大型變電站在近斷層地震動作用下的地震反應分析*

文波，曹猛，牛荻濤

(西安建筑科技大學土木工程學院，陜西西安710055)

大型變電站在近斷層地震動作用下的地震反應分析*

文波，曹猛，牛荻濤

(西安建筑科技大學土木工程學院，陜西西安710055)

結合近斷層地震動特征，針對我國變電站量大面廣的特點，建立了考慮變電站主體結構－電氣設備相互作用的三維動力分析模型;選取多條實際近斷層地震動記錄作為地震動輸入，采用非線性動力時程分析方法對大型變電站進行地震反應分析，并與遠斷層地震動作用下的地震反應結果進行了對比分析。結果表明，大型變電站在近斷層地震動作用下的地震反應大于遠斷層地震動作用下的結果，該類建筑物對近斷層地震動的作用較敏感，近斷層處變電站的地震破壞影響程度更大。此外，還分析了近斷層地震動作用下采用隔震技術的變電站地震反應，發現其抗震性能優于未采用隔震措施的變電站，即隔震技術適用于建造在近斷層附近的變電站。

變電站;有限元模型;近斷層地震動;相互作用;隔震設計

0 引言

近年來國內外發生的一系列破壞性地震(1994年美國北嶺地震、1995年日本阪神地震、1999年我國臺灣集集地震)，尤其是2008年5月12日發生在我國四川省汶川的M8.0級特大地震及2010年1月12日海地M7.3級大地震均造成了慘重的人員傷亡和巨大的經濟損失，并對電力系統造成重創［1－3］。與歷史上其它大地震相比較，這幾次地震的最顯著特點之一就是地震發生地點距離城市較近，地震動具有明顯的速度脈沖運動特征，致使城區地震烈度很高。由于脈沖型近斷層地震動具有強烈的破壞作用，其運動特征及對工程結構的影響已成為地震工程界關注的問題之一［4－5］。作為生命線系統的重要組成部分，變電站的抗震性能優劣直接關系到國民經濟及社會生活的正常運行。近斷層地震動對變電站造成何種影響，影響的嚴重程度如何，都是值得特別關注的問題。本文基于大量實際近斷層地震動記錄，對變電站在近斷層地震動作用下的地震反應進行研究。

1 計算用地震動記錄

近斷層地震動具有周期長、峰值高、類似脈沖波形等特點，對建筑物的影響以高能量脈沖運動為主要特征［6－7］。由于其長周期速度脈沖的作用，能量散發以遞增的方式形成，因此峰值地面速度與峰值地面加速度之比(PGV/PGA)較大，能量難以在短時間內耗散，所以對結構的破壞程度更為嚴重。

為了考察近斷層地震動對變電站的影響，從美國太平洋地震研究中心數據庫(http://peer．berkeley．edu/smcat/search．html)中選取了4條實際地震記錄作為地震動輸入，遠斷層地震動記錄采用El-centro波。為便于分析比較，對地震動加速度峰值進行調幅，統一調至400 cm/s2，地震動斷層距、加速度峰值PGA、速度峰值PGV、位移峰值PGD、PGV/PGA等特性參數列于表1中，地震動加速度時程曲線如圖1所示，地震動速度時程曲線記錄如圖2所示。

表1 近斷層地震動的特性參數

圖1 近斷層地震動加速度時程曲線

圖2 近斷層地震動速度時程曲線

2 變電站地震反應分析

2.1 動力分析模型

變電站的主廠房結構樓面上一般都放置有荷載較大的電氣設備，以往對變電站的抗震性能分析未考慮主體結構和電氣設備之間的相互作用，僅將電氣設備等效荷載化，作為荷載加以考慮。但相關研究結果表明［8］，變電站主廠房作為一種較為復雜的工業建筑物，其主體結構和電氣設備之間存在著明顯的相互作用。本文對《國家電網公司變電站典型設計》［9］中的變電站進行建模分析，將變電站主廠房用三維有限元模型進行模擬，即框架梁和框架柱采用空間梁單元(Frame)模擬;鋼筋混凝土樓板根據梁的單元剖分情況采用能同時考慮平面內、平面外荷載和變形的空間節點薄殼單元(Shell)模擬;對電氣設備采用空間薄殼單元模擬;電氣設備與樓板的連接方式采用固定連接方式，其三維分析模型如圖3所示，同時建立了不考慮主體結構－電氣設備的計算模型，以便進行對比分析。

圖3 變電站主廠房計算模型

2.2 計算結果

采用SAP2000程序［10］對計算模型進行三維非線性時程反應分析，計算結果列于表2。表中給出了主體結構及電氣設備在近斷層地震動與遠斷層地震動作用下的最大水平位移值和最大水平加速度值，其中的A和B分別為近斷層地震動及遠斷層地震動作用下考慮相互作用的計算結果，C為近斷層地震動作用下不考慮相互作用的計算結果。

由表2可以看出，近斷層地震動作用下變電站的地震反應結果大于遠斷層地震動作用下的反應結果，主體結構的反應結果大于電氣設備的反應結果，說明變電站對近斷層地震動作用更敏感，主體結構對近斷層地震動的反應比電氣設備更敏感。此外，近斷層地震動作用下考慮相互作用的結構地震反應結果大于不考慮相互作用的地震反應結果，說明進行結構設計時，應以考慮結構－設備相互作用的結果為準，這樣可以使設計結果更安全。

表2 變電站地震反應結果比較

3 變電站隔震系統的地震反應分析

3.1 變電站隔震系統計算模型

目前國內外對基礎隔震結構進行時程分析時，地震動輸入大都采用的是常規地震動，對于近斷層地震動作用下的結構隔震性能研究較少。本文進一步研究近斷層地震動作用下，變電站隔震結構體系的地震反應。采用基礎隔震形式，隔震支座采用鉛芯橡膠支座，其力學特性采用雙線型彈簧單元模擬，隔震支座設置在主體結構一層底部與地下室頂板之間，計算模型如圖4所示。

4考慮結構－設備相互作用隔震結構計算模型

3.2 變電站隔震后計算結果分析

表3中給出了近斷層地震動作用下隔震后主體結構頂點最大加速度和最大水平位移。由表3可知，近斷層地震動作用下隔震結構的地震反應得到了降低，但減小的幅度不大，例如隔震前后結構頂點最大加速度和最大水平位移的比值分別為0.675和0.544。另一方面，近斷層地震動作用下的未隔震結構的地震反應結果大于隔震結構的地震反應結果，即隔震措施對于近斷層地區的變電站同樣適用。

表3 結構頂點最大水平加速度和最大水平位移

圖5所示為隔震前后變電站結構頂點最大層間位移角比值及最大水平加速度比值。可以看出，層間位移角的變化規律與最大水平加速度的變化規律一致，均表現為近斷層地震動作用下的結果大于遠斷層地震動作用的結果，均表現為TCU068＞TCU052＞TCU102＞TCU075，這與地震動PGV/ PGA的變化規律一致，變電站隔震結構對近震記錄TCU075作用隔震效果最明顯，由此看出，PGV/PGA的比值越小，隔震效果越好。

圖5 隔震結構頂點最大層間位移角及最大水平加速度

4 結論

根據近斷層地震動的特征，結合我國大型變電站的特點，建立了考慮主體結構－電氣設備相互作用的動力分析模型，進行了近斷層地震動作用下變電站的地震反應分析，并與不考慮主體結構－電氣設備相互作用的地震反應結果進行了對比，繼而初步探討了近斷層地震動作用下變電站隔震結構的地震反應結果，得到如下主要結論。

(1)變電站在近斷層地震動作用下的地震反應大于遠斷層地震動作用下的反應，說明該類建筑物對近斷層地震動反應更為敏感。

(2)同等場地條件下近斷層地震區決定地震動強度的關鍵因素為PGV/PGA，PGV/PGA越小結構反應越劇烈，所產生的地震反應也越大。

(3)考慮主體結構－電氣設備相互作用的計算結果比不考慮二者相互作用的值更大，變電站結構設計時，應以考慮相互作用的模型為準，計算的結果偏于安全。

(4)近斷層脈沖型地震動作用下變電站的地震反應比相應隔震結構的地震反應大，隔震技術對于長周期脈沖型近斷層地震動作用下的變電站也是適用的。

［1］城市與工程減災基礎研究論文集編輯委員會．城市與工程減災基礎研究論文集［M］．北京:中國科學技術出版社，1995．

［2］Wang G Q，Zhou X Y，Zhang P Z，et al．Caracteristics of amplitude and duration for near fault strong ground motion from the 1999 Chi-Chi，Taiwan，earthquake［J］．Soil Dynamics and Earthquake Engineering，2002，22:73－96．

［3］文波，牛荻濤，韓永興，等．陜西省供電系統在5.12汶川大地震中破壞及震害評估［J］．建筑結構，2008，38(10): 54－56．

［4］Malhotra P K．Response of buildings to near-field pulse-like ground motions［J］．Earthquake Engineering and Structural Dynamics，1999，28:1309－1326．

［5］Hall J F，Heaton T H，Halling MW，et al．Near-source ground motion and its effects on flexible buildings［J］．Earthquake Spectra，1995，11(4):569－605．

［6］劉啟方，袁一凡，金星，等．近斷層地震動的基本特征［J］．地震工程與工程振動，2006，26(1):1－10．

［7］楊迪雄，李剛．近斷層地震動的強度度量參數研究［J］．地震工程與工程振動，2008，28(4):31－36．

［8］文波．配電樓－電氣設備系統的地震反應及減震控制研究［D］．西安:西安建筑科技大學，2008．

［9］國家電網工程輸變電工程典型設計［M］．北京:中國電力出版社，2005．

［10］北京金土木軟件技術有限公司，中國建筑標準設計研究院．SAP2000中文版使用指南［M］．北京:人民交通出版社，2006．

Seismic Response Analysis of Large Substations under Near-fault Ground Motions

Wen Bo，Cao Meng and Niu Ditao
(Civil Engineering Institute，Xi'an University of Architecture＆Technology，Xi'an 710055，China)

Combining with the characteristics of near-fault ground motions，and according to the specific conditions in China，a three dimensions dynamic analysis model considering interactions of main structure and electrical equipment of the substations is established．The nonlinear time-history dynamic method with a series of near-fault ground motion waves is used in seismic response analysis of large substations，and the results are comparative analyzed with the results of seismic response under far-fault ground motions．It is shown that the reactions of substation buildings under near-fault ground motions are stronger than those in common ground motions and the destruction of the former is more serious than the latter．Meanwhile，the seismic reactions of substations with isolation technology under near-fault ground motions are investigated to compare with those in normal substations．It can be learned that the seismic reactions of isolation substations under near-fault ground motions are better than those substations without isolation technology，which is feasible for the substations built in the regions of near-fault ground．

substation;finite element model;near-fault ground motions;interaction;isolation design

TU352.1;TU375.4

A

1000－811X(2012)04－0034－04

2012－03－16

2012－05－03

國家自然科學基金項目(51008246);長江學者和創新團隊發展計劃資助;陜西省教育廳基金項目(2010JK632)

文波(1975－)，女，陜西西安人，博士，副教授，主要研究方向為生命線工程抗震及結構抗火．E-mail:wenbo_mail@163．com