新型高架電氣隔震裝置分析與探討

摘 要：針對(duì)高架電氣隔震控制問題，開發(fā)出新型隔震裝置，該裝置水平向剛度比較小，與普通橡膠隔震支座不同的是該裝置能夠抵抗較大的豎向拉力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高架電氣設(shè)備的隔震。

關(guān)鍵詞：電力建筑；高架電氣裝置；防震

中圖分類號(hào)：TU文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3198（2008）05-0337-02

1 高架電氣防震裝置研究的意義

強(qiáng)烈的地震給世界各國(guó)人民造成了巨大的災(zāi)害，地震中大量建筑物的破壞與倒塌，是造成地震災(zāi)害的直接原因，結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的重要課題。在震害調(diào)查分析中發(fā)現(xiàn)，建筑物即使按照傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)也有倒塌的現(xiàn)象，因此為了保證重要建筑的安全，結(jié)構(gòu)工程師們轉(zhuǎn)向?qū)π碌目拐鹪O(shè)計(jì)方法即結(jié)構(gòu)控制的研究。通過在結(jié)構(gòu)上設(shè)置控制機(jī)構(gòu)，由控制機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)共同控制抵御地震動(dòng)等動(dòng)力荷載，使結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)減小，從而有效地減輕地震災(zāi)害。同時(shí)隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，變電站工程建筑形式要求越來越復(fù)雜-平面上不規(guī)則，立面上也不規(guī)則，而且需要在樓板上豎向布置電纜，對(duì)結(jié)構(gòu)局部剛度有所削弱，同時(shí)需要較大的內(nèi)部空間，水平剛度較小。在地震作用下，這些結(jié)構(gòu)將發(fā)生較大的扭轉(zhuǎn)，加重這些建筑的破壞，因此制約著結(jié)構(gòu)建筑形式的多樣化發(fā)展，對(duì)變電站工程中建筑的扭轉(zhuǎn)響應(yīng)控制迫在眉睫。

電力系統(tǒng)是生命線工程的重要組成部分。在地震中，電力系統(tǒng)一旦發(fā)生破壞，可能造成震區(qū)及周邊地區(qū)的大面積停電，嚴(yán)重影響救災(zāi)及震后的重建工作。高壓電氣設(shè)備在地震時(shí)是應(yīng)該首要保護(hù)的，而其中尤以高架電氣設(shè)備最為重要，相比其他電氣設(shè)備，高架電氣設(shè)備由于位置較高，動(dòng)力響應(yīng)較大，容易破壞，一旦震壞則更難修復(fù)及更換，也是震后難以通電運(yùn)行的關(guān)鍵所在。而現(xiàn)在對(duì)于電氣設(shè)備的抗震在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)考慮的較少，主要是由于設(shè)計(jì)人員認(rèn)為電氣設(shè)備生產(chǎn)廠家已經(jīng)考慮了設(shè)備的抗震，故在設(shè)計(jì)時(shí)未考慮設(shè)備的抗震。從歷次震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，高架電氣設(shè)備沒有像設(shè)計(jì)人員想象的那么安全，很多高架電氣設(shè)備遭到嚴(yán)重的破壞，因此對(duì)于高架電氣設(shè)備抗震研究迫在眉睫。

2 新型高架電氣隔震裝置

對(duì)于高架電氣設(shè)備的隔震不但要使隔震層的水平剛度小，最重要的是隔震裝置要能抵抗大震下的產(chǎn)生的傾覆力矩，然而普通的橡膠隔震裝置不能抵抗大震下在隔震層產(chǎn)生的傾覆力矩，因此普通的橡膠隔震裝置不適合應(yīng)用于高架電氣設(shè)備的隔震控制，必須開發(fā)新的隔震裝置對(duì)其進(jìn)行隔震。由高架電氣設(shè)備對(duì)隔震裝置的力學(xué)性能要求可知，隔震裝置必須能夠承受大震下電氣設(shè)備對(duì)其產(chǎn)生的拉力，而且必須水平向的剛度較小。裝置在水平向的剛度較小，而豎向的剛度較大，能夠提供較大的拉力。裝置的鋼材主要采用Q235鋼材，以保證水平向剛度較小，而且該裝置材料造價(jià)較低，材料可以就地取材，因此比較容易實(shí)現(xiàn)。

3 330KV電壓互感器隔震設(shè)計(jì)

3.1 工程概況

該項(xiàng)目來源于某高烈度地區(qū)的新建330kV變電站工程，根據(jù)《建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》 (GB50011-2001)，設(shè)防烈度8度(0.309)。場(chǎng)地類別II類，設(shè)計(jì)分組第一組，場(chǎng)地特征周期取 Tg=0.35秒，不考慮近場(chǎng)影響。設(shè)計(jì)目標(biāo)減小電氣設(shè)備的水平向地震加速度及設(shè)備頂點(diǎn)與底面的相對(duì)位移。隔震支座設(shè)置在支架頂部，將330KV電壓互感器與支架隔開，以達(dá)到隔離地震能量、減小電壓互感器水平地震作用的目的。330KV電壓互感器隔震設(shè)計(jì)如圖1所示：

圖1 互感器隔震設(shè)計(jì)圖

3.2 材料屬性

對(duì)于上部結(jié)構(gòu)330KV電壓互感器由瓷套組成，下部支架由鋼材組成，各材料的屬性表1所示：

3.3 隔震裝置剛度確定

采用有限元分析軟件SAP200建立隔震裝置的有限元模型，通過計(jì)算分析小震下隔震層x向Y向水平剛度1.61×106N/m，大震下隔震層裝置的部分屈服，故考慮剛度的退化，取小震時(shí)剛度的0.2倍。

3.4 計(jì)算分析與構(gòu)造措施

利用時(shí)程分析法，對(duì)該結(jié)構(gòu)選用三條實(shí)際地震記錄和一組人工模擬加速度時(shí)程曲線，分別選取El-Centro波、Kobe波、波、Taft和所擬合的人工模擬地震波(蘭州波)。對(duì)該工程進(jìn)行了分析，加速度峰值取為:多遇110.0cm/s2，罕遇510.0 cm/s2，對(duì)結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行不隔震、隔震小震、隔震大震情況下計(jì)算。

（1）結(jié)構(gòu)基本周期：

（2）隔震支座最大壓力：

考慮豎向地震作用，取構(gòu)件重力荷載代表值的20%，隔震支座的壓力設(shè)計(jì)值由1.2×永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值+0.2×構(gòu)件重力荷載代表值求得。計(jì)算結(jié)果表明，隔震支座最大壓力設(shè)計(jì)值小于隔震裝置豎向承載壓力。

（3）隔震效率：定義隔震效率為=隔震后設(shè)備頂點(diǎn)最大加速度/隔震前設(shè)備頂點(diǎn)最大加速度，計(jì)算結(jié)果見表3

（4）罕遇地震時(shí)隔震支座驗(yàn)算：

①隔震層在罕遇地震作用下隔震層水平剪力標(biāo)準(zhǔn)值平均為8.9lKN，設(shè)計(jì)值11.58KN。小于4個(gè)M18螺栓的剪力承載力設(shè)計(jì)值。

②隔震支座在罕遇地震作用下隔震層的彎矩標(biāo)準(zhǔn)值平均為25.03KN.m，螺栓的拉力設(shè)計(jì)值為25.73KN，小于螺栓容許拉力值。

③隔震裝置A構(gòu)件的拉力設(shè)計(jì)值為25.73KN，小于豎向容許拉力值為。

④隔震支座在罕遇地震作用下平均最大位移為2.89cm。

（5）隔震支座以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：

隔震層以上結(jié)構(gòu)應(yīng)采取不阻礙隔震層在罕遇地震下發(fā)生較大變形的措施。上部結(jié)構(gòu)及隔震層部件應(yīng)與周圍固定物脫開，與水平方向固定物的脫開距離。

（6）隔震支座以下支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：

隔震層以下結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性對(duì)上部結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要，應(yīng)務(wù)必使該部分結(jié)構(gòu)具有較大的安全儲(chǔ)備。根據(jù)抗震規(guī)范GB500II-2001要求，隔震層以下結(jié)構(gòu)的地震作用和抗震驗(yàn)算，應(yīng)按罕遇地震作用下內(nèi)力組合進(jìn)行驗(yàn)算。水平剪力Vi為11.58KN、軸力N為ZI.87KN，彎矩為上部結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下產(chǎn)生的彎矩+Vi H，H為支架柱高。

參考文獻(xiàn)

［1］周錫元，閻維明，楊潤(rùn)林.建筑結(jié)構(gòu)的減震、減振和振動(dòng)控制.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2002，23(2):2-12.

［2］李宏男，閻石，林皋.智能結(jié)構(gòu)控制發(fā)展綜述.地震工程與工程振動(dòng)，1999，19(2):29-36.

［3］杜永峰.被動(dòng)與智能減震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析及控制算法.大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文，2003.

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