考慮屈曲約束支撐的±1100kV閥廳抗震性能化設(shè)計研究

(中國電力工程顧問集團中南電力設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430071)

0 引言

地震其具有突發(fā)性和破壞力大的特點，根據(jù)以往震害調(diào)研，在強震作用下變電站、換流站建構(gòu)筑物均產(chǎn)生不同程度的損壞[1-2]。重要的電力設(shè)施屬于生命線工程，根據(jù)GB 50260—2013《電力設(shè)施抗震規(guī)范》[3]中1.0.4和1.0.5條的規(guī)定、GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范(2016年版)》[4]、《生命線地震工程導論》[5]以及《生命線地震工程》[6]對生命線工程抗震性能化設(shè)計要求，對于電壓等級110 kV～750 kV變電站以及電壓等級為±660 kV及以下?lián)Q流站內(nèi)的建(構(gòu))筑物可劃分為以下3個性能等級，如表1所示[7]。

表1 變電站及換流站內(nèi)建(構(gòu))筑物抗震性能等級

±1 100 kV閥廳是±1 100 kV特高壓換流站內(nèi)最核心的建筑物。與低電壓等級的閥廳相比，±1 100 kV閥廳的軸線尺寸更大、高度更高、換流閥重量更重，其在高烈度地震作用下，所產(chǎn)生的地震力和位移將遠大于其他電壓等級較低的閥廳?！? 100 kV閥廳地震中如遭遇損傷，將直接造成更為重大的經(jīng)濟損失，同時也將影響地震后的抗震救災(zāi)工作。因此建議±1 100 kV閥廳抗震性能目標定為性能1，推薦其抗震性能目標參數(shù)不低于表2要求。

表2 ±1 100 kV閥廳結(jié)構(gòu)抗震性能目標

本文主要對±1 100 kV閥廳(以下簡稱“閥廳”)鋼結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)件分別采用普通支撐以及屈曲約束支撐時的抗震性能進行分析，同時對比達到抗震性能為性能1時兩者的經(jīng)濟指標。

1 工程概況

本文以昌吉—古泉±1 100 kV輸電工程古泉換流站高端閥廳為研究對象，該±1 100 kV換流站閥廳軸線尺寸為118.5 m×45.65 m，屋架下弦標高為34.45 m?！? 100 kV高端閥廳采用全鋼結(jié)構(gòu)方案，即鋼柱+鋼屋蓋的結(jié)構(gòu)型式，換流變鋼筋混凝土防火墻與閥廳鋼結(jié)構(gòu)柱脫開布置，體型相對較規(guī)整，地震作用下不容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，主體結(jié)構(gòu)受力性能更好，更利于抗震。在該結(jié)構(gòu)方案中，鋼排架柱主要作為承重構(gòu)件，結(jié)構(gòu)水平剛度主要由支撐承擔，如圖1所示，其中X向為短邊方向，Y向為長邊方向。

圖1 ±1 100 kV閥廳計算模型示意圖

結(jié)合在建和已建的換流站站址所對應(yīng)的抗震設(shè)防烈度，本文分析采用的抗震設(shè)防烈度為8度，所對應(yīng)的設(shè)防地震加速度峰值為0.30g，相應(yīng)的多遇地震和罕遇地震對應(yīng)的地震加速度峰值分別為0.07g和0.51g，同時計算8度(0.20g)罕遇地震工況，分析普通鋼支撐的屈曲情況，具體如表3所示。

表3 時程分析特征周期及地震加速度峰值

2 屈曲約束支撐及其工作原理

屈曲約束支撐也稱為防屈曲支撐，一般由內(nèi)核單元、外部約束單元及滑移機制單元組成。其斷面型式有很多，包括一字型、十字型、工字型等等。屈曲約束支撐承受的力多由內(nèi)核單元來承擔，屈曲約束支撐在承擔軸向力的過程中，其屈服耗能工作主要由內(nèi)核單元中的屈服段部分承擔，約束單元能夠保證內(nèi)核單元在承受軸壓力時不發(fā)生屈曲失穩(wěn)。因此防屈曲支撐比普通支撐具有更穩(wěn)定的力學表現(xiàn)，其滯回曲線也更飽滿，可以更好地吸收地震能量。

屈曲約束支撐的發(fā)明解決了普通鋼支撐的失穩(wěn)破壞的問題，使鋼結(jié)構(gòu)支撐在受拉和受壓時候性能一致(如圖2所示)，從而大大提高了鋼材的利用率。同時鋼結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)件采用屈曲約束支撐時，支撐成為結(jié)構(gòu)的耗能元件，起到結(jié)構(gòu)“保險絲”的作用。屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)延性好，耗能能力強，且屈曲約束支撐施工方法與普通鋼結(jié)構(gòu)支撐相同，施工進度快，質(zhì)量可靠[8]。

圖2 屈曲約束支撐與普通支撐滯回曲線對比

3 結(jié)構(gòu)計算模型

3.1 計算模型及工況

為對比普通鋼支撐以及屈曲約束支撐構(gòu)件的抗震性能及經(jīng)濟性指標，本文對閥廳鋼結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)件分別為普通鋼支撐、加強普通鋼支撐以及屈曲約束支撐時，采用大型有限元分析軟件SAP200進行彈性及彈塑性時程分析，其中加強的普通鋼支撐方案只計算8度(0.30g)罕遇地震工況。支撐布置遵循“均勻、分散、對稱”的原則，均勻布置在結(jié)構(gòu)四周。SAP2000模型如圖1所示，具體計算工況見表4。

表4 閥廳計算分析工況

3.2 地震波的選擇

按GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范(2016年版)》[4]要求，該結(jié)構(gòu)的抗震計算應(yīng)采用動力時程分析法，且動力時程分析應(yīng)按建筑場地類別和設(shè)計地震分組選用不少于2組實際強震記錄 (Chi-Chi，Taiwan-02；Chi-Chi，Taiwan-05)和1組人工波(A1)的加速度時程曲線，其中人工波A1如圖3所示。

圖3 分析所用的地震波［8度(0.30g)罕遇地震人工波］

4 結(jié)構(gòu)時程分析結(jié)果對比

4.1 8度(0.30g)多遇地震

屈曲約束支撐8度(0.30g)多遇地震下尚未進入耗能階段，采用等效支撐剛度來模擬屈曲約束支撐的彈性剛度，即屈曲約束支撐方案和普通支撐方案在8度(0.30g)多遇地震下的支撐截面剛度一致。8度(0.30g)多遇地震下，時程分析所得閥廳層間位移角包絡(luò)值見表5。

表5 8度(0.30g)多遇地震層間位移角(包絡(luò)值)1/rad

由表5可知，支撐構(gòu)件為屈曲約束支撐方案和普通支撐方案時在8度(0.30g)多遇地震下X，Y向?qū)娱g位移角均滿足抗震性能目標1中有關(guān)層間位移角的要求。

4.2 罕遇地震

屈曲約束支撐8度(0.30g)罕遇地震下進入塑性耗能階段，因此在SAP2000中，采用軸力鉸模擬屈曲約束支撐。對于閥廳結(jié)構(gòu)的排架柱、系桿以及普通支撐(含加強方案的相關(guān)構(gòu)件)，在8度(0.20g)罕遇地震以及8度(0.30g)罕遇地震均定義塑性鉸。

為了分析結(jié)構(gòu)在不同地震波、不同地震輸入方向作用下結(jié)構(gòu)的彈塑性性能，對閥廳結(jié)構(gòu)分別進行X，Y向地震輸入作用下的彈塑性時程分析，得出閥廳主體鋼結(jié)構(gòu)在8度(0.20g)罕遇地震以及8度(0.30g)罕遇地震下的位移及塑性鉸分布的響應(yīng)結(jié)果。普通鋼支撐方案、加強普通鋼支撐方案以及屈曲約束支撐方案的支撐構(gòu)件與鋼柱在Y方向罕遇地震下最終塑性鉸分布狀態(tài)如圖4～圖5，典型屈曲約束支撐構(gòu)件內(nèi)力—變形曲線見圖5(d)。三種鋼結(jié)構(gòu)支撐方案在罕遇地震下層間位移角包絡(luò)值見表6。

圖4 Y方向構(gòu)件塑性鉸分布[8度(0.20g)罕遇地震]

圖5 Y方向構(gòu)件塑性鉸分布及內(nèi)力—變形曲線[8度(0.30g)罕遇地震]

表6 罕遇地震層間位移角(包絡(luò)值)1/rad

從閥廳鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件塑性鉸分布(圖4～圖5)以及罕遇地震層間位移角的大小(表6)分析對比得出：

1)普通支撐方案在8度(0.20g)罕遇地震作用下，閥廳層間位移角包絡(luò)值達到1/65，滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[4]所規(guī)定的彈塑性層間位移角1/50的限值，大多數(shù)支撐構(gòu)件出現(xiàn)塑性鉸，部分塑性鉸處于C-D喪失承載力階段。結(jié)構(gòu)整體仍具有一定的承載能力，但是結(jié)構(gòu)整體變形超出實現(xiàn)抗震性能目標1罕遇地震下本文所推薦得層間位移角(1/200)的要求。

2)普通支撐方案在8度(0.30g)罕遇地震作用下，閥廳層間位移角包絡(luò)值達到1/46，超出《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[4]所規(guī)定的彈塑性層間位移角1/50的限值，支撐構(gòu)件基本上均出現(xiàn)塑性鉸，同時大多數(shù)塑性鉸處于C-D喪失承載力階段。結(jié)構(gòu)整體已失去承載能力，破壞嚴重，結(jié)構(gòu)整體變形遠超實現(xiàn)抗震性能目標1罕遇地震下本文所推薦得層間位移角(1/200)的要求。

3)加強普通支撐方案在8度(0.30g)罕遇地震作用下閥廳層間位移角包絡(luò)值為1/203。部分支撐構(gòu)件屈服，產(chǎn)生塑性鉸，但只有少量塑性鉸處于C-D喪失承載力階段，結(jié)構(gòu)整體承載力及剛度有所下降，但仍具有較大的剛度和承載能力，層間位移角可以滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[4]中“大震不倒”所規(guī)定的彈塑性層間位移角1/50的限值要求，也可實現(xiàn)抗震性能目標1中對罕遇地震下本文推薦層間位移角(1/200)的要求。

4)屈曲約束支撐方案在8度(0.30g)罕遇地震作用下閥廳層間位移角包絡(luò)值為1/208。閥廳結(jié)構(gòu)構(gòu)件除屈曲約束支撐外，基本處于彈性階段。同時由典型的屈曲約束支撐構(gòu)件內(nèi)力—變形曲線可看出，其滯回曲線飽滿，比普通支撐具有更穩(wěn)定的力學表現(xiàn)，可以更好地吸收地震能量，在地震力的作用下屈曲約束支撐屈服耗能可以更好地起到保護主體結(jié)構(gòu)的作用。此時閥廳層間位移角不僅可以滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[4]中“大震不倒”要求，而且滿足實現(xiàn)抗震性能目標1中的相關(guān)要求。

5 不同支撐方案經(jīng)濟性對比

本文所采用的加強普通支撐方案以及屈曲約束支撐方案均可達到抗震性能要求1層間位移角要求。由表7可看出，此時，屈曲約束支撐方案可節(jié)省造價374.05萬元，相對節(jié)省主體鋼結(jié)構(gòu)總造價的27.8%。同時防屈曲支撐為位移型減震產(chǎn)品，無附加構(gòu)件，施工安裝方便，安裝方案與普通鋼支撐方案一致，因此高烈度地震地區(qū)閥廳以及類似閥廳的結(jié)構(gòu)進行抗震性能化設(shè)計時，采用屈曲約束支撐方案技術(shù)經(jīng)濟指標均較為優(yōu)良。

表7 不同支撐方案經(jīng)濟對比

6 結(jié)論

本文首先依據(jù)《電力設(shè)施抗震規(guī)范》[3]中相關(guān)條文對電力設(shè)施抗震性能以及《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[4]抗震性能化設(shè)計的規(guī)定，給出±1 100 kV閥廳抗震性能目標；其次對閥廳鋼結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)件分別采用普通支撐以及屈曲約束支撐時的抗震性能進行分析，同時對比達到抗震性能目標時的兩者經(jīng)濟指標，得出的主要結(jié)論如下：

1)±1 100 kV閥廳作為生命線工程中的核心建筑物，建議其抗震性能目標定為性能1。

2)閥廳結(jié)構(gòu)在8度(0.30g)多遇地震作用下，屈曲約束支撐提供附加剛度，屈曲約束支撐方案和普通支撐方案結(jié)構(gòu)層間位移角為包絡(luò)值為1/664，滿足性能目標1要求。

3)采用普通鋼支撐方案，在8度(0.20g)罕遇地震作用下，閥廳結(jié)構(gòu)層間位移角包絡(luò)值滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的彈塑性層間位移限值；在8度(0.30g)罕遇地震作用下，閥廳結(jié)構(gòu)層間位移角包絡(luò)值超出彈塑性層間位移限值；兩種情況下均無法實現(xiàn)抗震性能目標1。

4)采用加強普通鋼支撐方案以及屈曲約束支撐方案，在8度(0.30g)罕遇地震作用下，閥廳結(jié)構(gòu)層間位移角包絡(luò)值分別為1/203以及1/208，均可以滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的彈塑性層間位移的限值，同時可以實現(xiàn)抗震性能目標1。

5)8度(0.30g)罕遇地震作用下，閥廳結(jié)構(gòu)達到抗震性能目標1時，在同等級位移角的情況下，屈曲約束支撐方案總體可節(jié)省造價27.8%；同時防屈曲支撐為位移型減震產(chǎn)品，無附加構(gòu)件，施工安裝方便，安裝方案與普通鋼支撐方案一致，便于現(xiàn)場施工。

6)屈曲約束支撐延性好、耗能能力強，閥廳支撐構(gòu)件采用屈曲約束支撐時，支撐成為結(jié)構(gòu)的耗能元件，起到結(jié)構(gòu)“保險絲”的作用，使得閥廳整體結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，更有利于實現(xiàn)性能為1的抗震性能化設(shè)計目標，對于閥廳這類生命線工程中的核心建筑物，建議在抗震設(shè)防烈度為8度及以上地區(qū)采用屈曲約束支撐減震方案。