串補平臺抗震性能有限元分析

高湛，吳必華，李華，王健

(1.中南電力設計院，武漢市 430071;2.武漢理工大學，武漢市 430070)

0 引言

串補平臺由基礎及短柱、垂直支持絕緣子、斜拉耐張絕緣子、鋼平臺組成，串補設備安裝在鋼結構平臺上。串補平臺結構受力體系為:豎向荷載由支持絕緣子傳給基礎短柱，水平荷載由垂直支持絕緣子和斜拉耐張絕緣子組成的支撐體系承受。串補平臺是一種頭重腳輕的結構，其結構往往不完全對稱，特別是平臺上荷載分布不均勻，地震作用對結構反應較大;同時支撐串補平臺的垂直絕緣子是一種脆性材料，與鋼結構的抗震性能差別較大，因此，串補平臺的空間計算及抗震分析顯得尤為重要。

1 串補平臺結構特性及荷載

1.1 結構特性

根據串補平臺工藝要求，其結構設計應滿足下列要求:平臺結構的自振頻率與設備的固有頻率應相差2 Hz以上，以避免產生共振;垂直支撐絕緣子主要承受壓力，不承受彎矩;斜拉耐張絕緣子一般只考慮受拉，且應對其施加一定的預拉力;在平臺設計時，應考慮在事故情況下任意一支持絕緣子失效時平臺仍能保證強度和穩定［1］。某串補站串補平臺外貌如圖1所示。

圖1 串補平臺Fig.1 Series compensation platform

1.2 安全系數

由于絕緣子屬脆性材料，沒有塑性變形階段，當應力超過一定值時發生脆性斷裂。依據DL/T 5453—2012《串補站設計技術規程》［2］和 GB 50017—2003《鋼結構設計規范》［3］查得各材料安全系數，如表1所示。

表1 鋼材和絕緣子安全系數Tab.1 Safety factors of steel and insulator

1.3 荷載及荷載組合

串補平臺結構所受荷載主要包括:靜態恒載、風荷載、覆冰荷載、地震作用。

(1)靜態恒載為串補平臺結構及平臺上電氣設備自重力;

(2)風荷載按GB 50009—2001《建筑結構荷載規范》相關要求計算;

(3)覆冰荷載根據國內外相關資料可知，假定每覆冰l mm等效于平臺本身自重力增加1%;

(4)地震作用計算應采用振型分解反應譜法或動力時程分析法，應進行豎向地震作用分析。串補平臺是由鋼材和絕緣子組成的混合結構，所以，構阻尼比取0.03。

在串補平臺結構分析中，主要考慮以下荷載工況:靜態恒載、靜態恒載+最大風荷載、靜態恒載+平均風荷載(50%風荷載)+覆冰荷載、靜態恒載+地震作用+最大風載荷、靜態恒載+地震作用+平均風荷載+覆冰荷載、串補平臺結構任意一支柱絕緣子失效狀態［4］。

2 有限元單元選擇和模型建立

串補平臺上電氣設備宜按實際高度和質量在空間模型中模擬。目前串補平臺國內外通常采用ANSYS進行有限元建模和分析。

由于在串補平臺結構中斜拉耐張拉絕緣子具有單向受力特性，即僅能承受拉力，不能受壓，因此在實際工程中施加預拉力。本文在建模工程中采用Link10單元模擬斜拉耐張拉絕緣子，該單元是非線性單向受力單元，在具體建模過程中施加預拉力(預拉力與實際受拉力相同);Beam188單元模擬平臺型鋼梁和各種絕緣子以及電容器結構;Solid85單元模擬火花間隙和避雷器;Shell63模擬金屬氧化物避雷器上方連接板;Link8單元模擬垂直支柱絕緣子［5-8］。

垂直支柱絕緣子底部和頂部分別與基礎和平臺鋼梁按鉸接考慮，斜拉耐張絕緣子支撐上、下兩端分別與基礎和平臺鋼梁按鉸接考慮。垂直支持和斜拉耐張絕緣子支座外形如圖2所示，某串補站串補平臺有限元模型如圖3所示。

3 靜力計算

靜力計算主要是校核平臺結構在靜態恒載、覆冰荷載、風載荷作用下平臺結構的位移和應力，以驗證平臺結構在上述載荷條件下是否滿足安全性要求。

4 地震作用計算

串補平臺抗震設計目前應用比較廣泛的是反應譜分析及時程分析。由于地震反應譜方法僅適用于結構在彈性范圍內的分析計算，而串補平臺結構中的多個構件有明顯的材料非線性特征。特別是耐張拉絕緣子為單向受力的懸索構件，雖然施加了一定的張拉預應力，但在地震作用下，仍會出現內力為0的狀態，因此反應譜計算結果不一定能反應實際受力狀況。建議在抗震設計計算中，采用動力時程分析方法，以驗證結構的安全性［9］。

4.1 模態分析

在進行時程分析前，必須對串補平臺結構進行模態分析，以了解串補平臺結構的固有頻率(或周期)和振型，它們是承受動態結構設計的重要參數。由于地震中低頻對建筑物的影響最大，所以一般的模態頻率只需要計算到13 Hz左右［10］。

4.2 時程分析

串補平臺結構應分別在x+z向以及y+z向施加地震波來考慮地震對平臺結構及其電氣設備的影響。且平臺結構進行動力時程分析時，要同時考慮平臺結構重力荷載的作用。

串補平臺可采用由5個正弦共振調幅5波組成的調幅波串進行時程分析，如圖4所示，它由5個共振拍波組成，每個拍5周，間隔2 s，拍波的作用時間是s，f為結構模態的第1 階固有頻率［10］。

圖4 正弦共振調幅波Fig.4 Sinusoidal resonance amplitude-modulated wave

各時程的水平加速度為

式中:a(t)為水平方向地面加速度，m/s2;ω為平臺自振圓頻率，Hz，ω=2πf;f為結構模態的第1階固有頻率，Hz;as為時程分析地面運動最大水平加速度，m/s2;ao為設計基本地震加速度，m/s2。

豎向地震作用的時程分析時，地面運動最大加速度av可取最大水平加速度的as的65%。串補平臺水平地震動力反應放大系數取2.0，豎向地震動力反應放大系數取1.0。

5 實例分析

本文根據某串補平臺結構圖建立了其有限元模型，對其進行了靜力分析、模態分析以及時程分析。該串補平臺的平面尺寸為17.645 m×7.85 m，斜拉耐張拉絕緣子施加15 kN預應力。

5.1 靜力分析

根據串補平臺結構模型靜力作用組合的結果，可以得到在靜態恒載+平均風荷載(50%風荷載)+覆冰荷載時產生的結構內力最大，因此下面主要介紹該組合的分析結果。通過建立的模型計算可知，在靜力荷載工況下串補平臺結構的最大等效應力為163 MPa，層間絕緣子的最大等效應力為29 MPa，支柱絕緣子的等效壓力為210 kN，斜拉耐張拉絕緣子的等效拉力為62 kN。

表2列出了型鋼和層間絕緣子的最大等效應力和安全系數，表3列出了支柱絕緣子和耐張拉絕緣子的最大軸力和對應的安全系數。

由表2和表3中可知，各類構件計算的安全系數均大于許用安全系數。因此，在靜力工況下，串補平臺結構安全。

5.2 動力時程分析

串補平臺結構分別在x+z向以及y+z向施加地震波來計算結構的最大等效應力。由計算可知，結構在x+z向和y+z向地震波作用下的最大等效為191 MPa，層間絕緣子的最大等效應力為41 MPa，支柱絕緣子最大等效壓力為297 kN，斜拉耐張拉絕緣子的最大拉力為102 kN。

表4列出了型鋼和層間絕緣子的最大等效應力和安全系數，表5列出了支柱絕緣子和耐張拉絕緣子的最大軸力和對應的安全系數。

由表4和表5可知，各類構件計算的安全系數均大于許用安全系數。因此，在動力工況下，串補平臺結構安全。

5.3 任意一支柱絕緣子失效

由于絕緣子失效的工況時間或替換絕緣子之間的時間比較短，故可只考慮在靜力作用下的失效工況，并與動力工況下的安全系數進行比較，這樣既經濟又滿足結構安全。由計算結果可知，在靜力荷載工況下串補平臺結構的最大等效應力為200 MPa，層間絕緣子的最大等效應力為46 MPa，支柱絕緣子的等效壓力為279 kN，斜拉耐張拉絕緣子的等效拉力為90 kN。表6為靜力作用等效應力校核，表7為靜力作用內力校核。

由表6和表7可知，各類構件計算的安全系數均大于許用安全系數。因此，在任意一支柱絕緣子失效工況下，串補平臺結構安全。

6 結語

串補平臺在抗震設計時，斜拉耐張拉絕緣子為單向受力的懸索構件，雖然施加了一定的張拉預應力，仍會出現內力為0的狀態，具有明顯的非線性特征。由于反應譜僅適用于結構在彈性范圍內的分析計算，因此建議在抗震設計計算中，采用動力時程分析方法。本文對某工程串補平臺結構進行了靜力、地震作用時程分析和任意一絕緣子失效工況的設計計算，校核了串補平臺結構各構件的安全系數，為串補平臺結構設計提供了理論依據。

［1］Q/DG 1-A008—2008串補站設計技術導則［S］.北京:中國電力工程顧問集團公司，2008.

［2］DL/T 5453—2012串補站設計技術規程［S］.北京:中國計劃出版社，2012.

［3］GB 50017—2003鋼結構設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2003.

［4］GB 50009—2012建筑結構荷載規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2012.

［5］李皓月，周天朋，劉相新.ANSYS工程計算應用教程［M］.北京:中國鐵道出版社，2003.

［6］邢靜忠，李軍.ANSYS的建模方法和網格劃分［J］.中國水運:學術版，2006(9):116-118.

［7］謝元丕，馮剛.ANSYS三維實體單元與板殼單元的組合建模研究［J］.機械設計，2009(4):5-7.

［8］王磊，李珊，周陶勇.基于ANSYS的幾種建模方法的探討［J］.現代機械，2006(3):51-52.

［9］GB 50011—2010建筑抗震設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2010.

［10］GB 50260—1996電力設施抗震設計規范［S］.