甘肅隴南電力生產(chǎn)建筑減震隔震分析與應(yīng)用現(xiàn)狀

蘇　瑋，杜永峰

（1.蘭州理工大學(xué)，甘肅 蘭州730050；2.國網(wǎng)隴南供電公司，甘肅 隴南742500）

甘肅隴南電力生產(chǎn)建筑減震隔震分析與應(yīng)用現(xiàn)狀

蘇瑋1，2，杜永峰1

（1.蘭州理工大學(xué)，甘肅 蘭州730050；2.國網(wǎng)隴南供電公司，甘肅 隴南742500）

隴南地區(qū)為地震的高發(fā)頻發(fā)區(qū)，地震對隴南電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行造成了極大損害。本文通過研究電力建筑減震隔震設(shè)計的應(yīng)用，并結(jié)合實際工程進行數(shù)據(jù)分析，對采用隔震技術(shù)的電力生產(chǎn)建筑在地震作用下的影響進行比較，獲得研究結(jié)論，指出了隔震體系的優(yōu)勢，得出隔震體系在隴南電力生產(chǎn)建筑中具有推廣應(yīng)用價值的結(jié)論。

電力建筑；隔震體系；實例應(yīng)用

1　概述

地震是一種嚴(yán)重威脅人類生命財產(chǎn)安全的自然災(zāi)害，工程結(jié)構(gòu)抗震一直是結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的重要課題。據(jù)俄羅斯科學(xué)院國際地震預(yù)測理論和數(shù)學(xué)地球物理學(xué)研究所專家弗拉基米爾·科索博科夫推測，目前地球活動進入了活躍期，世界主要地震區(qū)可能多發(fā)各種強烈地震。根據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心數(shù)據(jù)，上個十年全球范圍內(nèi)發(fā)生4級以上地震共計21765次，同比增長53.4%。2008年5月12日中國汶川8.0級地震、2010年2月27日智利8.8級地震、2011年3月11日日本東海岸9.0級地震、2012 年9月5日哥斯達黎加7.9級地震、2013年4月16日伊朗7.8級地震、2014年4月2日智利北部8.2級地震以及2015年4月25日尼泊爾8.1級地震都造成了巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。為有效保護人民生命財產(chǎn)安全，對建筑結(jié)構(gòu)進行抗震設(shè)計研究便顯得十分迫切和重要［1］。

在隴南地區(qū)，因其地質(zhì)環(huán)境結(jié)構(gòu)的特殊復(fù)雜性，隴南自古以來就是地震高發(fā)頻發(fā)區(qū)。2008年的5·12汶川大地震，給隴南造成了嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。就電力設(shè)施而言，汶川地震導(dǎo)致隴南2 座220kv以上變電站停運，196條10kv以上線路停運，3座水電站受災(zāi)停運，隴南南部電網(wǎng)與主電網(wǎng)解裂，導(dǎo)致文縣、碧口大部分地區(qū)無法供電，隴南水電外送通道破壞。繼5·12汶川地震之后，隴南又先后經(jīng)歷了2013年7·22岷縣漳縣地震和7·27文縣地震以及多次暴洪災(zāi)害的影響，對隴南電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行造成了極大損害。而可靠的電力供應(yīng)不僅可以為地震救援提供保障，還為震后恢復(fù)重建奠定了堅實基礎(chǔ)，因此保證電力建筑和電力設(shè)施在地震作用下的安全穩(wěn)定和快速恢復(fù)運行具有重要意義。

2　地震對電力建筑產(chǎn)生的影響

地震，特是強震作用對電力基礎(chǔ)設(shè)施具有巨大的破壞力，世界范圍內(nèi)，近幾十年來發(fā)生的災(zāi)害性地震表明，電力系統(tǒng)的抗震能力較弱，其震害具有波及范圍廣、連鎖影響強、造成的直接和間接經(jīng)濟損失大等特點［1］。依據(jù)抗震規(guī)范設(shè)計的電力建筑，如營銷營業(yè)站、通訊機房、生產(chǎn)調(diào)度樓、變電站中安裝電氣設(shè)備的配電樓、主控樓等結(jié)構(gòu)主體在地震作用下可以保證在大震下不發(fā)生倒塌，可是目前的抗震建筑在中震下依然具有修復(fù)難度大的缺點。由于電力建筑往往是在高壓帶電環(huán)境下連續(xù)生產(chǎn)工作，因此在修復(fù)過程中為保證安全，必須對設(shè)備停電才能進行修復(fù)，長時間的電力設(shè)施停用會帶來額外的更大的附加損失，使得電力建筑在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)失去使用功能。另外，與電力建筑本身相比，安裝在建筑內(nèi)的電力設(shè)施，比如主控室的二次保護設(shè)備、直流設(shè)備等，或者直接安放在基礎(chǔ)上的電力設(shè)施，如主變變壓器、斷路器、隔離開關(guān)等，它們對地震作用更加敏感，在地震中也更易受到損壞［2］。即使可以保證電力建筑在地震作用下無明顯損傷，但是電力設(shè)備設(shè)施的損傷也會對整個供電系統(tǒng)造成威脅。傳統(tǒng)的抗震設(shè)計理念是保證結(jié)構(gòu)在中震、大震下建筑物具有一定的延性，以便給人足夠的反應(yīng)時間逃生，最終目的是保證人的生命安全；同時，電力設(shè)備的生產(chǎn)廠家只是對電氣設(shè)備進行抗震措施的設(shè)計，設(shè)備生產(chǎn)廠家并不考慮這些設(shè)備儀器安放在建筑物內(nèi)之后的抗震措施，可以說，我國目前對于電力生產(chǎn)建筑物及其附屬設(shè)備的抗震設(shè)計與實際生產(chǎn)要求是脫節(jié)的。因此，如何保證電力建筑和建筑物內(nèi)的電力設(shè)備能夠在地震作用下保持完好成為當(dāng)下亟需解決的問題，這也是電力行業(yè)長期以來強調(diào)的“保人身、保電網(wǎng)、保設(shè)備”這一安全主線，是目前要解決的重點問題。通過隔震設(shè)計，將電力建筑的抗震與電力設(shè)施的抗震二者統(tǒng)一起來，這對于保證電力建筑和電力設(shè)施的抗震能力和可恢復(fù)能力具有重要意義。

根據(jù)電力建筑和電力設(shè)施的特殊性和重要性，需要采取相應(yīng)的有效抗震措施。傳統(tǒng)的抗震設(shè)計思路僅僅通過增加截面，無疑會帶來增加結(jié)構(gòu)響應(yīng)的惡性循環(huán)，而且過大的截面設(shè)計不僅會帶來成本的大量增加，還會使建筑本身的可利用面積減少。采用減隔震技術(shù)目前已經(jīng)成為這種重點設(shè)防類建筑的主流，不僅可以在一定程度上降低造價，而且可以在很大程度上提高結(jié)構(gòu)的整體性能。減隔震技術(shù)目前已經(jīng)在大量的建筑中得到應(yīng)用，取得了很好的效果。其中隔震技術(shù)因其適應(yīng)能力強，施工技術(shù)成熟得到了廣泛的應(yīng)用。采用隔震技術(shù)的建筑設(shè)計水平地震作用下可以使結(jié)構(gòu)構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件到達幾乎零損傷，建筑可以在地震過后立即投入使用，這使得結(jié)構(gòu)具備了可恢復(fù)功能的能力，這對于電力建筑和電力設(shè)施具有非常大的參考意義。由于電力建筑與傳統(tǒng)建筑的使用功能的不同，如何調(diào)整傳統(tǒng)的抗震設(shè)計方法應(yīng)用于電力建筑的抗震設(shè)計中，具有重要的實踐意義［3］。

3　電力建筑的分類

電力建筑主要指電力生產(chǎn)建筑和電力非生產(chǎn)建筑。

電力生產(chǎn)建筑是電力系統(tǒng)各類營銷生產(chǎn)部門的基本生產(chǎn)要素使用的房屋的總稱。現(xiàn)階段的電力生產(chǎn)用房，主要有生產(chǎn)調(diào)度管理用房、變電站生產(chǎn)控制用房、城鄉(xiāng)供電所生產(chǎn)營業(yè)用房、運維檢修生產(chǎn)用房、營銷服務(wù)用房以及物資倉儲用房等幾個大類，每個大類下又細分為若干小類，基本涵蓋了電力系統(tǒng)生產(chǎn)辦公、運維檢修、供電營銷、應(yīng)急倉儲等與大家日常生產(chǎn)生活供電服務(wù)息息相關(guān)的各業(yè)務(wù)部門。

電力非生產(chǎn)建筑是指除電力生產(chǎn)建筑之外，包括辦公用房、會議中心、教育培訓(xùn)、醫(yī)院、獨立車庫及其配套設(shè)備設(shè)施、教育培訓(xùn)的實訓(xùn)設(shè)施等。

4　國內(nèi)外電力建筑隔震現(xiàn)狀綜述

國內(nèi)電力建筑隔震工程：

甘肅臨江330kv變電站工程，根據(jù)主控樓建筑的底層基礎(chǔ)柱的布置方式，合理設(shè)計了隔震支座的基本力學(xué)參數(shù)，并對所選的隔震支座進行了有效的布置；

陜西西安330kv西北郊變電站配電室隔震設(shè)計，在配電樓樓層底部與地下室頂層之間設(shè)置隔震層，采用GZY400V5A型隔震支座；

四川下孟220kv變電站在建設(shè)中提出了變電站主要電氣設(shè)備的隔震減震設(shè)計方法，應(yīng)用了剪切型、拉壓型兩類鉛合金減震裝置和抗傾覆組合疊層橡膠隔震支座，在投運以來已經(jīng)經(jīng)受了數(shù)十次4級以上的地震考驗而未見任何損壞；

云南昆明220kv清水海輸變電工程，為全國首個建成的防震抗震的220kv變電站。

國外電力建筑隔震工程：

新西蘭海沃茲變電站，對交流濾波電容器組采用橡膠支座和滯變鋼阻尼器的基底隔震方法進行抗震加固；

法國克律亞斯核電站建于20世紀(jì)90年代，是世界上第一座具有隔震系統(tǒng)的核電站；

美國加利福尼亞州通過在電氣設(shè)備的底部和地基基礎(chǔ)之間加裝減震器來減小設(shè)備的地震響應(yīng)［2］。

5　隔震工程實例帶來的啟示

從國外減震隔震理論研究和技術(shù)應(yīng)用的歷程來看，以橡膠隔震支座為主流的現(xiàn)代隔震技術(shù)從系統(tǒng)研究到廣泛應(yīng)用大致經(jīng)歷了數(shù)十年的時間。這期間通過大量的研究、試驗、實際工程建設(shè)，特別是經(jīng)過強震的考驗，使減震隔震技術(shù)在實際應(yīng)用中得到不斷完善和配套，使這項極具生命力的抗震新技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。目前在國內(nèi)，隔震技術(shù)主要應(yīng)用于住宅建筑和辦公建筑，對于生命線工程的電力建筑物，應(yīng)用的相對較少［4］。

在甘肅省內(nèi)，隔震結(jié)構(gòu)體系有很多應(yīng)用實例，例如西北師范大學(xué)田家炳教育書院工程，該工程為綜合性教學(xué)建筑，是蘭州市第一棟采用疊層橡膠支座基礎(chǔ)隔震的工程；甘肅省疾病控制中心工程，該工程為甲類建筑，隔震前采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，隔震后為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架體系；武威古浪黃羊川國際會議中心工程，該工程分四部分，兩側(cè)附樓為隔震建筑，其余部分為非隔震建筑［2］。

隴南武都郵政局住宅樓為6層磚混隔震結(jié)構(gòu)，位于武都城北山，在5·12地震中，周圍采用傳統(tǒng)抗震設(shè)計的建筑物在震后出現(xiàn)了墻體內(nèi)外粉刷層開裂、脫落；另一棟沒有隔震、減震裝置的5磚混結(jié)構(gòu)住宅的內(nèi)部設(shè)備、家電也產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的損壞，當(dāng)?shù)卮彐?zhèn)的房屋甚至出現(xiàn)倒塌現(xiàn)象。但是采用隔震裝置的該住宅樓卻基本完好，內(nèi)部家具、廚具和懸掛的裝飾物均無翻倒現(xiàn)象，墻體上也無地震引發(fā)的裂縫。該隔震建筑經(jīng)受較大地震考驗的事例，在國際上屬于第三個。而作為磚砌體結(jié)構(gòu)的隔震建筑經(jīng)受較大地震考驗的事例，在國內(nèi)外屬于首個，被稱為“中國第一幢經(jīng)過地震檢驗”的隔震房屋［3］，在當(dāng)時武都城區(qū)建筑物受損嚴(yán)重的情況之下，結(jié)構(gòu)完好的武都郵政局家屬樓可謂一枝獨秀，向人們展示了減震隔震技術(shù)的優(yōu)異性能，使人們開始意識到傳統(tǒng)的抗震體系的抗震性能不如隔震建筑的抗震性能，這也使得同處隴南的電力人看到了電力生產(chǎn)建筑抗震發(fā)展的新方向。

因為330kv電壓等級以上的超高壓和特高壓變電站的主控樓等建（構(gòu)）筑物是一項重要的生命線電力工程設(shè)施，主控樓樓層一般只有1～2層，但層高和跨度大，且建（構(gòu)）筑物內(nèi)有許多的重要電氣設(shè)備和精密儀器儀表，在變電站正常運行中發(fā)揮著重要的樞紐作用，因此作為5·12汶川地震之后隴南新建的第一座超高壓變電站，文縣臨江330kv輸變電工程在設(shè)計之初就充分考慮了地震作用的影響。根據(jù)其工程地質(zhì)特點，建筑物結(jié)構(gòu)特點、室內(nèi)設(shè)備的重要性以及有關(guān)規(guī)范要求，制定了降低上部結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防烈度，上部結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計可比原設(shè)防烈度降低1度，即按Ⅶ度設(shè)防；降低主控樓加速度反應(yīng)，提高該層控制設(shè)備、儀器在地震作用下的安全性；確保在微震、風(fēng)荷載和正常運行時，隔震層不能發(fā)生屈服等隔震減震設(shè)計目標(biāo)。

在該變電站主控樓的減震隔震設(shè)計中，該工程采用底部剪力法進行反復(fù)的試算與技術(shù)比較，選用了型號分別為SGGZP400和SGGZY400/90型的2種規(guī)格的疊層橡膠隔震支座共15組，其中SGGZP400型普通隔震支座9組，SGGZY400/90型鉛芯隔震支座6組。通過對臨江330kv變電站主控樓的隔震設(shè)計、驗算與分析，根據(jù)主控樓建筑的底層基礎(chǔ)柱的布置方式，合理設(shè)計了隔震支座的基本力學(xué)參數(shù)，并對所選的隔震支座進行了有效的布置。設(shè)計驗算了軸向承載力、基底剪力、罕遇地震時隔震支座的允許位移、風(fēng)荷載及彈性恢復(fù)力等幾個指標(biāo)，數(shù)據(jù)表明主控樓在采用隔震設(shè)計后，可明顯降低地震作用下主控樓基底的各項內(nèi)力，隔震層具有足夠的軸向承載力，建筑在地震作用下基本處于平動，不會發(fā)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，基底剪力大大衰減，罕遇地震作用下隔震支座的位移小于其允許位移，且在風(fēng)荷載和正常運行荷載作用下，隔震層不會發(fā)生屈服而引起晃動，達到了預(yù)期的隔震減震設(shè)計目標(biāo)［4］。該工程的建成投運為隴南電力生產(chǎn)建筑隔震設(shè)計起到了推廣示范作用，如圖1所示。

圖1　330kv隔震支座布置

在電力領(lǐng)域還有例如西安330千伏西北郊變電站配電室隔震設(shè)計，設(shè)計中采用GZY400V5A型隔震支座，將隔震層設(shè)置于地下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，設(shè)計者利用SAP2000軟件進行分析，通過構(gòu)建模型，對自振周期進行分析，對多遇地震及罕遇地震的作用進行計算，進行隔震支座豎向承載力驗算，對隔震隔層地震加速度反應(yīng)頻譜進行分析等，得出采用基礎(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；隔震結(jié)構(gòu)在縱向地震作用下的隔震效果要優(yōu)于橫向作用的結(jié)論［5］。

綜上所述，在新一輪基礎(chǔ)設(shè)施投資建設(shè)過程中，國家在對于類似于隴南地區(qū)這樣相對落后地區(qū)的電力、交通、新能源等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資力度不斷加大的同時，我們更應(yīng)該提高對電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施安全性的認(rèn)識，作為國家生命線工程的重要組成部分，電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)在項目立項之初，在統(tǒng)籌考慮隴南各縣區(qū)當(dāng)?shù)氐胤缴鐣?jīng)濟發(fā)展、地區(qū)電力網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化、區(qū)域能源供給平衡的同時，要將電力基礎(chǔ)設(shè)施的安全可靠性放在第一位，要結(jié)合項目所在地的實際情況，排查安全隱患，提出有征對性的控制預(yù)防措施，有效解決人員、建筑物、電氣設(shè)備在地震中的安全問題，使三者的安全性達到最優(yōu)化，確保實現(xiàn)電力基礎(chǔ)設(shè)施投資項目建設(shè)效益的最大化，取得社會效益與經(jīng)濟效益雙贏的局面，這對于隴南電力基礎(chǔ)項目建設(shè)具有重大的現(xiàn)實指導(dǎo)意義［5～8］。

［1］ 四川電力試驗研究院.汶川大地震四川電網(wǎng)電氣設(shè)備受損情況報告［R］.成都：四川電力試驗研究院，2008.

［2］ 杜永峰，李慧，黨育，等.隔震結(jié)構(gòu)系列研究及在甘肅的工程應(yīng)用［J］.西北地震學(xué)報，2005，27（4）312-316.

［3］ 甘肅省建設(shè)科技專家委員會，汶川5.12大地震后甘肅災(zāi)區(qū)房屋建筑展害調(diào)查和應(yīng)急評估報告.2008，6月4日.

［4］ 曹琮，曹枚根，張雪松，等.330kV臨江變電站主控樓的隔震設(shè)計與應(yīng)用［J］.電力建設(shè)，2011，4：42-46.

［5］ 文波.隔震技術(shù)在變電建筑物中的應(yīng)用研究［D］.西安：西安連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2004.

［6］ 張子引，趙彪，曹偉煒.汶川8.0級地震電網(wǎng)受災(zāi)情況調(diào)研與初步分析［J］.電力技術(shù)經(jīng)濟，2008，20（4）：1-4.

［7］ 陳淮，李杰.高壓電氣設(shè)備抗震可靠性分析方法［J］.世界地震工程，2000，20（2）：19-23.

［8］ 劉如山，張美晶，王翔鷹，等.基于設(shè)防烈度和震害統(tǒng)計的變電站震害快速評估法［J］.地震工程與工程振動，2012，（10）：152-159.

TU352.12