考慮主子結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的變電站抗震性能分析

文 波， 張 路， 牛荻濤， 蘇 麗

(1.西安建筑科技大學(xué) 西部綠色建筑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710055；2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，西安 710055)

變電站作為供電系統(tǒng)的主要組成部分，一旦遭到破壞不但導(dǎo)致供電系統(tǒng)無法正常工作，而且使整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行中斷，從而影響人民的正常生活，給國民經(jīng)濟(jì)帶來重大的影響。其中，地震災(zāi)害不僅使變電站主廠房結(jié)構(gòu)損壞，而且導(dǎo)致電氣設(shè)備發(fā)生故障，使整個(gè)電力系統(tǒng)癱瘓。如2008年汶川大地震，在陜西、甘肅、四川三省，258座110 kV變電站發(fā)生了破壞[1-2]；2013年蘆山縣大地震造成了24座變電站結(jié)構(gòu)不同程度的破壞[3]。

隨著社會(huì)的發(fā)展，電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式趨于多樣化。然而我國對(duì)變電站結(jié)構(gòu)抗震性能的理論研究還比較滯后。變電站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)將電氣設(shè)備作為結(jié)構(gòu)層的堆聚荷載，但由于電氣設(shè)備質(zhì)量大、形式復(fù)雜和布局多樣，現(xiàn)行設(shè)計(jì)方法導(dǎo)致目前變電站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠度較低且安全性較差。

目前模擬地震作用的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)技術(shù)趨于成熟，國內(nèi)外進(jìn)行了大量的關(guān)于結(jié)構(gòu)和設(shè)備的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)[4-7]。謝強(qiáng)等[8-9]進(jìn)行220 kVA/10 kV電力變壓器的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，初步研究變壓器的位移、加速度和應(yīng)變等，得出在地震作用下變壓器試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果。Wen等[10-12]基于IEEE693標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，得出高壓設(shè)備的最大抗震承載力。但是復(fù)雜體型和大質(zhì)量的電氣設(shè)備與結(jié)構(gòu)之間存在復(fù)雜的相互作用，因此分別研究?jī)烧叩膭?dòng)力特性的試驗(yàn)結(jié)果可靠度較低。李杰等[13]進(jìn)行了存在簡(jiǎn)單設(shè)備的工業(yè)建筑振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，由于力學(xué)模型過于簡(jiǎn)單抽象，不能適用于具有復(fù)雜動(dòng)力特性的工業(yè)建筑。因而本文基于主-子結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用機(jī)理建立三維有限元模型，然后根據(jù)振動(dòng)臺(tái)模擬地震作用試驗(yàn)，通過對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬分析結(jié)果得出考慮主子結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的結(jié)構(gòu)體系的整體抗震性能。本文成果對(duì)類似生命線工程和帶有復(fù)雜設(shè)備的工業(yè)建筑抗震設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用并完善相關(guān)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。

1 主-子結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用機(jī)理

地震作用下變電站結(jié)構(gòu)體系動(dòng)力反應(yīng)方程為

(1)

變電站結(jié)構(gòu)體系包括電氣設(shè)備、連接部件和主廠房結(jié)構(gòu)三部分(下標(biāo)表示為s，c，j)。將動(dòng)力反應(yīng)方程展開則為

(2)

利用Newton’s method求解上式近似解。

FN(uM)=0

(3)

(4)

(5)

2 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

2.1 變電站原型結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)原型為比較典型的一種戶內(nèi)式變電站結(jié)構(gòu)，主廠房為三層五跨的現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)平面尺寸為30 m×12 m，柱間距為6 m，框架柱截面尺寸邊柱為600 mm×600 mm，中柱為500 mm×500 mm；主梁截面尺寸300 mm×700 mm，300 mm×1 000 mm，300 mm×900 mm；次梁截面尺寸250 mm×600 mm。樓層樓面板厚為160 mm，結(jié)構(gòu)平面見圖1。結(jié)構(gòu)選用C30混凝土，縱筋和箍筋為HRB400鋼筋。

圖1 原型結(jié)構(gòu)平面圖Fig.1 Plane of the prototype structure

電氣設(shè)備采用110 kV GIS設(shè)備，尺寸為6.0 m×2.0 m×3.5 m，共7組(2組套管進(jìn)出線間隔設(shè)備、5組標(biāo)準(zhǔn)間隔設(shè)備)，位于結(jié)構(gòu)三層。套管進(jìn)出線間隔設(shè)備立面圖和標(biāo)準(zhǔn)間隔設(shè)備立面圖，如圖2所示。

圖2 設(shè)備立面圖Fig.2 Elevation of the equipment

2.2 變電站模型結(jié)構(gòu)

2.2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱?/p>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑槿龑游蹇绲默F(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，尺寸是原型變電站結(jié)構(gòu)的1/8。結(jié)構(gòu)模型平面尺寸為3 750 mm×1 500 mm，柱間距為750 mm，框架柱截面尺寸邊柱為75 mm×75 mm，中柱為63 mm×63 mm；主梁截面尺寸38 mm×88 mm，38 mm×125 mm，38 mm×113 mm；次梁截面尺寸31 mm×75 mm。底層樓板、二層樓板及屋面層樓板厚為20 mm；一層層高310 mm，二層層高630 mm，三層層高820 mm，模型結(jié)構(gòu)總高度1 760 mm。

電氣設(shè)備模型包括套管進(jìn)出線間隔設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)間隔設(shè)備，均放置于主廠房結(jié)構(gòu)的三層，平面布置如圖3所示。其中套管進(jìn)出線間隔設(shè)備位于兩端其余為標(biāo)準(zhǔn)間隔設(shè)備。

圖3 模型平面布置圖Fig.3 Plane of the model

2.2.2 模型相似比關(guān)系設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用三維六自由度地震模擬振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要性能參數(shù)如下。臺(tái)面尺寸大小為4 m×4 m，滿負(fù)荷下的最大載重質(zhì)量為20 t，試件最大偏心距≥0.6 m，試驗(yàn)頻率為0.1～50 Hz。振動(dòng)臺(tái)最大位移：水平X向±15 cm、水平Y(jié)向±25 cm、豎向±10 cm；最大速度：水平X向±100 cm/s、水平Y(jié)向±125 cm/s、豎向±80 cm/s；載荷20 t時(shí)最大加速度：水平X向±1.5g、水平Y(jié)向和豎向±1.0g。最大傾覆彎矩80 t·m，最大偏心彎矩30 t·m。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)在滿足結(jié)構(gòu)動(dòng)力基本方程時(shí)，根據(jù)量綱協(xié)調(diào)原理，密度、彈性模量、長(zhǎng)度和加速度相似系數(shù)滿足式(6)。

Sp=SE/SLSq

(6)

綜合考慮振動(dòng)臺(tái)性能參數(shù)和施工條件等因素，首先確定模型結(jié)構(gòu)幾何相似常數(shù)Sl=1/8；由試驗(yàn)室可以實(shí)現(xiàn)的混凝土強(qiáng)度關(guān)系確定了應(yīng)力相似常數(shù)，然后根據(jù)微粒混凝土強(qiáng)度和彈性模量實(shí)測(cè)值、鍍鋅鐵絲強(qiáng)度和彈性模量實(shí)測(cè)值再對(duì)相似關(guān)系進(jìn)行調(diào)整，即應(yīng)力相似常數(shù)取Sσ=SE=0.89；考慮到振動(dòng)臺(tái)噪聲、臺(tái)面承載力和振動(dòng)臺(tái)性能參數(shù)等因素，確定了結(jié)構(gòu)和設(shè)備加速度相似系數(shù)均取Sa=2.5；由式(6)求得Sρ=2.83，模型主要相似系數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南嗨脐P(guān)系

2.2.3 模型施工

根據(jù)模型相似關(guān)系，選用微粒混凝土模擬原型結(jié)構(gòu)的混凝土，鐵絲模擬結(jié)構(gòu)的鋼筋；鋼管模擬隔離開關(guān)、斷路器和互感器，有機(jī)玻璃管模擬電氣設(shè)備套管；將設(shè)備與樓板的連接是采用多個(gè)螺栓固定連接在三層樓板的預(yù)埋件上。澆筑每層模型結(jié)構(gòu)混凝土?xí)r制作棱柱體試塊并對(duì)同條件養(yǎng)護(hù)的試塊進(jìn)行材料性能試驗(yàn)，以調(diào)整模型結(jié)構(gòu)的相似關(guān)系。

模型主體結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為1.88 t，模型設(shè)備總質(zhì)量為0.4 t。已知模型幾何相似比Sl=1/8，質(zhì)量相似比Sm=1/181，模型的構(gòu)件質(zhì)量為969/512=1.893 t，模型理論上質(zhì)量是1 520/181=8.4 t，因此模型的配質(zhì)量約為6.5 t。因而對(duì)配重按比例進(jìn)行調(diào)整，模型配置如表2所示。模型施工圖見圖4和圖5。

表2 模型配質(zhì)量分布

圖4 結(jié)構(gòu)施工圖Fig.4 Model construction

圖5 電氣設(shè)備施工圖Fig.5 Equipment construction

2.3 模型試驗(yàn)加載制度

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ统醪侥M分析和測(cè)定主子結(jié)構(gòu)相互作用的抗震性能試驗(yàn)?zāi)康模囼?yàn)加載工況按7度(0.035g)多遇(Y向、X向、XY向)、8度(0.07g)多遇(Y向、X向、XY向)、9度(0.14g)多遇(Y向、X向、XY向)、7度(0.22g)罕遇(Y向、X向、XY向)、8度(0.4g)罕遇(Y向、X向、XY向)、9度(0.62g)罕遇(Y向、X向、XY向)順序模擬地震作用。在地震波輸入前后對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行白噪聲掃頻操作，測(cè)試結(jié)構(gòu)自振頻率及阻尼比等動(dòng)力特性參數(shù)。綜合考慮結(jié)構(gòu)的場(chǎng)地類別、自振周期和規(guī)范反應(yīng)譜等要求，輸入地震波選用美國加州El-Centro波、2008年汶川地震中的廣元波和江油波。在同一地震幅值下由臺(tái)面依次輸入EL-Centro波、廣元波及江油波。根據(jù)地震波的相似關(guān)系，加速度相似比取為2.5，時(shí)間相似比為 0.224。地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線如圖6所示。

圖6 輸入地震動(dòng)曲線Fig.6 Acceleration time history curve of input motions

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

2.4.1 結(jié)構(gòu)損傷分析

在7度和8度多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)不明顯，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕蝿?dòng)很難觀察到；當(dāng)振動(dòng)臺(tái)模型加載到9度多遇地震動(dòng)時(shí)，觀測(cè)到試驗(yàn)?zāi)Ｐ洼p微的振動(dòng)，且二層和頂層角柱的柱底均產(chǎn)生了細(xì)小的水平裂縫，中柱裂縫現(xiàn)象不明顯，二層橫向邊跨梁產(chǎn)生了細(xì)小的豎向裂縫，其他框架梁震損現(xiàn)象不明顯；7度罕遇地震動(dòng)作用下，模型的晃動(dòng)幅度增大，框架梁柱的裂縫長(zhǎng)度和寬度有所增大；8度罕遇地震動(dòng)工況下，前述工況階段產(chǎn)生的裂縫均有所發(fā)展，并產(chǎn)生大量新的裂縫。結(jié)構(gòu)二層及頂層角柱均產(chǎn)生明顯的裂縫，但頂層比二層裂縫發(fā)展現(xiàn)象更為明顯，頂層邊柱柱底和部分中柱柱底分別產(chǎn)生了少量的貫通的水平裂縫，部分橫向邊跨梁也出現(xiàn)少量貫通的豎向裂縫；9度罕遇地震動(dòng)工況下，結(jié)構(gòu)晃動(dòng)幅度增大，頂層振動(dòng)相對(duì)更加劇烈，并且伴隨著響聲。前面工況產(chǎn)生的裂縫形成貫通裂縫，頂層的角柱柱頂內(nèi)側(cè)出現(xiàn)了混凝土的剝落，露出了鋼筋，部分縱向邊梁出現(xiàn)了貫通的斜裂縫。

由振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)過程分析得出，考慮結(jié)構(gòu)和設(shè)備相互作用的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中電氣設(shè)備所在層的框架柱在梁柱節(jié)點(diǎn)處首先發(fā)生了破壞，其產(chǎn)生的裂縫多于與其相交的梁端產(chǎn)生的裂縫，這是由于設(shè)備所在層的框架梁剛度較大，而設(shè)計(jì)的框架柱的剛度相對(duì)較小。同時(shí)電氣設(shè)備在整個(gè)加載過程中未出現(xiàn)明顯的破壞。

2.4.2 加速度分析

鑒于篇幅有限，本文在分析模型加速度變化情況時(shí)以8度地震作用為例，7度和9度地震作用規(guī)律類似，因此不再贅述。模型結(jié)構(gòu)在8度地震作用下的加速度放大系數(shù)值見表3和表4。罕遇地震作用下三層底板中點(diǎn)位置加速度時(shí)程曲線見圖7。其中，加速度放大系數(shù)為模型各層和設(shè)備主體與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面加速度的比值。

表3 多遇地震作用下結(jié)構(gòu)加速度放大系數(shù)值

表4 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)加速度放大系數(shù)值

圖7 EL-Centro波Y向罕遇地震時(shí)三層樓板加速度時(shí)程曲線Fig.7 Acceleration time history curve under EL-Centro

由表3～表4可知，結(jié)構(gòu)各層加速度放大系數(shù)隨樓層高度的增加而增大，且設(shè)備主體的加速度放大系數(shù)大于所在樓層的加速度系數(shù)。電氣設(shè)備主體動(dòng)力放大系數(shù)最大值為3.32(EL-Centro波X向)，大于《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]規(guī)定—電氣設(shè)備放置在樓層時(shí)動(dòng)力放大系數(shù)取為2.0。

由圖7可知，8度罕遇地震作用下，電氣設(shè)備的加速度放大系數(shù)值均大于所在樓層的加速度放大值，比值在1.2～1.4，地震反應(yīng)較所在樓層的地震反應(yīng)強(qiáng)烈，說明在罕遇地震作用下變電站主體結(jié)構(gòu)和電氣設(shè)備的加速度運(yùn)動(dòng)不同步，且電氣設(shè)備的動(dòng)力放大效應(yīng)明顯。

2.4.3 位移分析

表5和表6給出了結(jié)構(gòu)在8度地震作用下樓層相對(duì)位移的試驗(yàn)結(jié)果。其中樓層相對(duì)位移為絕對(duì)位移值相對(duì)于底座的位移。

表5 多遇地震作用下結(jié)構(gòu)位移值

Tab.5 Displacement value under the action of earthquake mm

表6 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)位移值

Tab.6 Displacement under the action of severe earthquake mm

由表5和表6可知，8度地震作用下，樓層的最大水平位移值隨著樓層層高的增大而增大；結(jié)構(gòu)頂層位移值比其他層數(shù)值大，且結(jié)構(gòu)的層間位移角大于《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]1/50的要求。結(jié)構(gòu)的頂層為樓層的薄弱層，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)構(gòu)造措施。水平Y(jié)向位移值大于水平X向位移值，說明變電站主廠房結(jié)構(gòu)水平Y(jié)向抗側(cè)移剛度小于水平X向抗側(cè)移剛度，該主廠房結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)由水平Y(jié)向地震作用控制。

3 有限元模擬分析

3.1 有限元模型的建立

參照戶內(nèi)式變電站原型結(jié)構(gòu)，在ABAQUS軟件中通過編寫命令流和實(shí)體界面操作建立考慮主-子結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的變電站模型。結(jié)構(gòu)的混凝土本構(gòu)采用損傷塑性模型；鋼筋的本構(gòu)模型是考慮包辛格效應(yīng)的雙線性動(dòng)力強(qiáng)化模型。混凝土采用C3D8單元模擬，鋼筋采用T3D2單元模擬，電氣設(shè)備套管采用線性梁?jiǎn)卧M，互感器、斷路器、開關(guān)和開關(guān)柜采用線性殼單元模擬。實(shí)際結(jié)構(gòu)中設(shè)備底部與結(jié)構(gòu)樓板通過內(nèi)嵌于樓板的槽鋼條用螺栓連接固定，在數(shù)值模擬時(shí)設(shè)置綁定約束模擬設(shè)備和結(jié)構(gòu)的連接。建立了考慮結(jié)構(gòu)-設(shè)備相互作用且電氣設(shè)備位于結(jié)構(gòu)三層的變電站主廠房有限元模型M1和不考慮結(jié)構(gòu)-設(shè)備相互作用的變電站主廠房有限元模型M2(即設(shè)備按等效均布荷載計(jì)算)，三維有限元模型如圖8所示。其中，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑橛邢拊Ｐ蚆1的縮尺模型。模型采用tie約束方式耦合作用施加荷載；分析方法設(shè)置中使用完全Newton迭代法的動(dòng)力時(shí)程分析，并定義時(shí)長(zhǎng)和步數(shù)。

圖8 結(jié)構(gòu)模型圖Fig.8 Model diagram of the structure

3.2 模態(tài)分析

結(jié)構(gòu)的模態(tài)形式反映出結(jié)構(gòu)的基本動(dòng)力特性，為工程設(shè)計(jì)提供必要保障。對(duì)地震前后的白噪聲掃描，得到了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。根據(jù)頻率相似比將模型結(jié)構(gòu)頻率轉(zhuǎn)化為原結(jié)構(gòu)頻率值，數(shù)值模擬和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的前五階振型所對(duì)應(yīng)頻率對(duì)比值見表7。

表7 頻率對(duì)比值

由表7可得，地震作用下試驗(yàn)結(jié)果和有限元模擬結(jié)果的數(shù)值較接近，相對(duì)誤差較小，最大誤差在15%以內(nèi)。誤差來源于試驗(yàn)結(jié)果的偶然因素影響和兩種模型實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和設(shè)備連接方式的差異。因此，不同地震作用下試驗(yàn)?zāi)M和有限元模擬結(jié)果誤差較小，從而證明數(shù)值模擬模型的正確性。

3.3 結(jié)構(gòu)損傷分析

在7度和8度多遇地震作用下，模型M1中結(jié)構(gòu)僅在二層和頂層的梁柱節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)了較小的受壓和受拉損傷值。8度多遇地震作用下結(jié)構(gòu)模型的整體損傷值如圖9所示。9度罕遇地震動(dòng)作用下，有限元模型中框架梁柱的受拉、受壓損傷值均較大，結(jié)構(gòu)構(gòu)件震損模型見圖10。

圖9 8度罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)整體損傷圖Fig.9 The damage of structure under 8 degree rare earthquake wave

圖10 9度罕遇地震作用下構(gòu)件損傷圖Fig.10 The damage of elements under 9 degree earthquake wave

3.4 加速度分析

對(duì)比M1和M2在8度地震作用下水平加速度值，定量評(píng)估考慮主-子結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用時(shí)設(shè)備對(duì)主廠房結(jié)構(gòu)的動(dòng)力放大效應(yīng)。本文對(duì)模型M1和M2得到的結(jié)構(gòu)各層加速度和設(shè)備加速度數(shù)值結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)構(gòu)在8度地震作用下的加速度放大系數(shù)值見表8和表9，設(shè)備所在樓層底板中點(diǎn)位置8度罕遇地震作用下加速度時(shí)程曲線如圖11所示。

圖11 EL-Centro波Y向地震三層底板加速度時(shí)程曲線Fig.11 Acceleration time history curve under EL-Centro

位置EL-Centro波Y向M1M2EL-Centro波X向M1M2江油波Y向M1M2江油波X向M1M2一層1.071.01.131.021.131.031.151.04二層2.341.982.562.171.241.132.282.08頂層2.362.042.642.231.781.592.62.19設(shè)備主體2.743.082.272.86

表9 罕遇地震作用下模型加速度放大系數(shù)值

由圖11可知，8度罕遇地震作用下，模型M1中設(shè)備所在樓層的峰值加速度為0.89g，模型M2對(duì)應(yīng)的峰值加速度為0.70g，考慮電氣設(shè)備的存在時(shí)，主廠房體系樓層峰值加速度增大了1.27倍。對(duì)比M1和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷贸龅牡卣鹱饔孟陆Y(jié)構(gòu)加速度放大系數(shù)值(見表3和表4)，兩者相對(duì)誤差較小。由表8和表9得出，電氣設(shè)備(中部位置)的加速度放大系數(shù)值均大于所在樓層的對(duì)應(yīng)值，比值在1.2～1.4，地震反應(yīng)較所在樓層的地震反應(yīng)強(qiáng)烈。對(duì)比M1和M2在8度地震作用下水平加速度值，考慮設(shè)備的存在時(shí)，主廠房樓層的加速度放大系數(shù)值均增大。多遇地震作用下考慮設(shè)備作用的結(jié)構(gòu)加速度放大系數(shù)值是不考慮主-子結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用數(shù)值的1.15倍；罕遇地震作用下，其比值為1.25。因此，在地震作用下電氣設(shè)備的動(dòng)力放大效應(yīng)明顯，且考慮設(shè)備作用的結(jié)構(gòu)加速度放大系數(shù)值增大。

3.5 內(nèi)力分析

對(duì)比分析M1，M2在地震作用下的內(nèi)力值，定量評(píng)估考慮主-子結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用時(shí)設(shè)備對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響值。以8度基本地震作用下，EL-Centro波X、Y向計(jì)算所得各層柱底剪力值為例(其他內(nèi)力規(guī)律類似，不再贅述)，結(jié)果如表10所示。

由表10可知，8度罕遇地震作用下，模型M1的柱底剪力值均大于M2的柱底剪力，比值約為1.2倍，且電氣設(shè)備所在的軸線2～軸線5區(qū)間的柱剪力比值較其他位置數(shù)值大。因此在大震作用下設(shè)備和結(jié)構(gòu)相互作用明顯，在抗震設(shè)計(jì)計(jì)算剪力時(shí)，應(yīng)采用非相互作用模型的1.2倍；即對(duì)此類變電站進(jìn)行剪力計(jì)算時(shí)，依據(jù)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中剪力計(jì)算值的1.2倍取用。

3.6 位移分析

對(duì)比M1和M2在8度罕遇地震作用下層間位移值，定量評(píng)估考慮主-子結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用時(shí)設(shè)備對(duì)主廠房結(jié)構(gòu)的位移影響值。本文對(duì)模型M1和M2得到的結(jié)構(gòu)各層位移值結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)構(gòu)在8度地震作用下的層間位移值見表11和表12，設(shè)備所在樓層中點(diǎn)位置8度罕遇地震作用下位移時(shí)程曲線，如圖12所示。

表10 結(jié)構(gòu)模型柱底剪力值

圖12 EL-Centro波Y向地震三層底板位移時(shí)程曲線Fig.12 Displacement time history curve under EL-Centro

Tab.11 Displacement value under the action of earthquakemm

表12 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)層間位移值

由圖12可知，8度罕遇地震作用下，模型M1中設(shè)備所在樓層的位移值均大于模型M2所在樓層的對(duì)應(yīng)值。由表11～表12得出，對(duì)比M1和M2在8度地震作用下層間位移值，考慮設(shè)備的存在時(shí)，主廠房樓層的位移值均增大。多遇地震作用下考慮設(shè)備作用的結(jié)構(gòu)層間位移值是不考慮主-子結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用數(shù)值的1.05倍；罕遇地震作用下，其比值為1.25。

在地震作用下，樓層的最大水平位移值隨著樓層層高的增大而增大，結(jié)構(gòu)頂層位移值比其他層數(shù)值大，頂層為結(jié)構(gòu)的薄弱層。設(shè)備所在層位移差值比其它層位移差值大，由于電氣設(shè)備位于結(jié)構(gòu)三層，在同樣的地震烈度下電氣設(shè)備對(duì)結(jié)構(gòu)樓層產(chǎn)生較大的慣性力，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)樓層位移增大，其中三層是慣性力直接作用的樓層，故三層的層間位移值最大。

4 結(jié) 論

通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)及數(shù)值模擬分析，對(duì)戶內(nèi)式變電站的抗震性能進(jìn)行了研究，得到結(jié)論如下。

(1) 設(shè)備主體的最大水平加速度值大于臺(tái)面輸入的水平加速度峰值和設(shè)備所在結(jié)構(gòu)層的水平加速度峰值，其動(dòng)力放大效應(yīng)明顯，超過了規(guī)范規(guī)定的數(shù)值。

(2) 由于大震作用下設(shè)備和結(jié)構(gòu)相互作用明顯，因此在采用抗震規(guī)范方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)剪力計(jì)算時(shí)，為了考慮結(jié)構(gòu)-設(shè)備相互作用的影響，并使計(jì)算結(jié)果偏于安全，應(yīng)采用規(guī)范計(jì)算值的1.2倍值作為剪力設(shè)計(jì)值。

(3) 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)加載時(shí)，電氣設(shè)備所在層的框架柱在梁柱節(jié)點(diǎn)處首先發(fā)生破壞，且破壞程度大于框架梁。由于設(shè)備所在層的框架梁剛度較大，而設(shè)計(jì)的框架柱剛度較小，不滿足“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)原則。因此，變電站抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧苊饨Y(jié)構(gòu)“強(qiáng)梁弱柱”失效模式。

(4) 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膭?dòng)力特性和地震響應(yīng)結(jié)果與有限元數(shù)值模擬分析結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了考慮主子結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用數(shù)值模擬模型的正確性，因此對(duì)類似生命線工程和帶有復(fù)雜設(shè)備的工業(yè)建筑抗震設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值。