换流站和变电站内设备和设施的抗震性能是目前抗震研究的热点[4]。

随着我国经济的发展，电网结构越来越复杂，大容量换流站直流工程落点多在负荷密集地区。站址周边城镇化水平高，越来越接近生活区和工业区，甚至直接毗邻住宅小区，人口密度较大。我国属于地震多发国家，41%左右的国土面积处于地震基本烈度7度及7度以上地区，同时，这些地震多发地区往往又是人口密集地区，地震对这些地区人民生命和财产造成的损害更加严重。建筑减隔震产品有利于提高城市建筑和基础设施抗灾能力，提高农村住房设防措施和抗灾能力，能有效减少地震对生命和财产造成的损害。另一方面，目前我国对于减隔震技术的应用不足，远落后于日本等发达国家，一旦在地震中发生损毁甚至退出运行，将显著影响灾后救援。据统计，在汶川地震中共计116座主控楼及多个开关室受损。地震导致变电站建筑物破坏的数据表明：大量变电站建筑物抗震能力相对薄弱，有必要加强新建变电站建筑物的抗震设计和对既有变电站建筑物的加固设计，提高其抗震能力。

主控楼是换流站或变电站的主要建筑结构之一，具有综合控制、保护及通信等功能，是站内设备控制及安全保护的核心。主控楼一般由控制保护室、蓄电池室、设备间、配电室、办公及休息区组成，一般设计成多层混凝土框架结构。目前，建筑隔震技术已经在一些高烈度区得到了广泛应用[5]。

目前，变电站或换流站建筑物的抗震设计方法主要是加固结构构件，采用“硬抗”的途径，即加大构件的断面，以期提高结构刚度来抵抗地震的保护措施，但这种抗震设计方法是比较粗放和不经济的。有研究指出，传统抗震设计方法只考虑建筑结构本身的抗震，未考虑房屋内部设备的抗震，如有重要设备在屋内，一旦发生地震，建筑本体没有较大损坏，但设备如已经损毁的情况下，一样会导致电力系统中断而引发严重后果，对于这种情况，传统抗震设计方法是不适用的。比如在1971年美国旧金山地震时，机房结构只有轻微破坏，但内部通信设备严重毁坏而导致电力系统的中断，造成较大的破坏。20世纪90年代，全世界至少有30多个国家和地区开展建筑减隔震技术的研究，并在美、日、法、新、意等20 多个国家修建了数百座减隔震建筑物。其中，日本是技术发展最快、最成熟、应用最广泛的国家。2011 年3 月11 日9 级日本大地震中，大量减隔震建筑经历地震后不仅建筑本身完好，同时室内仪器设备均没有损坏，表现出优异的抗震性能，该地震大面积的验证了减隔震技术的有效性。与传统框架结构的抗震设计相比，隔震设计主要是通过隔震层（如隔震支座等）延长结构体系的自振周期，从而降低上部结构的地震响应。

本文对某换流站主控楼框架结构的抗震性能进行了计算，并根据计算的结果进行了分析和对比，研究了主控楼混凝土框架结构的抗震性能。

1 有限元建模

为了研究换流站主控楼框架结构的抗震及隔震性能，在有限元软件SAP2000 中建立主控楼框架结构有限元模型，输入地震波进行计算，分析其抗震性能。

1.1 主控楼框架结构

主控楼是换流站或变电站中的重要建筑，起着综合控制的功能。本文进行分析的主控楼参考某高烈度换流站主控楼设计图纸，主控楼框架结构为三层，总高16.8m，楼板厚度为120mm；柱采用450mm×450mm方形柱；主梁和次梁截面尺寸分别为300mm×600mm 及250mm×600mm，混凝土等级为C35，钢筋为HRB400，沿X方向为5跨，Y方向为6跨。结构布置如图1所示。

图1 主控楼结构布置

1.2 建模要点

根据主控楼设计图纸使用SAP2000建立了混凝土框架结构模型，板采用壳单元模拟，建模参考某已投运换流站主控楼设计图纸，主控楼为二层框架结构，柱截面为600mm×600mm，板厚度为120mm。

1.3 地震波的选取

依据《电力设施抗震设计规范》(GB 50260—2013)[6]和IEEE 693[7]的相关规定，分别选取Elcentro波、清平波以及人工合成地震波作为主控楼框架结构模型计算分析的输入地震波。三条地震波的加速度时程曲线如图2所示。

图2 选取地震波的加速度时程曲线

1.4 模态分析

对换流站主控楼换流站混凝土框架结构有限元模型进行模态分析，获得模型的自振频率如表1所示。

表1 模型的自振频率

2 主控楼框架结构抗震性能分析

2.1 基底剪力

《建筑抗震设计规范》里对选取的地震波及反应谱计算结果有相关规定，在软件中提取了反应谱及地震波分别计算下的基底X和Y方向的剪力，如表2所示。

表2 提取的基底剪力/KN

从表2可以看出，本次选取的地震波满足规范要求“时程计算方法单条波计算结果不小于反应谱计算的65%，平均结果不小于80%”的规定。

根据楼层最小剪力的规定，各楼层地震作用剪力标准值都满足式（1）楼层最小剪力的要求：

2.2 层间位移

框架结构在罕遇地震输入时获得结构各层间位移，如表3所示。

表3 框架结构罕遇地震的层间位移

框架结构在罕遇地震输入时最大层间位移出现在底层，从表3可以看出，在抗震计算时，弹塑性层间位移比不满足要求。

3 隔震措施探讨

与传统框架结构的抗震设计相比，隔震设计主要是通过隔震层（如隔震支座等）延长结构体系的自振周期，从而降低上部结构的地震响应。本章对主控楼框架结构的抗震性能进行了计算和分析，并根据计算结果选取隔震支座，建立主控楼框架结构隔震模型，进行了计算分析和比对。

隔震支座的选取是隔震设计中最为关键的一步，合适的隔震支座能很好地满足设计要求。根据重力荷载代表值产生的柱底反力来计算各柱底隔震支座所需的尺寸面积，如式（2）所示。

式中σ为隔震支座的最小压应力，按规范取12MPa。

根据计算结果，可以得到由竖向荷载控制的隔震支座直径分布在217mm～424mm之间，另外根据竖向力估算隔震层的层间屈服力为782kN。考虑风荷载工况后初步选取LRB 系列铅芯隔震橡胶支座的型号为LRB400X24 和LRB500X15。SAP2000 在框架模型各柱底模拟隔震支座。得出设置隔震支座后的结构模型和地震响应，隔震后的基底剪力相对隔震前降低很多。隔震效果明显，经过基底剪力时程峰值对比，隔震后基底剪力为隔震前的8.6%～18%，且通过对层间剪力的对比发现，隔震后结构各层层间剪力不及隔震前的20%。模型计算结果表明，采用橡胶隔震支座，对主控楼框架模型有很好的减隔震效果，采用隔震支座是可行的措施。