大型變電站在近斷層地震動(dòng)作用下的地震反應(yīng)分析*

文波，曹猛，牛荻濤

(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西西安710055)

大型變電站在近斷層地震動(dòng)作用下的地震反應(yīng)分析*

文波，曹猛，牛荻濤

(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西西安710055)

結(jié)合近斷層地震動(dòng)特征，針對(duì)我國(guó)變電站量大面廣的特點(diǎn)，建立了考慮變電站主體結(jié)構(gòu)－電氣設(shè)備相互作用的三維動(dòng)力分析模型;選取多條實(shí)際近斷層地震動(dòng)記錄作為地震動(dòng)輸入，采用非線性動(dòng)力時(shí)程分析方法對(duì)大型變電站進(jìn)行地震反應(yīng)分析，并與遠(yuǎn)斷層地震動(dòng)作用下的地震反應(yīng)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，大型變電站在近斷層地震動(dòng)作用下的地震反應(yīng)大于遠(yuǎn)斷層地震動(dòng)作用下的結(jié)果，該類建筑物對(duì)近斷層地震動(dòng)的作用較敏感，近斷層處變電站的地震破壞影響程度更大。此外，還分析了近斷層地震動(dòng)作用下采用隔震技術(shù)的變電站地震反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)其抗震性能優(yōu)于未采用隔震措施的變電站，即隔震技術(shù)適用于建造在近斷層附近的變電站。

變電站;有限元模型;近斷層地震動(dòng);相互作用;隔震設(shè)計(jì)

0 引言

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外發(fā)生的一系列破壞性地震(1994年美國(guó)北嶺地震、1995年日本阪神地震、1999年我國(guó)臺(tái)灣集集地震)，尤其是2008年5月12日發(fā)生在我國(guó)四川省汶川的M8.0級(jí)特大地震及2010年1月12日海地M7.3級(jí)大地震均造成了慘重的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失，并對(duì)電力系統(tǒng)造成重創(chuàng)［1－3］。與歷史上其它大地震相比較，這幾次地震的最顯著特點(diǎn)之一就是地震發(fā)生地點(diǎn)距離城市較近，地震動(dòng)具有明顯的速度脈沖運(yùn)動(dòng)特征，致使城區(qū)地震烈度很高。由于脈沖型近斷層地震動(dòng)具有強(qiáng)烈的破壞作用，其運(yùn)動(dòng)特征及對(duì)工程結(jié)構(gòu)的影響已成為地震工程界關(guān)注的問(wèn)題之一［4－5］。作為生命線系統(tǒng)的重要組成部分，變電站的抗震性能優(yōu)劣直接關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)及社會(huì)生活的正常運(yùn)行。近斷層地震動(dòng)對(duì)變電站造成何種影響，影響的嚴(yán)重程度如何，都是值得特別關(guān)注的問(wèn)題。本文基于大量實(shí)際近斷層地震動(dòng)記錄，對(duì)變電站在近斷層地震動(dòng)作用下的地震反應(yīng)進(jìn)行研究。

1 計(jì)算用地震動(dòng)記錄

近斷層地震動(dòng)具有周期長(zhǎng)、峰值高、類似脈沖波形等特點(diǎn)，對(duì)建筑物的影響以高能量脈沖運(yùn)動(dòng)為主要特征［6－7］。由于其長(zhǎng)周期速度脈沖的作用，能量散發(fā)以遞增的方式形成，因此峰值地面速度與峰值地面加速度之比(PGV/PGA)較大，能量難以在短時(shí)間內(nèi)耗散，所以對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞程度更為嚴(yán)重。

為了考察近斷層地震動(dòng)對(duì)變電站的影響，從美國(guó)太平洋地震研究中心數(shù)據(jù)庫(kù)(http://peer．berkeley．edu/smcat/search．html)中選取了4條實(shí)際地震記錄作為地震動(dòng)輸入，遠(yuǎn)斷層地震動(dòng)記錄采用El-centro波。為便于分析比較，對(duì)地震動(dòng)加速度峰值進(jìn)行調(diào)幅，統(tǒng)一調(diào)至400 cm/s2，地震動(dòng)斷層距、加速度峰值PGA、速度峰值PGV、位移峰值PGD、PGV/PGA等特性參數(shù)列于表1中，地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線如圖1所示，地震動(dòng)速度時(shí)程曲線記錄如圖2所示。

表1 近斷層地震動(dòng)的特性參數(shù)

圖1 近斷層地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線

圖2 近斷層地震動(dòng)速度時(shí)程曲線

2 變電站地震反應(yīng)分析

2.1 動(dòng)力分析模型

變電站的主廠房結(jié)構(gòu)樓面上一般都放置有荷載較大的電氣設(shè)備，以往對(duì)變電站的抗震性能分析未考慮主體結(jié)構(gòu)和電氣設(shè)備之間的相互作用，僅將電氣設(shè)備等效荷載化，作為荷載加以考慮。但相關(guān)研究結(jié)果表明［8］，變電站主廠房作為一種較為復(fù)雜的工業(yè)建筑物，其主體結(jié)構(gòu)和電氣設(shè)備之間存在著明顯的相互作用。本文對(duì)《國(guó)家電網(wǎng)公司變電站典型設(shè)計(jì)》［9］中的變電站進(jìn)行建模分析，將變電站主廠房用三維有限元模型進(jìn)行模擬，即框架梁和框架柱采用空間梁?jiǎn)卧?Frame)模擬;鋼筋混凝土樓板根據(jù)梁的單元剖分情況采用能同時(shí)考慮平面內(nèi)、平面外荷載和變形的空間節(jié)點(diǎn)薄殼單元(Shell)模擬;對(duì)電氣設(shè)備采用空間薄殼單元模擬;電氣設(shè)備與樓板的連接方式采用固定連接方式，其三維分析模型如圖3所示，同時(shí)建立了不考慮主體結(jié)構(gòu)－電氣設(shè)備的計(jì)算模型，以便進(jìn)行對(duì)比分析。

圖3 變電站主廠房計(jì)算模型

2.2 計(jì)算結(jié)果

采用SAP2000程序［10］對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行三維非線性時(shí)程反應(yīng)分析，計(jì)算結(jié)果列于表2。表中給出了主體結(jié)構(gòu)及電氣設(shè)備在近斷層地震動(dòng)與遠(yuǎn)斷層地震動(dòng)作用下的最大水平位移值和最大水平加速度值，其中的A和B分別為近斷層地震動(dòng)及遠(yuǎn)斷層地震動(dòng)作用下考慮相互作用的計(jì)算結(jié)果，C為近斷層地震動(dòng)作用下不考慮相互作用的計(jì)算結(jié)果。

由表2可以看出，近斷層地震動(dòng)作用下變電站的地震反應(yīng)結(jié)果大于遠(yuǎn)斷層地震動(dòng)作用下的反應(yīng)結(jié)果，主體結(jié)構(gòu)的反應(yīng)結(jié)果大于電氣設(shè)備的反應(yīng)結(jié)果，說(shuō)明變電站對(duì)近斷層地震動(dòng)作用更敏感，主體結(jié)構(gòu)對(duì)近斷層地震動(dòng)的反應(yīng)比電氣設(shè)備更敏感。此外，近斷層地震動(dòng)作用下考慮相互作用的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)結(jié)果大于不考慮相互作用的地震反應(yīng)結(jié)果，說(shuō)明進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)以考慮結(jié)構(gòu)－設(shè)備相互作用的結(jié)果為準(zhǔn)，這樣可以使設(shè)計(jì)結(jié)果更安全。

表2 變電站地震反應(yīng)結(jié)果比較

3 變電站隔震系統(tǒng)的地震反應(yīng)分析

3.1 變電站隔震系統(tǒng)計(jì)算模型

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)，地震動(dòng)輸入大都采用的是常規(guī)地震動(dòng)，對(duì)于近斷層地震動(dòng)作用下的結(jié)構(gòu)隔震性能研究較少。本文進(jìn)一步研究近斷層地震動(dòng)作用下，變電站隔震結(jié)構(gòu)體系的地震反應(yīng)。采用基礎(chǔ)隔震形式，隔震支座采用鉛芯橡膠支座，其力學(xué)特性采用雙線型彈簧單元模擬，隔震支座設(shè)置在主體結(jié)構(gòu)一層底部與地下室頂板之間，計(jì)算模型如圖4所示。

4考慮結(jié)構(gòu)－設(shè)備相互作用隔震結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

3.2 變電站隔震后計(jì)算結(jié)果分析

表3中給出了近斷層地震動(dòng)作用下隔震后主體結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大加速度和最大水平位移。由表3可知，近斷層地震動(dòng)作用下隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)得到了降低，但減小的幅度不大，例如隔震前后結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大加速度和最大水平位移的比值分別為0.675和0.544。另一方面，近斷層地震動(dòng)作用下的未隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)結(jié)果大于隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)結(jié)果，即隔震措施對(duì)于近斷層地區(qū)的變電站同樣適用。

表3 結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大水平加速度和最大水平位移

圖5所示為隔震前后變電站結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大層間位移角比值及最大水平加速度比值?？梢钥闯?，層間位移角的變化規(guī)律與最大水平加速度的變化規(guī)律一致，均表現(xiàn)為近斷層地震動(dòng)作用下的結(jié)果大于遠(yuǎn)斷層地震動(dòng)作用的結(jié)果，均表現(xiàn)為TCU068＞TCU052＞TCU102＞TCU075，這與地震動(dòng)PGV/ PGA的變化規(guī)律一致，變電站隔震結(jié)構(gòu)對(duì)近震記錄TCU075作用隔震效果最明顯，由此看出，PGV/PGA的比值越小，隔震效果越好。

圖5 隔震結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大層間位移角及最大水平加速度

4 結(jié)論

根據(jù)近斷層地震動(dòng)的特征，結(jié)合我國(guó)大型變電站的特點(diǎn)，建立了考慮主體結(jié)構(gòu)－電氣設(shè)備相互作用的動(dòng)力分析模型，進(jìn)行了近斷層地震動(dòng)作用下變電站的地震反應(yīng)分析，并與不考慮主體結(jié)構(gòu)－電氣設(shè)備相互作用的地震反應(yīng)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，繼而初步探討了近斷層地震動(dòng)作用下變電站隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)結(jié)果，得到如下主要結(jié)論。

(1)變電站在近斷層地震動(dòng)作用下的地震反應(yīng)大于遠(yuǎn)斷層地震動(dòng)作用下的反應(yīng)，說(shuō)明該類建筑物對(duì)近斷層地震動(dòng)反應(yīng)更為敏感。

(2)同等場(chǎng)地條件下近斷層地震區(qū)決定地震動(dòng)強(qiáng)度的關(guān)鍵因素為PGV/PGA，PGV/PGA越小結(jié)構(gòu)反應(yīng)越劇烈，所產(chǎn)生的地震反應(yīng)也越大。

(3)考慮主體結(jié)構(gòu)－電氣設(shè)備相互作用的計(jì)算結(jié)果比不考慮二者相互作用的值更大，變電站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)以考慮相互作用的模型為準(zhǔn)，計(jì)算的結(jié)果偏于安全。

(4)近斷層脈沖型地震動(dòng)作用下變電站的地震反應(yīng)比相應(yīng)隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)大，隔震技術(shù)對(duì)于長(zhǎng)周期脈沖型近斷層地震動(dòng)作用下的變電站也是適用的。

［1］城市與工程減災(zāi)基礎(chǔ)研究論文集編輯委員會(huì)．城市與工程減災(zāi)基礎(chǔ)研究論文集［M］．北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，1995．

［2］Wang G Q，Zhou X Y，Zhang P Z，et al．Caracteristics of amplitude and duration for near fault strong ground motion from the 1999 Chi-Chi，Taiwan，earthquake［J］．Soil Dynamics and Earthquake Engineering，2002，22:73－96．

［3］文波，牛荻濤，韓永興，等．陜西省供電系統(tǒng)在5.12汶川大地震中破壞及震害評(píng)估［J］．建筑結(jié)構(gòu)，2008，38(10): 54－56．

［4］Malhotra P K．Response of buildings to near-field pulse-like ground motions［J］．Earthquake Engineering and Structural Dynamics，1999，28:1309－1326．

［5］Hall J F，Heaton T H，Halling MW，et al．Near-source ground motion and its effects on flexible buildings［J］．Earthquake Spectra，1995，11(4):569－605．

［6］劉啟方，袁一凡，金星，等．近斷層地震動(dòng)的基本特征［J］．地震工程與工程振動(dòng)，2006，26(1):1－10．

［7］楊迪雄，李剛．近斷層地震動(dòng)的強(qiáng)度度量參數(shù)研究［J］．地震工程與工程振動(dòng)，2008，28(4):31－36．

［8］文波．配電樓－電氣設(shè)備系統(tǒng)的地震反應(yīng)及減震控制研究［D］．西安:西安建筑科技大學(xué)，2008．

［9］國(guó)家電網(wǎng)工程輸變電工程典型設(shè)計(jì)［M］．北京:中國(guó)電力出版社，2005．

［10］北京金土木軟件技術(shù)有限公司，中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院．SAP2000中文版使用指南［M］．北京:人民交通出版社，2006．

Seismic Response Analysis of Large Substations under Near-fault Ground Motions

Wen Bo，Cao Meng and Niu Ditao
(Civil Engineering Institute，Xi'an University of Architecture＆Technology，Xi'an 710055，China)

Combining with the characteristics of near-fault ground motions，and according to the specific conditions in China，a three dimensions dynamic analysis model considering interactions of main structure and electrical equipment of the substations is established．The nonlinear time-history dynamic method with a series of near-fault ground motion waves is used in seismic response analysis of large substations，and the results are comparative analyzed with the results of seismic response under far-fault ground motions．It is shown that the reactions of substation buildings under near-fault ground motions are stronger than those in common ground motions and the destruction of the former is more serious than the latter．Meanwhile，the seismic reactions of substations with isolation technology under near-fault ground motions are investigated to compare with those in normal substations．It can be learned that the seismic reactions of isolation substations under near-fault ground motions are better than those substations without isolation technology，which is feasible for the substations built in the regions of near-fault ground．

substation;finite element model;near-fault ground motions;interaction;isolation design

TU352.1;TU375.4

A

1000－811X(2012)04－0034－04

2012－03－16

2012－05－03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51008246);長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助;陜西省教育廳基金項(xiàng)目(2010JK632)

文波(1975－)，女，陜西西安人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)樯€工程抗震及結(jié)構(gòu)抗火．E-mail:wenbo_mail@163．com