雷翔勝,張季超,楊 勇,王熾欣,王 浩,許 勇,王亞輝

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心,廣東 廣州 510080; 2.廣州大學(xué)廣東省模塊化建筑產(chǎn)業(yè)工程技術(shù)研究中心,廣東 廣州 510006)

0 引言

全戶內(nèi)變電站是將電器設(shè)備全部布置在房屋內(nèi),與戶外敞開(kāi)式變電站相比,具有占地面積小、設(shè)備性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。戶內(nèi)變電站房屋結(jié)構(gòu)層高較大、樓板開(kāi)洞較多、電器設(shè)備重力較大,與傳統(tǒng)房屋結(jié)構(gòu)相比,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度較大。在地震發(fā)生時(shí),房屋結(jié)構(gòu)的抗震性能影響變電站的安全使用,變電站房屋采用隔震技術(shù)能有效降低水平地震效應(yīng)的影響。

部分學(xué)者對(duì)全戶內(nèi)變電站進(jìn)行了研究,康然等[1]分析了高烈度區(qū)戶內(nèi)變電站的抗震設(shè)計(jì)方法;張季超等[2]介紹了隔震減震技術(shù)在模塊化建筑中的應(yīng)用;華坤等[3]分析了覆土空間下戶內(nèi)變電站頂層隔震技術(shù);李天天等[4]對(duì)全戶內(nèi)變電站生產(chǎn)綜合樓進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)研究;謝強(qiáng)等[5]對(duì)全戶內(nèi)變電站樓面電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究;魏珍中等[6]分析了抗震性能設(shè)計(jì)在某全戶內(nèi)變電站生產(chǎn)綜合樓結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用;程永鋒等[7]介紹了變電站電氣設(shè)備抗震研究現(xiàn)狀;張衛(wèi)東等[8]闡述了特高壓變電站大型變壓器的隔震裝置安裝技術(shù);馬國(guó)梁等[9]對(duì)大型變壓器的基礎(chǔ)隔震摩擦擺系統(tǒng)理論進(jìn)行了研究;張鳴等[10]對(duì)特高壓變電站建筑物基于性能的抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究;蘇瑋等[11]對(duì)甘肅隴南電力生產(chǎn)建筑減震隔震進(jìn)行了分析;劉義娟等[12]對(duì)變電站建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的問(wèn)題進(jìn)行了分析;劉占威等[13]對(duì)變電站主變壓器隔震和消能減震技術(shù)進(jìn)行了研究;陳傳新等[14]對(duì)變電站主控通信樓隔震技術(shù)進(jìn)行了研究。

本文結(jié)合潮州某220 kV變電站配電裝置樓項(xiàng)目,采用PKPM-GZ軟件進(jìn)行隔震結(jié)構(gòu)的一體化建模、設(shè)計(jì)與分析,介紹了變電站配電裝置樓采用基礎(chǔ)隔震的設(shè)計(jì)方法,并分析了配電樓采用基礎(chǔ)隔震后與非隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。隔震設(shè)計(jì)方法與分析結(jié)果能為隔震技術(shù)在全戶內(nèi)變電站建筑中的應(yīng)用提供參考。

1 工程概況

本文選取擬建的潮州某全戶內(nèi)220 kV變電站配電裝置樓結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,地下1層,地上5層,框架結(jié)構(gòu),建筑高度32.7 m,東西方向長(zhǎng)約80.6 m,南北方向長(zhǎng)約24.5 m,總建筑面積約8 200 m2。結(jié)構(gòu)地震基本烈度為8度,基本地震加速度為0.2g,設(shè)計(jì)地震分組為第2組,場(chǎng)地類別為Ⅱ類建筑場(chǎng)地,基本風(fēng)壓值為0.77 kN/m2,抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類,抗震等級(jí)為一級(jí),項(xiàng)目效果如圖1所示。

圖1 變電站配電裝置樓效果Fig.1 Effect of substation configuration building

2 隔震設(shè)計(jì)

2.1 隔震模型建立

本項(xiàng)目采用PKPM-GZ軟件進(jìn)行隔震結(jié)構(gòu)的一體化建模、設(shè)計(jì)與分析,通過(guò)建立變電站配電裝置樓上部結(jié)構(gòu)層、基礎(chǔ)隔震支座層和下支墩層,組裝成隔震結(jié)構(gòu)的整體三維有限元模型,地震作用采用復(fù)振型分解法進(jìn)行計(jì)算。變電站配電裝置樓隔震模型如圖2所示。

圖2 變電站配電裝置樓隔震模型Fig.2 Seismic isolation model of substation configuration building

2.2 隔震支座布置與選型

本項(xiàng)目采用基礎(chǔ)隔震,配電樓四周柱子上布置鉛芯橡膠隔震支座,內(nèi)部柱子上布置天然橡膠隔震支座,在隔震支座選型時(shí),先根據(jù)配電裝置樓上部結(jié)構(gòu)荷載計(jì)算出柱底重力荷載代表值,按豎向壓應(yīng)力初步估計(jì)隔震支座尺寸,然后根據(jù)試算,選出滿足規(guī)范要求的隔震支座尺寸及布置方案。

通過(guò)計(jì)算,本項(xiàng)目共使用了74個(gè)隔震支座,其中鉛芯橡膠隔震支座35個(gè),天然橡膠隔震支座39個(gè),各類型隔震支座數(shù)量及力學(xué)性能參數(shù)如表1,2所示。

表1 鉛芯橡膠隔震支座力學(xué)性能參數(shù)(型號(hào)G=6.0)Table 1 Mechanical performance parameters of lead rubber isolation bearings (model G=6.0)

表2 天然橡膠隔震支座力學(xué)性能參數(shù)(型號(hào)G=6.0)Table 2 Mechanical performance parameters of natural rubber isolation bearings (model G=6.0)

2.3 隔震支座驗(yàn)算

2.3.1隔震支座壓應(yīng)力驗(yàn)算

通過(guò)計(jì)算得出,隔震支座在重力荷載代表值作用下,最大豎向壓應(yīng)力為11.85 MPa,滿足規(guī)范要求的乙類建筑隔震支座最大豎向壓應(yīng)力不超過(guò)12 MPa,支座具有足夠的安全儲(chǔ)備。

2.3.2隔震層偏心率驗(yàn)算

本項(xiàng)目在設(shè)防烈度作用下隔震層偏心率的計(jì)算結(jié)果如表3所示:x向偏心率為0.16%,y向偏心率為0.01%,滿足規(guī)范要求。

表3 配電樓隔震層偏心率Table 3 Eccentricity of isolation layer of distribution building

2.3.3隔震層抗風(fēng)承載力驗(yàn)算

通過(guò)計(jì)算,x向風(fēng)荷載作用下,隔震層水平剪力標(biāo)準(zhǔn)值為1 744.8 kN,y向風(fēng)荷載作用下,隔震層水平剪力標(biāo)準(zhǔn)值為4 835.3 kN,隔震結(jié)構(gòu)總重力的10%為20 567 kN,x向與y向隔震層水平剪力標(biāo)準(zhǔn)值均小于隔震結(jié)構(gòu)總重力的10%,滿足規(guī)范要求。

3 隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

3.1 不同振型下周期對(duì)比分析

采用隔震設(shè)計(jì)與非隔震結(jié)構(gòu)在中震不同振型下的周期對(duì)比如圖3所示,從圖中可以看出:不同振型下,采用隔震設(shè)計(jì)的變電站配電裝置樓周期均增大,周期延長(zhǎng)系數(shù)為隔震后結(jié)構(gòu)周期與隔震前結(jié)構(gòu)周期的比值,振型1～6的周期延長(zhǎng)系數(shù)分別為:1.627,1.747,1.718,1.371,1.471,1.432。由此可以得出:采用隔震措施后,配電裝置樓的周期延長(zhǎng)明顯,能夠有效降低水平地震引起的破壞。

圖3 采用隔震設(shè)計(jì)與非隔震結(jié)構(gòu)周期對(duì)比Fig.3 Comparison of period between isolated and non isolated structures

3.2 不同振型下阻尼比對(duì)比分析

變電站配電裝置樓采用隔震設(shè)計(jì)與非隔震結(jié)構(gòu)在中震不同振型下的阻尼比對(duì)比如圖4所示,從圖中可以看出:隔震后配電裝置樓阻尼比明顯增大,以第一振型為例,隔震前阻尼比約為5%,隔震后阻尼比約為16.29%,增大了約3.26倍。

圖4 采用隔震設(shè)計(jì)與非隔震結(jié)構(gòu)阻尼比對(duì)比Fig.4 Comparison of damping ratio between isolated and non isolated structures

3.3 樓層剪力對(duì)比分析

圖5為變電站配電裝置樓采用隔震設(shè)計(jì)與非隔震結(jié)構(gòu)在x向與y向中震作用下樓層剪力對(duì)比,從圖中可以看出:采用隔震設(shè)計(jì)的樓層剪力明顯減小。以底部樓層剪力為例,x向地震作用下,非隔震結(jié)構(gòu)底部樓層剪力為9 070.1 kN,隔震結(jié)構(gòu)底部樓層剪力為5 970.1 kN,減小了34%,底部剪力比為0.658,y向地震作用下,非隔震結(jié)構(gòu)底部樓層剪力為10 036.2 kN,隔震結(jié)構(gòu)底部樓層剪力為5 937.7 kN,減小了41%,底部剪力比為0.598。由此可以得出水平減震系數(shù)為0.658,根據(jù)規(guī)范隔震層上部結(jié)構(gòu)的抗震措施可降低半度按7(0.15g)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖5 采用隔震設(shè)計(jì)與非隔震結(jié)構(gòu)樓層剪力對(duì)比Fig.5 Comparison of floor shear force between isolated and non isolated structures

3.4 采用隔震設(shè)計(jì)與非隔震結(jié)構(gòu)最大層位移對(duì)比分析

圖6為變電站配電裝置樓采用隔震設(shè)計(jì)與非隔震結(jié)構(gòu)在x向與y向中震地震作用下最大層位移對(duì)比。從圖中可以看出:1層為隔震層,x向與y向地震作用下,最大層位移均為隔震結(jié)構(gòu)大于非隔震結(jié)構(gòu),隔震層以上樓層的最大層位移均為隔震結(jié)構(gòu)小于非隔震結(jié)構(gòu)。以2層為例,x向地震作用下非隔震結(jié)構(gòu)的最大層位移為1.29 mm,隔震結(jié)構(gòu)的最大層位移為0.23,減小了82%。y向地震作用下非隔震結(jié)構(gòu)的最大層位移為1.25 mm,隔震結(jié)構(gòu)的最大層位移為0.57,減小了54%。

圖6 采用隔震設(shè)計(jì)與非隔震結(jié)構(gòu)最大層位移對(duì)比Fig.6 Comparison of maximum floor displacement between isolated and non isolated structures

3.5 采用隔震設(shè)計(jì)與非隔震結(jié)構(gòu)層位移角對(duì)比分析

圖7為變電站配電裝置樓采用隔震設(shè)計(jì)與非隔震結(jié)構(gòu)在x向與y向中震地震作用下,隔震層以上樓層層位移角對(duì)比。從圖中可以看出:x向與y向地震作用下,隔震層以上樓層的最大層位移角均為非隔震結(jié)構(gòu)大于隔震結(jié)構(gòu)。以2層為例,x向地震作用下非隔震結(jié)構(gòu)的層位移角為1/777,隔震結(jié)構(gòu)的層位移角為1/1 346,減小了42%。y向地震作用下非隔震結(jié)構(gòu)的層位移角為1/800,隔震結(jié)構(gòu)的層位移角為1/1 435,減小了45%。

圖7 采用隔震設(shè)計(jì)與非隔震結(jié)構(gòu)層位移角對(duì)比Fig.7 Comparison of displacement angle between isolated and non isolated structures

3.6 采用隔震設(shè)計(jì)與非隔震結(jié)構(gòu)剪重比對(duì)比分析

圖8為變電站配電裝置樓采用隔震設(shè)計(jì)與非隔震結(jié)構(gòu)在x向與y向中震地震作用下的剪重比對(duì)比。從圖中可以看出:x向與y向地震作用下,樓層剪重比均為非隔震結(jié)構(gòu)大于隔震結(jié)構(gòu)。以2層為例,x向地震作用下非隔震結(jié)構(gòu)的剪重比為5.28,隔震結(jié)構(gòu)的剪重比為3.47,減小了34%。y向地震作用下非隔震結(jié)構(gòu)的剪重比為5.84,隔震結(jié)構(gòu)的剪重比為3.45,減小了41%。

圖8 采用隔震設(shè)計(jì)與非隔震結(jié)構(gòu)剪重比對(duì)比Fig.8 Comparison of shear weight ratio between isolated and non isolated structures

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合潮州某220 kV變電站配電裝置樓項(xiàng)目,介紹了變電站配電裝置樓采用基礎(chǔ)隔震的設(shè)計(jì)方法,并分析了采用基礎(chǔ)隔震后與非隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng),主要結(jié)論如下。

1)采用PKPM-GZ軟件可對(duì)全戶內(nèi)變電站配電裝置樓進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)與分析。隔震結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行隔震支座壓應(yīng)力驗(yàn)算,隔震層偏心率驗(yàn)算與隔震層抗風(fēng)承載力驗(yàn)算。

2)配電裝置樓采用基礎(chǔ)隔震后,不同振型下,隔震結(jié)構(gòu)的周期和阻尼比均增大,配電裝置樓周期的延長(zhǎng)能夠有效降低水平地震引起的結(jié)構(gòu)破壞。

3)配電裝置樓采用基礎(chǔ)隔震后,樓層剪力明顯減小,x向地震作用下,底部樓層剪力減小了34%,y向地震作用下,底部樓層剪力減小了41%。

4)配電裝置樓采用基礎(chǔ)隔震后,隔震層以上樓層最大位移和位移角均減小。隔震結(jié)構(gòu)剪重比小于非隔震結(jié)構(gòu)。