750 kV變電架構(gòu)隔震性能的有限元分析

羅柯镕，張富有，余海強(qiáng)，賀夢(mèng)瑤

(河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098)

750 kV變電架構(gòu)隔震性能的有限元分析

羅柯镕，張富有，余海強(qiáng)，賀夢(mèng)瑤

(河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098)

針對(duì)750 kV變電架構(gòu)在地震中易損性問題?；贏NSYS有限元軟件，分別建立了750 kV構(gòu)架隔震前后的有限元模型，輸入地震波進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程響應(yīng)分析。結(jié)果表明，采用合適的隔震支座后電力架構(gòu)基頻降低，頂端位移響應(yīng)、桿件應(yīng)力以及傾覆力矩較隔震前都有不同程度的減小，驗(yàn)證了隔震系統(tǒng)的有效性。

750 kV；變電構(gòu)架；隔震；有限元；時(shí)程分析

近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，各行業(yè)對(duì)電力的需求量越來越大，新建輸電線路的電氣設(shè)備也逐漸向高、大、重方向發(fā)展。另一方面，我國(guó)是地震多發(fā)國(guó)家，部分發(fā)電廠、輸電線路以及變電站將不可避免地建在中高烈度區(qū)，在地震中極易損壞，對(duì)當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)生活及之后的抗震救災(zāi)工作產(chǎn)生嚴(yán)重影響[1]。結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)可以隔離地震對(duì)結(jié)構(gòu)的作用[2]，各種規(guī)范[3]主要是針對(duì)建筑房屋結(jié)構(gòu)，對(duì)于電氣構(gòu)架的抗震設(shè)計(jì)，所涉及的深度仍很淺，遠(yuǎn)沒有到達(dá)可操作的程度。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)高壓電氣設(shè)備動(dòng)力反應(yīng)機(jī)理已有了一些研究[4-6]，但對(duì)于高壓構(gòu)架的研究成果較少。本課題通過對(duì)750 kV架構(gòu)隔震體系的研究，以期得到一些有益的結(jié)論，為后續(xù)的構(gòu)架抗震提供指導(dǎo)。

1 隔震結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型和運(yùn)動(dòng)方程

目前，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)化模型主要由單質(zhì)點(diǎn)模型、雙自由度模型和多自由度模型[7-8]。雙自由度模型是將上部結(jié)構(gòu)和隔震層分別等效成一個(gè)單自由度，然后確定上部結(jié)構(gòu)與隔震層的地震反應(yīng)，為大多數(shù)工程所應(yīng)用，如圖1所示，以雙自由度模型為例，基礎(chǔ)隔震體系的運(yùn)動(dòng)微分方程為

其中，M1為隔震層的質(zhì)量；K1、C1分別為隔震層橡膠支座的總水平剛度和阻尼；M2、K2、C2為上部結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量、總水平剛度和總層間阻尼。

圖1 基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型Fig.1 Simpli fi ed model of base-isolation

2 隔震單元介紹

在 ANSYS 軟件中沒有現(xiàn)成的單元得以直接模擬隔震支座，但由于 ANSYS 單元庫非常豐富，有線性彈簧單元及非線性粘滯阻尼-彈簧單元，故可以由這兩種單元組合來擬隔震支座[9]。水平隔震單元可采用 COMBIN40 單元(圖2)，該單元通過指定的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)彈簧常數(shù)、阻尼系數(shù)和屈服力，來模擬隔震支座水平方向的力學(xué)性能。豎向隔震單元可以通過設(shè)定豎向剛度 COMBIN14單元(圖3)來進(jìn)行模擬。鉛芯橡膠支座水平方向的力學(xué)參數(shù)為：Ku，Kd，Qd。COMBINE40單元有實(shí)常數(shù)K1、K2、Ch、FSLIDE、GAP，容易得到各個(gè)參數(shù)對(duì)應(yīng)取值如下：K2=Kd，K1=Ku-Kd，F(xiàn)SLIDE=Qd，GAP=0，Ch為阻尼[10]。豎向隔震單元COMBINE14的輸入?yún)?shù)k 和阻尼系數(shù)可由橡膠支座參數(shù)直接獲得。以下列出了4種常用鉛芯橡膠支座的力學(xué)參數(shù)，見表1，參數(shù)直接來源于生產(chǎn)廠家。

圖2 COMBINE40 單元Fig.2 COMBINE40 Element

圖3 COMBINE14 單元Fig.3 COMBINE14 Element

表1 隔震支座參數(shù)表Tab.1 Lead rubber bearings parameters

3 有限元模型建立

計(jì)算分析的750 kV構(gòu)架高50.3 m，柱主桿為Φ351×10(單位mm，以下尺寸單位同)，橫撐為Φ83×5，斜桿為Φ146×5，腹桿為Φ83×5，綴條為Φ83×5，梁上下弦桿為Φ168×8，立面斜桿為L(zhǎng)80×8，立面立桿為L(zhǎng)70×8，底面斜桿L80×8，底面立桿L70×8，連接腹桿為L(zhǎng)56×5。采用ANSYS軟件分析時(shí)，柱、梁主材采用 Beam188 單元，其余桿件采用 Link180單元。有限元模型如圖4所示。

4 模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)自振特性

將上述隔震支座分別引入腳柱底下，采用分塊Lanczons方法分別計(jì)算了有無隔震支座下的構(gòu)架自振頻率，如表2所示。取前6階模態(tài)分析結(jié)果，從表2可以看出，隔震前構(gòu)架一階頻率為1.2，隔震后頻率都有不同程度的影響，其中添加支座LRB300后頻率減少幅度最大，達(dá)到了20.92%。隔震后，相當(dāng)于使整個(gè)結(jié)構(gòu)變?nèi)崃耍娱L(zhǎng)了構(gòu)架的自振周期，一定程度上能避開場(chǎng)地自振周期，減小地震反應(yīng)。選取具有代表性的EL centro波和Northridge波，人工波基于建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行合成。隔震前構(gòu)架的前兩階頻率分別為x方向和y方向的彎曲變形，第三階振型為整體扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。隔震后變形主要集中在隔震層，構(gòu)架前兩階陣型仍以彎曲變形為主，但幅度有所減少，第三階陣型變?yōu)榱朔聪驈澢?/p>

圖4 750 kV構(gòu)架有限元模型Fig.4 Finite element model of 750 kV structural gantry

5 動(dòng)力時(shí)程分析

5.1 地震波選取

本文選用兩條天然地震波和一條人工波調(diào)整至8度設(shè)防對(duì)應(yīng)的地震水平(0.20 g)，在垂直于構(gòu)架的方向即x方向激勵(lì)進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析。天然地震波

表2 隔震前后自振頻率 (單位：Hz)Tab.2 Frequencies of gantry with and without Isolation

5.2 隔震前后各層構(gòu)架根部應(yīng)力及頂端位移對(duì)比

在高壓電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)和計(jì)算分析中，需要控制結(jié)構(gòu)設(shè)備的頂端位移和彎曲應(yīng)力。規(guī)范[11]中規(guī)定在地震荷載短時(shí)作用下，設(shè)備對(duì)應(yīng)破壞應(yīng)力的安全系數(shù)不應(yīng)小于 1.67，此變電構(gòu)架采用Q235鋼材，屈服應(yīng)力為235 MPa，因此，在設(shè)計(jì)中構(gòu)架容許應(yīng)力值為140 MPa。8度設(shè)防對(duì)應(yīng)的地震作用下，普通結(jié)構(gòu)和不同支座布置方案的隔震結(jié)構(gòu)的x向最大根部應(yīng)力和位移分別列于表3和表4，表中數(shù)值均為三條地震波激勵(lì)的最大響應(yīng)的平均值?？紤]到此

750 kV變電構(gòu)架結(jié)構(gòu)形式與房屋建筑相比具有一定的特殊性，故將此構(gòu)架由下往上劃分為6層，每層由2段組成。表3中還給出了各層水平向減震系數(shù)，水平向減震系數(shù)即采用隔震技術(shù)的結(jié)構(gòu)受到水平地震作用結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)降低的程度，能夠直觀反映減震效果，是評(píng)價(jià)隔震效果的重要指標(biāo)之一。表中水平向減震系數(shù)計(jì)算公式為

從表3中數(shù)據(jù)可以看出在8度設(shè)防地震下，電氣構(gòu)架最大應(yīng)力為131.22 MPa，小于考慮了安全系數(shù)后對(duì)應(yīng)的容許應(yīng)力值140 MPa，構(gòu)架整體是偏于安全的。所有構(gòu)架模型各層桿件根部應(yīng)力的變化規(guī)律也是一致的，隨著構(gòu)架高度的降低應(yīng)力越來越大，最底部構(gòu)架應(yīng)力達(dá)到最大。引入隔震支座后，四種不同隔震支座布置方案的水平向減震系數(shù)最大值分別為22.69%、19.25%、16.21%、13.24%，隔震效果明顯，其中LRB300支座的隔震效果最為明顯，達(dá)到了22.69%。此外，減震系數(shù)也呈現(xiàn)隨高度降低而增大的趨勢(shì)，原因可能是底部設(shè)置隔震支座后直接耗散了底部輸入的地震能量，而對(duì)上部影響較小。

表3 各模型構(gòu)架各層最大根部應(yīng)力Tab.3 The maximum bending stress in each fl oor of gantry in each model

由表4可以看出，引入隔震支座后，位移主要發(fā)生在隔震層，原因在于橡膠支座的抗側(cè)剛度于構(gòu)架而言相對(duì)較小，隔震支座的設(shè)置改變了整個(gè)體系的動(dòng)力特性，支座發(fā)生較大位移后能耗散部分向上部結(jié)構(gòu)輸入的地震能量。隨著構(gòu)架高度的上升，位移也表現(xiàn)為不斷增大的趨勢(shì)，但引入隔震支座后，上部位移增幅較小，結(jié)構(gòu)接近于平動(dòng)，這與建筑隔震的規(guī)律是一致的[12]。此外，LRB300及LRB350隔震支座雖然對(duì)于桿件應(yīng)力起著減少的作用，但是由于支座剛度過小，最頂端位移反而增大，這對(duì)構(gòu)架的抗震設(shè)計(jì)顯然是不利的。而LRB400和LRB500支座對(duì)于應(yīng)力和位移都起著減小的作用，最頂端位移減小率分別為10.0%和16.8%。綜合考慮隔震支座對(duì)應(yīng)力和位移的影響，在常用的四種隔震支座中，宜采用LRB400和LRB500。

表4 各模型構(gòu)架各層最大位移Tab.4 The maximum displacement in each fl oor of gantry in each model

5.3 隔震前后各層構(gòu)架根部?jī)A覆力矩對(duì)比

引入隔震支座后，傾覆力矩的變化趨勢(shì)(表5)與應(yīng)力的變化趨勢(shì)是一致的，但是減小幅度比應(yīng)力小。在高層建筑隔震中，過大的傾覆力矩是阻礙隔震技術(shù)發(fā)展的一個(gè)不利方面，因?yàn)閮A覆力矩的產(chǎn)生必然導(dǎo)致隔震支座部分受拉，而橡膠支座的抗拉能力是極為有限的，雖然引入隔震支座后傾覆力矩有所減小，但此時(shí)的拉力是由于隔震支座所承擔(dān)，而原模型是由基礎(chǔ)所承擔(dān)。因此，對(duì)于此構(gòu)架進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)時(shí)，可仿照建筑隔震采取限位等措施來進(jìn)一步減小傾覆力矩。

表5 各模型構(gòu)架各層最大傾覆力矩Tab.5 The maximum overturning moment in each fl oor of gantry in each model

6 結(jié)論

1）在8度設(shè)防地震作用下，未隔震前變電構(gòu)架最大應(yīng)力為131.22 MPa，小于考慮了安全系數(shù)后對(duì)應(yīng)的容許應(yīng)力值140 MPa，構(gòu)架整體是偏于安全的。而采用隔震支座后，應(yīng)力都有不同幅度的減小，結(jié)構(gòu)安全富余度更高。

2）地震作用下，未隔震前構(gòu)架最大位移為131.37 mm，而隔震后對(duì)于采用LRB300和LRB350支座的模型位移反而增大了，原因在于底部抗側(cè)剛度過小，綜合考慮隔震支座對(duì)于應(yīng)力和位移的影響，對(duì)于750 kV變電構(gòu)架隔震設(shè)計(jì)時(shí)宜采用LRB400和LRB500。

3）若要進(jìn)一步提高該變電構(gòu)架的抗震性能，應(yīng)在采取隔震技術(shù)的基礎(chǔ)上考慮加大側(cè)向約束來減小構(gòu)架的位移、傾覆力矩，進(jìn)一步對(duì)其加固處理。

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Finite element analysis of isolation performance for 750 kV structure gantry

LUO Kerong，ZHANG Fuyou，YU Haiqiang，HE Mengyao
(College of Civil And Transportation Enginerring，Ho Hai Unversity，Nanjing 210098，China)

Absract：The 750 kV structural gantry is a high and heavy load steel latticed structure，which is of vital importance in the 750 kV electric substation. It has high vulnerability during earthquakes. In this work，finite element models of 750 kV structural gantry with and without isolation layer are established by ANSYS. Dynamic time-history analysis are carried out by inputting seismic waves for these two models.The results show that by adopting suitable isolation bearing the structure gantry with base isolation has lower frequency. Apart from this，its top displacement response and pole stress have different degrees of reduction compared to those of gantry without base isolation. These conclusions indicate that it is effective to use isolation system，which has provided a basis for practical application of isolation technology in power tower.

gantry；isolation； fi nite element；time-history analysis

TU32

A

1673-9469（2017）04-0010-05

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.04.003

2017-08-04

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51479052)

羅柯镕(1993-)，男，江蘇常州人，碩士，從事工程抗震及隔震減震研究。