500 kV進(jìn)線構(gòu)架的抗震性能評(píng)估

商文念，劉小云，劉建秋，龔 俊，支旭東

( 1. 山東電力工程咨詢?cè)河邢薰荆瑵?jì)南 250013；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱 150090)

地震對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)是一種破壞性極強(qiáng)的自然災(zāi)害，作為變電站重要組成部分的進(jìn)線構(gòu)架，起著支承電力設(shè)備及承受導(dǎo)線拉力等作用，如若在地震中發(fā)生嚴(yán)重破壞或倒塌而出現(xiàn)電路中斷現(xiàn)象，將導(dǎo)致大面積的電力缺口，因此保障進(jìn)線構(gòu)架的地震安全、維持其功能對(duì)于抗震救災(zāi)至關(guān)重要。當(dāng)前進(jìn)線構(gòu)架的設(shè)計(jì)仍是采用“三水準(zhǔn)、兩階段”的傳統(tǒng)方法，這基本可以保障結(jié)構(gòu)在主震下不發(fā)生倒塌，但在余震作用時(shí)可靠度明顯不足，且近些年的強(qiáng)震記錄多超出了場(chǎng)地的設(shè)防烈度，這說(shuō)明變電站等重要基礎(chǔ)設(shè)施的抗震能力應(yīng)被給予更高的要求。對(duì)結(jié)構(gòu)開展地震易損性分析，可實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)線構(gòu)架在不同預(yù)期地震作用下失效概率的評(píng)估，并充分考慮地震變異性的影響，再結(jié)合基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想可實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)地震災(zāi)害的預(yù)測(cè)與控制。

地震易損性最早應(yīng)用于核電站的抗震研究，然后廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)和橋梁工程[1-3]。變電站關(guān)于易損性的研究發(fā)展相對(duì)較晚，如Carlo C等[4]針對(duì)氣體絕緣高壓變電站做了地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，提出了利用損傷曲線評(píng)估變電站抗震性能的方法；Brain T等[5]研究了高壓變電站的地震易損性和設(shè)備優(yōu)化等方面，提供了歷史高壓變電站抗震性能的簡(jiǎn)要概述，分析了變電站各組成部分的地震易損性并提出了優(yōu)化策略；蔣鳳梅[6]通過(guò)考慮結(jié)構(gòu)—電氣設(shè)備相互作用對(duì)大型變電站進(jìn)行了地震易損性研究，研究結(jié)果表明，在已知變電站遭受地震的地面峰值加速度、電氣設(shè)備的擺放形式和電氣設(shè)備—主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量比時(shí)，可用地震易損性曲線評(píng)估變電站在地震作用下的失效概率。學(xué)者們主要以電氣設(shè)備為對(duì)象開展變電站地震易損性研究，未對(duì)構(gòu)支架開展詳細(xì)的研究，而構(gòu)支架起到支撐設(shè)備的作用，其倒塌破壞也會(huì)造成電路中斷的后果。

在構(gòu)架方面，張凱等[7]利用模糊綜合評(píng)判原理，提出標(biāo)準(zhǔn)化的處理方法，對(duì)大型變電構(gòu)架的可靠性進(jìn)行了評(píng)判；司建輝等[8]針對(duì)750 kV格構(gòu)式變電構(gòu)架K形節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了足尺試驗(yàn)及有限元仿真分析，設(shè)計(jì)荷載下結(jié)構(gòu)仍處于彈性工作狀態(tài)，1.5倍設(shè)計(jì)荷載下，結(jié)構(gòu)仍然安全；任源[9]提出了使用H型鋼作為人字柱主材以及4跨構(gòu)架移除端撐的構(gòu)架形式，研究發(fā)現(xiàn)此種結(jié)構(gòu)形式在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、整體穩(wěn)定性以及抗震能力方面均優(yōu)于常規(guī)構(gòu)架；燕正強(qiáng)等[10]定性地對(duì)比了國(guó)內(nèi)外常用變電站構(gòu)架的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)結(jié)構(gòu)形式的選取提出建議；常偉等[11]比較了不同法蘭厚度的節(jié)點(diǎn)在相同荷載作用下的應(yīng)力分布和受力特點(diǎn)，為法蘭盤的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了理論依據(jù)；邱雪蓮[12]研究了端撐對(duì)構(gòu)架靜力和動(dòng)力特性的影響，發(fā)現(xiàn)端撐能有效減小結(jié)構(gòu)變形，提高結(jié)構(gòu)剛度；張哲等[13]以某變電站高型構(gòu)架為例，開展了模態(tài)分析及動(dòng)力特性分析，研究表明傳統(tǒng)變電構(gòu)架整體剛度較小，各個(gè)構(gòu)件之間的相互聯(lián)系較為薄弱；秦志偉[14]以鋼結(jié)構(gòu)變電構(gòu)架為例，對(duì)其受損(碳化、銹蝕、鋼材彎曲和凹陷等)前后的動(dòng)力特性進(jìn)行了研究，提出了損傷診斷方法；李蔚英[15]針對(duì)500 kV變電站的鋼結(jié)構(gòu)變電構(gòu)架進(jìn)行了未損和受損情況下的動(dòng)力特性分析，發(fā)現(xiàn)支柱對(duì)于損傷非常敏感，加劇了構(gòu)架發(fā)生地震破壞的危險(xiǎn)；逄錦鵬[16]以某變電站3種典型的兩跨變電構(gòu)架為例，開展了基于概率靈敏度技術(shù)的可靠性研究。綜上可見，針對(duì)變電構(gòu)架的研究主要集中在結(jié)構(gòu)優(yōu)化選型與常規(guī)動(dòng)力分析，地震易損性的研究成果還很少。

本文選取某特高壓變電站500 kV進(jìn)線構(gòu)架，研究了進(jìn)線構(gòu)架在強(qiáng)震下的失效機(jī)理，在此基礎(chǔ)上定義了結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)，通過(guò)大量分析獲得了結(jié)構(gòu)的地震易損性，實(shí)現(xiàn)了該類結(jié)構(gòu)的抗震性能評(píng)估。

1 有限元模型

以某實(shí)際特高壓變電站500 kV進(jìn)線構(gòu)架為例，結(jié)構(gòu)幾何尺寸為單跨跨度26 m，共4跨(104 m)，總高40 m，梁標(biāo)高24 m，梁高3 m。結(jié)構(gòu)形式為柱子采用A字柱及端撐、梁采用格構(gòu)體系，地震作用標(biāo)準(zhǔn)值取1.0恒荷+0.5活荷的形式形成集中質(zhì)量；材料為Q345B級(jí)鋼材，鋼材的本構(gòu)模型假定為理想彈塑性，所建立的有限元模型見圖1。

2 構(gòu)架的強(qiáng)震失效機(jī)理

采用基于多重響應(yīng)的全荷載域增量動(dòng)力時(shí)程分析方法(IDA)[17]，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.02，首先取TAFT地震波3向輸入，3個(gè)輸入方向的幅值按文獻(xiàn)[18]調(diào)整為X∶Y∶Z=1∶0.65∶0.85。構(gòu)架隨地震強(qiáng)度增加的響應(yīng)過(guò)程見圖2。由圖2可見，隨著荷載的增大，結(jié)構(gòu)端部A字柱最先進(jìn)入屈服，當(dāng)PGA達(dá)到2.1g時(shí)，端部A字柱桿件變形已經(jīng)相當(dāng)明顯(圖2(c))，結(jié)構(gòu)損壞嚴(yán)重，若地震強(qiáng)度再微小增加，結(jié)構(gòu)端柱即發(fā)生倒塌(圖2(d))。大量算例的破壞過(guò)程均與以上相同，破壞均發(fā)生在端部A字柱的柱腳桿件，因此本文定義了端部A字柱柱腳桿件的偏角θ作為評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)破壞程度的指標(biāo)，定義方式見圖2(c)。以偏角θ為結(jié)構(gòu)破壞程度的指標(biāo)，輸入TAFT地震波為例，計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖1 500 kV進(jìn)線構(gòu)架有限元模型Fig.1 Finite element model of 500 kV substation frames

圖2 TAFT 3向激勵(lì)下結(jié)構(gòu)變形Fig.2 Deformation pattern of the structure under TAFT with three directions

圖3 TAFT地震波激勵(lì)分析結(jié)果Fig.3 Results of seismic calculation under TAFT

圖4 Santa Barbara作用下偏轉(zhuǎn)角θ的全過(guò)程曲線Fig.4 Whole process curve of θ under Santa Barbara

根據(jù)圖3(a)分析發(fā)現(xiàn)，在PGA=0.605g之前，偏轉(zhuǎn)角θ呈線性變化，結(jié)構(gòu)此階段處于彈性范圍；在PGA∈(0.605g，1.705g)區(qū)間時(shí)，曲線斜率略為減小，剛度有所下降，結(jié)構(gòu)中已經(jīng)有桿件進(jìn)入塑性；當(dāng)PGA∈(1.705g，2.055g)區(qū)間時(shí)，曲線斜率以減小的趨勢(shì)呈非線性變化，結(jié)構(gòu)剛度削弱嚴(yán)重，如圖3(b)中2號(hào)和3號(hào)曲線所示，此階段的節(jié)點(diǎn)位移時(shí)程曲線已經(jīng)嚴(yán)重偏離平衡位置，說(shuō)明結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重；當(dāng)PGA> 2.055g時(shí)，時(shí)程曲線發(fā)散，結(jié)構(gòu)剛度幾乎衰減到零，不能繼續(xù)承載，如圖3(b)中4號(hào)曲線所示，可判定結(jié)構(gòu)倒塌，仿真中獲得的倒塌變形模式見圖3(c)。Santa Barbara地震動(dòng)作用下的偏轉(zhuǎn)角θ全過(guò)程曲線見圖4，除各階段的PGA數(shù)值不同，其余的規(guī)律也都一致。

根據(jù)以上分析可見，該進(jìn)線構(gòu)架在失效之前一些桿件經(jīng)歷了較為充分的塑性發(fā)展，不屬于脆性破壞；結(jié)構(gòu)X向(縱向)相對(duì)Y向(橫向)較為薄弱，端部A字柱的柱腳破壞起到整個(gè)結(jié)構(gòu)倒塌的控制作用；結(jié)構(gòu)失效模式表現(xiàn)為在逐漸增大的地震荷載激勵(lì)下，結(jié)構(gòu)端部A字柱柱腳率先進(jìn)入塑性，并逐漸深入，變形加劇，導(dǎo)致端部A字柱率先倒塌傾覆，進(jìn)而使得整個(gè)進(jìn)線構(gòu)架倒塌失效。

3 進(jìn)線構(gòu)架的性能目標(biāo)

根據(jù)上節(jié)對(duì)500 kV進(jìn)線構(gòu)架的強(qiáng)震失效分析，參照文獻(xiàn)[19]，定義了進(jìn)線構(gòu)架地震損傷等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)及性能水準(zhǔn)見表1。500 kV進(jìn)線構(gòu)架在特高壓變電站中起著重要的作用，是維持電力供應(yīng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)要求應(yīng)高于普通建筑物?；谖墨I(xiàn)[20]，在設(shè)計(jì)中可取進(jìn)線構(gòu)架基于性能的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)見表2。

如果將表2中的5個(gè)等級(jí)和4個(gè)臨界狀態(tài)標(biāo)示在用偏角θ繪制的全過(guò)程曲線中，則大致如圖5(圖中每條曲線代表一個(gè)地震作用的算例)；每個(gè)臨界狀態(tài)的中位值和變異系數(shù)統(tǒng)計(jì)見表3，進(jìn)線構(gòu)架各極限狀態(tài)的損傷程度見圖6。

為了方便應(yīng)用，將表3中的各臨界狀態(tài)的中位值進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的各參數(shù)取值見圖5，進(jìn)而劃分500 kV進(jìn)線構(gòu)架性能目標(biāo)見表4。

表1 500 kV進(jìn)線構(gòu)架破壞等級(jí)劃分及性能水準(zhǔn)

表2 500 kV進(jìn)線構(gòu)架基于性能的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)

圖5 性能目標(biāo)劃分Fig.5 Division of performance targets

圖6 各臨界狀態(tài)對(duì)應(yīng)的損傷程度Fig.6 Degree of damage at each critical state

表3 各臨界狀態(tài)計(jì)算值

表4 500 kV進(jìn)線構(gòu)架的性能目標(biāo)

4 進(jìn)線構(gòu)架的性能目標(biāo)

地震易損性是指結(jié)構(gòu)在某一給定危險(xiǎn)性水平的地震作用下地震需求D達(dá)到或超過(guò)結(jié)構(gòu)抗力C的條件概率，是結(jié)構(gòu)的本身屬性[21]。其中結(jié)構(gòu)地震需求和抗力均服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，基于地震動(dòng)強(qiáng)度的地震易損性函數(shù)[22]：

(1)

式中μC為以地震動(dòng)參數(shù)表示的結(jié)構(gòu)抗力的中位值；σC為以地震動(dòng)參數(shù)表示的結(jié)構(gòu)抗力對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差。

其中μC和σC可以通過(guò)式(2)和式(3)確定：

(2)

(3)

式中mC為不同臨界狀態(tài)下的能力平均值；δC為不同臨界狀態(tài)下的能力變異系數(shù)。

基于上節(jié)定義的500 kV進(jìn)線構(gòu)架性能目標(biāo)和各臨界狀態(tài)的建議取值， 選取40條[23]遠(yuǎn)場(chǎng)且震級(jí)較大的地震記錄，場(chǎng)地類別屬于Ⅱ類場(chǎng)地。采用IDA方法獲得結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)所對(duì)應(yīng)每一條記錄的地震動(dòng)強(qiáng)度，采用式(2)和式(3)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲得結(jié)構(gòu)基于地震動(dòng)強(qiáng)度的地震抗力統(tǒng)計(jì)值見表5。

表5 500 kV進(jìn)線構(gòu)架基于地震動(dòng)強(qiáng)度的地震抗力統(tǒng)計(jì)值

圖7 500 kV進(jìn)線構(gòu)架地震易損性曲線Fig.7 Seismic vulnerability curve of 500 kV substation frames

據(jù)此，繪制500 kV進(jìn)線構(gòu)架各臨界狀態(tài)的易損性曲線見圖7。由圖7可見，按照基于性能的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的易損性，結(jié)構(gòu)在8度多遇地震(0.07g)作用下保證完好的概率為100%；8度基本地震(0.21g)作用下保證輕微破壞的概率為100%；8度罕遇地震(0.40g)作用下保證中等破壞的概率為100%；8度極罕遇地震(0.60g)作用下保證嚴(yán)重破壞的概率為99.8%。因此結(jié)構(gòu)滿足基于性能的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)。圖7中完好和輕微破壞的區(qū)域比較飽和，中等破壞和嚴(yán)重破壞區(qū)域狹窄，特別是嚴(yán)重破壞區(qū)域。說(shuō)明結(jié)構(gòu)的整體剛度和強(qiáng)度較大，在彈性范圍內(nèi)能抵抗較大地震力；結(jié)構(gòu)在輕微破壞區(qū)域進(jìn)入塑性，且塑性發(fā)展逐漸深入；在中等破壞區(qū)域，損傷迅速發(fā)展，結(jié)構(gòu)很快進(jìn)入嚴(yán)重破壞甚至倒塌。在塑性發(fā)展后期結(jié)構(gòu)損傷過(guò)于迅速，因此在強(qiáng)震驗(yàn)算時(shí)應(yīng)以輕微破壞為目標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)算。

5 結(jié) 論

本文采用以基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想與地震概率易損性相結(jié)合的抗震性能評(píng)估方法，對(duì)特高壓變電站500 kV進(jìn)線構(gòu)架開展了全荷載域時(shí)程分析和易損性分析，得出如下結(jié)論：①結(jié)構(gòu)失效之前經(jīng)歷了充分的塑性發(fā)展，屬于延性破壞;②結(jié)構(gòu)端部A字柱的柱腳破壞起到整個(gè)結(jié)構(gòu)倒塌的控制作用，失效表現(xiàn)為端部A字柱率先倒塌傾覆引起整個(gè)進(jìn)線構(gòu)架倒塌;③通過(guò)易損性分析發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)滿足本文提出的基于性能的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo);④結(jié)構(gòu)整體剛度和強(qiáng)度較大，在彈性范圍內(nèi)能抵抗較大地震力，塑性發(fā)展較為深入，在塑性發(fā)展后期結(jié)構(gòu)損傷過(guò)于迅速，在強(qiáng)震驗(yàn)算時(shí)應(yīng)以輕微破壞為目標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)算。

[1] Ghiocel D M,Wilson P R,Thomas G G,et al.Seismic response and fragility evaluation for an Eastern US NPP including soil-structure interaction effects[J].Reliability Engineering and System Safety,1988,62: 197-214.

[2] Hwang H H M,Low Y K.Seismic reliability analysis of plane frame structures[J]. Probabilistic Engineering Mechanics, 1989,4(2): 74-84.

[3] Mander J B,Basoz N. Seismic fragility curve theory for highway bridge [C]//5rh US Conference on Lifeline Earthquake Engineering, Seattle, WA, USA, ASCE, 1999.

[4] Camensig C, Bresesti L, Clementel S,et al. Seismic risk evaluation for high voltage air insulated substations[J].Reliability Engineering and System Safety, 1997(55):179-191.

[5] Brian T,Knight, Kempner L. Seismic vulnerabilities and retrofit of high-voltage electrical substation facilities [C]// Lifeline Earthquake Engineering in a Multi-hazard Environment. ASCE: TCLEE 2009, 2009: 232-243.

[6] 蔣鳳梅. 考慮結(jié)構(gòu)-電氣設(shè)備相互作用的大型變電站地震易損性分析研究[D]. 西安：西安建筑科技大學(xué)，2011.

[7] 張凱,鄧長(zhǎng)根.大型變電構(gòu)架可靠性評(píng)價(jià)的模糊綜合評(píng)判法[J].世界地震工程,2007(2):85-90.

[8] 司建輝,簡(jiǎn)政,劉茂社,等.750 kV格構(gòu)式變電構(gòu)架K形節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究及有限元分析[J].建筑結(jié)構(gòu),2015(3):59-62.

[9] 任源. 220 kV變電站新型型鋼構(gòu)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2016.

[10] 燕正強(qiáng),吳善能.變電站構(gòu)架淺析[J].低溫建筑技術(shù),2012(7):96-97.

[11] 常偉,雷曉標(biāo),張玉明.750 kV變電構(gòu)架剛、柔性法蘭設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].鋼結(jié)構(gòu),2015(8):58-61.

[12] 邱雪蓮. 端撐對(duì)220 kV變電構(gòu)架的靜動(dòng)力響應(yīng)影響研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2015.

[13] 張哲,李天,李光,等.大召營(yíng)高型變電構(gòu)架的動(dòng)力特性分析[J].世界地震工程,2004(3):141-145.

[14] 秦志偉. 受損變電構(gòu)架的動(dòng)力性能及損傷識(shí)別研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2013.

[15] 李蔚英.受損鋼結(jié)構(gòu)變電構(gòu)架抗震性能分析[J].世界地震工程,2016(2):31-37.

[16] 逄錦鵬. 基于概率靈敏度技術(shù)的變電構(gòu)架可靠性研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2010.

[17] Vamvatsikos D C. Allin C. Incremental dynamic analysis [J]. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 2002,31(3):491-514.

[18] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50011-2010[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[19] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 建(構(gòu))筑物地震破壞等級(jí)劃分GB/T 24335-2009[S].南京：鳳凰出版社，2009.

[20] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖 GB18306-2015[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

[21] 高廣燕. 單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)地震概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[22] 于曉輝. 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的概率地震易損性與風(fēng)險(xiǎn)分析[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[23] 鐘杰. 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的概率地震易損性分析[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.