淺談電氣化鐵路牽引變電架構及基礎抗震設計

楊 佳 項金志 李 峰

(中鐵二院工程集團有限公司, 成都 610031)

淺談電氣化鐵路牽引變電架構及基礎抗震設計

楊 佳 項金志 李 峰

(中鐵二院工程集團有限公司, 成都 610031)

由于電氣化鐵路領域牽引變電架構及基礎在抗震設計方面缺乏系統的理論研究，未形成完善的設計方法和步驟，影響了電氣化鐵路領域牽引變電架構的可靠性設計和技術體系發展。文章通過工程應用現狀以及地震波特點，結合牽引變電架構自身特點，分析了高地震環境下牽引變電架構及基礎適應性；整理和對比分析了國內外相關抗震設計規范，制定出高地震環境下牽引變電架構及基礎的抗震設計原則及措施；結合工程抗震以及電氣化鐵路設計的特點，系統地提出牽引變電架構及基礎的設計步驟；同時，結合工程實際提出了高地震環境下牽引變電架構及基礎系列抗震、減震及隔震措施等。

牽引變電架構； 基礎； 規范； 抗震設計； 減震及隔震

隨著全球進入新一輪的地震活躍期，地震對人類的影響越來越大，我國是一個幅員遼闊、多地震的國家，近幾年發生的汶川、舟曲和玉樹等多次強震，造成了不可估量的生命、財產損失。

世界各國對地震以及抗震設計一直都在不斷的研究，我國根據歷次地震經驗教訓，逐漸形成了多種、多行業的抗震設計規范、規程。電氣化鐵路系統是一個有別于其他領域的特殊行業，功能性和技術性都有其獨特性，對牽引變電架構及基礎在抗震設計研究方面非常少，主要如下：

(1)對于牽引變電架構的抗震設計，目前都是參照房屋建筑和電力設施進行抗震設計，缺乏適合自身系統的規范、標準。

(2)對于牽引變電架構的抗震設計，缺乏系統的理論依據和指導，如地震設防烈度、地震作用計算方法、地震作用參數取值以及荷載效應計算等方面，都沒有系統性、合理性的規定。

(3)缺少牽引變電架構甚至電氣化鐵路系統的地震資料、震害資料，未系統的展開分析、調查，沒有充分的總結經驗教訓，使得牽引變電機構的抗震設計研究停滯不前。

(4)在實際工程抗震設計中，設計文件僅交代抗震設計設防烈度等一些簡單術語，缺少應有的抗震作用計算、抗震措施或抗震構造措施等，工程缺少系統的抗震設計。

因此，本文結合國內外抗震設計情況，針對目前我國電氣化鐵路牽引變電架構、設備支架及設備基礎等抗震設計技術進行論述。

1 牽引變電架構及基礎

牽引變電架構是電氣化鐵路變電所室外導線、設備的主要支持結構的統稱，主要包括：進線架構、中間架構、終端架構和設備支架。它是根據變電所的電壓等級、規模、設備布置、施工運行條件以及當地的氣象條件等來確定的。

1.1 牽引變電架構及設備支架

牽引變電架構按其用途分類，架構分進線架構、中間架構和終端架構等，單桿或雙桿設備支架等；牽引變電站架構按材料分為鋼結構和混凝土結構；按結構型式分：支柱有角鋼格構式、環形等徑式、人字柱及設置拉線等型式；橫梁有格構式和非格構式。

(1)在電氣化鐵路領域，牽引變電架構主要采用格構式角鋼架構和預應力環形截面鋼筋混凝土柱架構。

預應力環形截面鋼筋混凝土柱架構，一般由預應力環形等徑支柱和輕型圓鋼管橫梁組成，用于變電所電壓等級較低，承受荷載不大，且設計使用年限要求不高的變電所，該種結構的架構施工重量大，不易運輸，但一次性投資較低。

格構式角鋼架構，一般由矩形斷面格構式支柱和矩形斷面格構式鋼梁或輕型圓鋼管橫梁組成，用于變電所電壓等級較高，承受荷載交大的變電所，該種結構的變電架構加工、運輸方便，自重輕，易于防腐，焊接型格構式角鋼架構安裝簡單，但投資較混凝土架構更高。

(2)變電所內的設備支架主要有采用環形等徑預應力混凝土支架、格構式角鋼支架和H型鋼支架。

環形等徑預應力混凝土支架結構，由混凝土和鋼筋組成，其加工制造較復雜，重量大，不易運輸，造價與格構式角鋼支架相比節省不明顯。

格構式角鋼支架結構，是由角鋼組成的矩形斷面格構式柱，熱浸鍍鋅易于防腐，生產加工、運輸等都較方便。

H型鋼支架結構，由H型鋼加工而成，在高速鐵路系統中，與接觸網系統H型鋼柱協調一致，整體美觀性強，但是H型鋼結構有強弱軸之分，截面抵抗矩大小跟方向有較大關系，且承受扭矩荷載差。

1．2 變電架構及設備支架基礎

變電架構基礎型式的設計和選擇，應綜合考慮場坪地質情況、作用在基礎上的荷載大小和類型、施工運輸條件、工程造價以及美觀等因素，滿足結構的可靠、穩定性。

在電氣化鐵路系統中，根據牽引變電結構特點，牽引變電架構及設備支架基礎一般采用兩種型式：當采用格構式鋼柱時，一般采用現場開挖混凝土澆筑基礎；當采用環形等徑混凝土支柱時，一般采用插入式杯型基礎；基礎均采用素混凝土，基礎內一般可不配置鋼筋。

2 抗震設計規范

目前，在電氣抗震設計方面，國外主要有美國、歐洲、日本進行了系列研究，形成如美國變電站抗震設計推薦實施規程(IEEE Std693)、歐洲EN系列標準、日本電氣設備抗震設計指南(JEAG 5003)等。

我國已經頒布實施了多部抗震設計規范，如：GB 50223-2008《建筑工程抗震設防分類標準》、GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》和GB 50260-1996《電力設施抗震設計規范》等。這些規范對工程抗震設計的各方面都提出了詳細的要求，如表1所示。

表1 抗震設計規范表

3 抗震設計原則

3.1 抗震設防類別

(1)GB 50223-2008《建筑工程抗震設防分類標準》規定了在鐵路建筑中，各種等級鐵路的行車調度、運轉、通信、信號、供電、供水建筑，以及特大型站和最高聚集人數很多的大型站的客運候車樓，抗震設防類別應劃為重點設防類。

(2)GB 50223-2008《建筑工程抗震設防分類標準》相關條文進一步解釋在鐵路系統的建筑中，需要提高設防標準的建筑主要是五所一室和人員密集的候車室。

(3)GB 50223-2013《電力設施抗震設計規范》規定了變電站所有架構、設備支架為標準設防類，簡稱丙類。

綜上，對電氣化鐵路牽引變電架構基礎的抗震設防類別無專門的明確規定，因此，在充分考慮電氣化鐵路牽引供電系統的安全性、經濟性等基礎上，牽引供電系統中的變電架構建議采用標準設防類(丙類)。

3.2 抗震設防烈度

電氣化鐵路工程所在地區可能遭受的地震影響程度，應用相應于抗震設防烈度的地震動峰值加速度和地震動反應譜特征周期來表述，如表2所示。

表2 抗震設防烈度參數表

在牽引變電架構的抗震設計時，變電架構、基礎的抗震設防烈度應根據GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》以及現行《中國地震烈度區劃圖》規定的基本地震烈度進行取值計算。

3.3 場地類別

建筑場地按照現行國家標準GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》可分為有利、不利和危險地段，如表3所示。

表3 不同地段類別的劃分表

場地地質勘察應在勘察報告中劃分為對變電架構、基礎有利、不利和危險的地段，并應提供變電架構、基礎的場地覆蓋層厚度、圖層剪切波速和巖土地震穩定性評價。在牽引變電架構抗震設計時，工程地勘專業或地質專業應該直接向牽引變電專業提供相應區段的場地類別，牽引變電專業據此展開變電架構的抗震設計。

3.4 設防標準

變電所架構及基礎抗震設防類別為標準設防類(丙類)，應按本地區抗震設防烈度確定其抗震措施和地震作用。

(1)GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》第3.1.2條規定：“抗震設防烈度為6度時，除本規范有具體規定外，對乙、丙、丁類的建筑可不進行地震作用計算。”

(2)GB 50223-2013《電力設施抗震設計規范》第7.6.11條規定：“抗震設防烈度小于或等于8度，Ⅰ、Ⅱ類場地的構支架及其地基基礎可不進行截面抗震驗算。”

(3)GB 50135-2006《高聳結構設計規范》第4.4.3條規定：“小于或等于8度，Ⅰ、Ⅱ類場地的不帶塔樓的鋼塔架及其地基基礎可不進行抗震驗算。”

綜上可知，下列變電站架構及基礎可不進行截面抗震驗算，而僅需滿足抗震構造要求。

(1)6度，在任何類場地的架構、設備桿及其地基基礎。

(2)小于或等于8度，Ⅰ、Ⅱ類場地的架構、設備桿及其地基基礎。

因此，在牽引變電架構及基礎的抗震設計時，其設防標準如表4所示。

表4 牽引變電架構抗震設防標準表

表中“×”表示不考慮地震作用

3.5 抗震措施

(1)牽引變電架構

牽引變電構架柱宜采用A字形鋼管柱、角鋼或鋼管格構式柱，220 kV及以下電壓等級的構架柱也可采用A字形鋼筋混凝土環形桿和鋼管混凝土柱等結構形式，構架梁宜采用單鋼管梁、三角形或矩形斷面格構式鋼梁等結構形式。

(2)牽引變電架構基礎

變電架構基礎和設備桿基礎抗宜采用現澆結構。需要設置部分裝配式構件時，應使其與周圍構件有可靠的連接。地下鋼筋混凝土框架結構構件的最小尺寸應不低于同類地面結構構件的規定。

在進行電氣設備的支架設計時，要使基礎和支架的自震頻率與設備本體的自震頻率分開，支架的自震頻率應為設備自震頻率的3倍以上，避免設備支架與電氣設備發生共振。

設備基礎和設備支架的自震頻率應避開地震波的頻率范圍0.5～10 Hz，且距離越遠越好，一般應使設備基礎和支架的自震頻率大于15 Hz，防止因基礎、支架與地震發生共振而產生動力反應。

混凝土結構構件的縱向受力鋼筋的抗震錨固長度修正系數，對一、二級抗震等級取1.15，對三級抗震取1.05，對四級抗震等級取1.00。

4 抗震設計計算

4.1 計算方法

抗震設計的基本目標是防止建筑倒塌，保證地震后建筑物的使用功能。正如“小震不壞、中震可修、大震不倒”。地震對建筑物的作用效應與地震烈度的大小、震中距、場地條件、結構本身的動力特性(自振周期、阻尼)、時間歷程等有關。現今比較成熟的計算地震力的方法有底部剪力法、振型分解反應譜法和時程分析法。

變電構架進行截面抗震驗算時，其計算簡圖可與靜力分析簡圖取得一致，尚應按兩個水平主軸方向分別進行驗算。牽引變電架構高度不超過30 m，且以剪切變形為主的結構和近似于單質點體系的變電所結構(含基礎地面以上部分)，可采用底部剪力法等簡化方法。

4.2 地震荷載組合

地震作用效應與其他荷載效應組合時，應計入下列各項作用：①恒載；②導線、絕緣子串和金具重等設備荷載；③正常運行時的最大導線張力；④按《建筑抗震設計規范》的規定同時計入的風荷載作用效應；⑤對高型或半高型布置的構架，尚應考慮通道活荷載1.0 kN/m2。

GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》荷載效應組合是針對房屋建筑結構的荷載，對于牽引變電所架構、基礎的荷載組合只能起到一個指導作用，GB 50260-2013《電力設施抗震設計規范》荷載組合增加了導線張力，更能貼切反映出變電所架構導線張力對結構的影響，對于變電所架構、基礎荷載組合效應更加適用。

各種規范標準規定的地震荷載組合荷載分項系數對比情況如表5所示。

表5 地震荷載組合荷載分項系數對比表

據上表，《建筑結構荷載規范》中恒載分項系數一般情況應取1.35。經對比分析后，偏于安全考慮，牽引變電架構抗震設計時宜采用GB 50009-2012《建筑結構荷載規范》中規定的恒載分項系數。

因此，牽引變電架構抗震設計時，各種荷載分項系數取值參考如表6所示。

表6 地震荷載分項系數取值表

綜上所述，GB 50260-2013《電力設施抗震設計規范》和GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》在一些系數的取值、計算公式上存在差異，由于牽引變電架構和設備支架水平荷載較大的性質，建議在進行牽引供電架構和設備支架的抗震設計時，應遵循GB 50260-2013《電力設施抗震設計規范》，而GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》以及其他規范、規程應作為設計參考。

同時，牽引變電架構基礎應考慮抗傾覆計算，因此，建議牽引變電架構基礎設計應主要遵循DL/T 5219-2005《架空送電線路基礎設計技術規定》，GB 50007-2012《建筑地基基礎設計規范》、GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》及其他規范、規程應作為設計參考。

4.3 抗震設計步驟

牽引變電架構抗震設計流程如圖1所示。

圖1 牽引變電架構抗震設計流程示意圖

5 減震與隔震設計

隔震和消能減震是建筑結構減輕地震災害的有效手段，其中，隔震技術屬于抗震設計中的主動控制技術，設置隔震層，可直接減少輸入上部結構的地震能量，從而滿足特殊使用功能的要求。而消能減震技術屬于抗震設計中的被動控制技術，地震能量首先輸入結構，然后再由消能器吸收或消耗。

(1)減震措施可分為裝設隔震器和減震器。常用的減震器包括橡膠阻尼器、阻尼墊和剪彎型、拉壓型、剪切型等鉛合金減震器以及其他減震裝置。應根據電氣沒備的結構特點、使用要求、自振周期及場地類別等，選擇相適用的減震或隔震措施。

(2)冬季環境溫度低于-15℃地區，應選用具有耐低溫性能的橡膠阻尼器。

(3)隔震器和減震器應滿足強度和位移要求。

(4)隔震器或減震器宜設置在支架或電氣設備與基礎、建筑物及構筑物的連接處。采用減振或隔震措施時，不應影響電氣設備的正常使用功能。

(5)在電氣設備的底座與設備支架(或設備基礎)之間，裝設阻尼器等減震阻尼裝置。在國外，如法國、日本等國家的部分電氣設備也是采用減震、阻尼裝置作為抗震措施之一。減震阻尼裝置的作用主要是改變本體的自震頻率，使電氣設備體系的自震頻率避開安裝地點場地的地震波頻率，避免或減少共振。同時，還能夠加大體系的阻尼比，減少設備體系動力反應放大系數，降低設備根部的應力，從而達到提高抗震能力的目的。

6 結論

隨著我國抗震設計技術的發展，以及大量地震區輸變電、鐵路等工程的建設，我們已經具備了大量的抗震技術理論知識和工程應用，但是對于電氣化鐵路領域的抗震技術研究和應用尚在起步階段，而且由于地震的不確定，以及各行業間的差異，使得我國各種抗震規范間仍還存在不一致、矛盾的地方。

隨著川藏和滇藏等鐵路即將建設，電氣化鐵路將覆蓋更多的高烈度地震區，部分區段甚至達到9度及以上地震區，因此，我們不僅應在思想意識上引起高度重視，在抗震設計技術的研究方面，也應立即展開相應的抗震研究，盡快制定和完善適合于電氣化鐵路系統的抗震設計技術體系。

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[2] GB 50011-2010 建筑抗震設計規范[S]. GB 50011-2010Code for seismic design of buildings[S].

[3] GB 50260-2013 電力設施抗震設計規范[S]. GB 50260-2013 Code for seismic design of electrical installations[S].

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(編輯：蘇玲梅)

Discussion of Electrification Railway Traction Substation Structure and Foundation anti-seismic Design

YANG Jia XIANG Jinzhi LI Feng

(China Railway Eryuan Engineering Group Co.，Ltd.， Chengdu 610031， China)

There is no systematic research about the electrification railway traction substation structure and foundation anti-seismic design, and the complete design method and procedures are not finished, which affects the reliability design and technology system development of electrification railway traction substation structure. The adaptability of the traction substation structure and foundation under high seismic environment are analyzed according to the traction substation structure characteristics and the project application status and the seismic wave characteristics. After collating and contrastively analyzing anti-earthquake design code domestic and overseas, the anti-earthquake design principle and measures are established for traction substation structure and foundation under high seismic environment. Based on the anti-seismic design and electrification railway design characteristics, design procedures of traction substation structure and foundation are raised systematically. Meanwhile, the anti-seismic, shock-absorbing and seismic-isolation measures are raised according to the project practice.

traction substation structure；foundation; code；anti-seismic design；shock-absorbing and seismic-isolation

2016-05-13

楊佳(1980-)，男，高級工程師。

1674—8247(2016)06—0038—06

U224

A