淺談隔震技術(shù)在變電站建筑物中的應(yīng)用

馬國慶 劉仲洋

（河北建筑工程學(xué)院土木工程系，河北 張家口075024）

1 地震與隔震技術(shù)

地震是一種突發(fā)性、毀滅性的自然災(zāi)害，它對人類社會構(gòu)成了嚴重威脅.一次突發(fā)性的大地震可令一座繁榮、美麗的城市在數(shù)十秒鐘之內(nèi)變成一片廢墟，成片房屋破壞倒塌，交通、通信、供水、供電等生命線工程中斷，并可能引發(fā)火災(zāi)、疾病等次生災(zāi)害，同時，還可導(dǎo)致大量人員傷亡，城市癱瘓，社會動蕩不安，并導(dǎo)致嚴重的經(jīng)濟損失.上世紀(jì)破壞性最嚴重的20多次地震中，共死亡100多萬人，其中發(fā)生在我國的有2次，死亡45萬人，占40%以上.而2008年的汶川“5.12”地震，震級高達8級，是中國一九四九年以來破壞性最強、波及范圍最大的一次地震.

傳統(tǒng)的抗震方法，主要是以增大構(gòu)件截面、多加鋼筋來“抵抗”地震時產(chǎn)生的強大作用，提高了“抗震”所需的建筑造價.隔震技術(shù)主要以橡膠隔震支座為代表，是近些年來快速發(fā)展的一項技術(shù)，其主要思想是“將建筑物與地基分開來抑制結(jié)構(gòu)的振動，避免地震作用”.與傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)相比較，隔震結(jié)構(gòu)（圖1）具有下述優(yōu)越性：（1）明顯有效地減輕結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)；（2）提高了地震時結(jié)構(gòu)的安全性；（3）降低房屋造價；（4）抗震措施簡單明了；（5）震后無須修復(fù)；（6）上部結(jié)構(gòu)的建筑設(shè)計限制較小，設(shè)計的自由度增大.

圖1 隔震結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的對比

2 變電建筑物特征與震害

在現(xiàn)代社會中，電力關(guān)系到人類社會的各個方面，是現(xiàn)代社會最重要的能源支持.一旦失去了電力，不僅會給人們的日常生活造成各種不便，給社會生活造成很大的影響，給人們造成嚴重的經(jīng)濟損失，影響整個社會和國民經(jīng)濟的發(fā)展.因此，對于電力系統(tǒng)的安全正常運行是各個國家都非常關(guān)注的問題.

變電站作為整個電力系統(tǒng)中不可分割的一部分，屬于地震區(qū)的生命線工程.在《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB50223-2008）中，330 kv及以上的變電所的抗震設(shè)防類別應(yīng)化為重點設(shè)防類.它是變換電壓、交換分配電力、控制電力流向和調(diào)整電壓的場所，通常是由配電裝置、保護設(shè)備、通信設(shè)備以及建構(gòu)筑物等組成.

變電站按結(jié)構(gòu)型式可劃分為戶外式變電站和戶內(nèi)式變電站，到目前為止，國內(nèi)外大多數(shù)變電站建筑由于場地面積的限制和建筑美觀的要求，逐漸開始采用戶內(nèi)式的結(jié)構(gòu)型式.一般情況下，戶內(nèi)式變電站的平面布局宜合理、緊湊，這是節(jié)省變電站用地面積的關(guān)鍵.根據(jù)地形和總平面布置，變電站建筑平面基本上呈“一”字型平面組合，單層或兩層布置.地下室層為電纜層、一層為值守室、衛(wèi)生間及檢修工具間；二樓布置10 k V開關(guān)室、主控室及接地變室.為了簡化變電站的布置，節(jié)省占用的面積和空間，在電氣設(shè)備的布置上，目前廣泛采用的是六氟化硫封閉式組合電器配電裝置（簡稱GIS）.它是把電壓互感器、電流互感器、隔離開關(guān)等電氣設(shè)備放在一個開關(guān)柜中，相當(dāng)于把戶外變電站一個間隔內(nèi)眾多設(shè)備集結(jié)在一個柜內(nèi)，再由許多這樣的開關(guān)柜合并組成整個變電站需要的配電裝置.開關(guān)柜前留有維修通道，以備檢修時方面拉出開關(guān)柜.主變壓器通過鋁母線與開關(guān)柜相連，開關(guān)柜的引出線通過墻上安裝的瓷瓶引到戶外的出線桿上.

由于GIS電氣設(shè)備的特殊性，它對土建結(jié)構(gòu)的設(shè)計就提出了比較嚴格的要求.一般而言，電氣設(shè)備均由生產(chǎn)廠家根據(jù)具體變電站的電壓等級進行成品批量設(shè)計，對于電壓等級相同的電氣設(shè)備，其外形設(shè)計基本是相同的.鑒于電氣設(shè)備的這種通用性，相應(yīng)的配電樓的建筑設(shè)計亦為大致的通用設(shè)計.另一方面，戶內(nèi)式變電建筑又與普通的民用建筑有很大的不同，它的建筑布局及結(jié)構(gòu)形式的選取均受電氣設(shè)備的限制，是為電氣設(shè)備的良好運行提供服務(wù).與民用建筑相比，變電站的配電樓建筑在地震中往往表現(xiàn)出較弱的抗震性能.由于它的抗側(cè)移剛度較小、結(jié)構(gòu)較空曠、電氣設(shè)備較重，因而仍采用傳統(tǒng)抗震技術(shù)，就不能很好的實現(xiàn)對建筑物及電氣設(shè)備的雙重保護.實踐也證明，這類變電站在唐山、汶川等一系列地震中，震害比較明顯.

在電力系統(tǒng)中，由于購置高壓電力設(shè)備時，對高壓電力設(shè)備都提出了抗震的要求，而電力設(shè)備生產(chǎn)廠家也往往能保證電力設(shè)備的抗震等級，這就給人以電力設(shè)備具有較高抗震等級的印象.因此，電力系統(tǒng)也似乎理所當(dāng)然的具有較高的抗震等級.然而，在歷次大地震中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，電力系統(tǒng)的實際抗震等級遠沒有人們想象得那么好，特別是在近10年國內(nèi)外發(fā)生的破壞性強烈地震中，電力系統(tǒng)，尤其是其中高壓變電設(shè)備的破壞，引人注目.究其原因，主要有以下幾點：

（1）在變電站中，配電樓的結(jié)構(gòu)形式常設(shè)計為典型的框排架結(jié)構(gòu)（樓層為地面以上兩層，常附帶地下電纜夾層）.樓層上配有荷載較大的GIS設(shè)備，以及吊車設(shè)備，這些電氣設(shè)備本體具有較大的自重.配電樓比較空曠，抗側(cè)移剛度??；

（2）配電樓的屋面多采用重型的鋼筋混凝土屋面板和薄腹梁；

（3）安放在配電樓內(nèi)的GIS設(shè)備，將隨地震效應(yīng)放大了的樓板一同運動，運行安全性降低.

3 隔震技術(shù)在變電站建筑中的應(yīng)用

如上所述，傳統(tǒng)的抗震已不能很好的保證電氣設(shè)備的運行可靠性.而采用隔震措施，即在配電樓樓層底部與地下室頂層之間設(shè)置隔震層，通過隔震層延長結(jié)構(gòu)的自振周期，減小地震能量向上部結(jié)構(gòu)的傳遞，有效的降低上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，使上部結(jié)構(gòu)，尤其是建筑物內(nèi)的電氣設(shè)備在罕遇地震作用下仍能處于正常的工作狀態(tài).下面結(jié)合工程實例來加以說明.

西安市330 k V西北郊變電站位于陜西關(guān)中平原的渭河沖洪積平原，渭河南岸I級階地上，北部緊臨渭河高河漫灘階地，相對高差小，無起伏.

工程資料：建筑場地10 km范圍內(nèi)無發(fā)震斷層.建筑物結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，地上一層帶地下室一層.房屋平面尺寸為62.4 m×10.5 m，地上部分為11米高單層廠房，局部為二層，層高分別為4.5 m和6.5 m，地下室層高為2.1 m.西安市抗震設(shè)防烈度為8度（基本地震加速度為0.20 g）.場地類別為III類，場地特征周期Tg＝0.45 s.地震分組：設(shè)計地震分組取為第一組.由于建筑物位于高烈度區(qū)，為降低上部結(jié)構(gòu)的地震作用，改善結(jié)構(gòu)的抗震性能；降低GIS設(shè)備層的地震加速度反應(yīng)，提高該層設(shè)備在地震作用時的運行安全性.經(jīng)過對該結(jié)構(gòu)體系進行技術(shù)、經(jīng)濟可行性綜合對比分析后，確定采用基礎(chǔ)隔震方案進行設(shè)計.

設(shè)計中采用西安光開橡膠隔震有限公司的GZY400V5A型隔震支座（圖2），將隔震層設(shè)置于地下室柱頂與底層樓板之間，在每個地下室柱子頂部布置一個隔震支座.分析采用通用有限元軟件SAP2000.經(jīng)與普通抗震結(jié)構(gòu)比較分析，得出以下結(jié)論：

圖2 GZY型隔震支座

（1）采用基礎(chǔ)隔震后，結(jié)構(gòu)的周期大大延長，使地震作用大為減小，隔震后，結(jié)構(gòu)的水平位移集中在隔震層，基底剪力、層間加速度大大減小，結(jié)構(gòu)呈平動型；

（2）《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50260-1996）中規(guī)定設(shè)備的動力放大系數(shù)為1.0～1.2，而采用隔震設(shè)計，在多遇及罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的動力放大系數(shù)均小于1，由此也說明，隔震層對阻隔地面加速度向上傳播，具有明顯效果；

（3）隔震結(jié)構(gòu)的樓面反應(yīng)譜反映出樓板運動的卓越周期有效地避開了地面運動的卓越周期，樓面運動中高頻部分被有效濾掉，極大的降低了電氣設(shè)備與上部結(jié)構(gòu)發(fā)生高頻共振的可能.

（4）采用隔震結(jié)構(gòu)的建筑物，其溫度對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響遠比傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)小的多.因此，在超長建筑物中或不能設(shè)置伸縮縫的情況下，采用隔震結(jié)構(gòu)可以擴大建筑結(jié)構(gòu)的適用范圍，還可以優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計，達到事半功倍的效果.

4 結(jié)論與展望

隔震技術(shù)目前已在眾多類型及結(jié)構(gòu)的建筑物中使用，并取得了很好的經(jīng)濟效益和社會效益，它己經(jīng)得到了工程界和廣大社會的認可.2011年5月26日，南方電網(wǎng)重點項目——220千伏清水海輸變電工程順利實現(xiàn)“零缺陷”投產(chǎn).這是南方電網(wǎng)首個防震抗震的220千伏變電站，在全國范圍內(nèi)也是首個建成的防震抗震的220千伏變電站.本工程的隔震和消能減震設(shè)計實施方案結(jié)合了汶川大地震中220千伏安縣變電站和220千伏德陽（新市）變電站的震害調(diào)查，在南方電網(wǎng)以至全國電網(wǎng)范圍內(nèi)，首次對全變電站的建構(gòu)筑物進行了分析，并進行隔震和消能減震設(shè)計.這標(biāo)志著隔震技術(shù)在電力系統(tǒng)中得到了更廣泛應(yīng)用.在國家相關(guān)政策的扶植下，經(jīng)過廣大專業(yè)技術(shù)人員的共同努力，相信這一技術(shù)將為“十二五”期間經(jīng)濟社會發(fā)展推進提供更加有力的保障.

［1］周福霖.工程結(jié)構(gòu)減震控制.北京：地震出版社，1997

［2］周慶文，周福霖.疊層橡膠墊隔震性能及設(shè)計.工業(yè)建筑，2000，8：23～25

［3］GB50011-2010建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范［S］.北京：建筑工業(yè)出版社，2010