750 kV變電架構隔震性能的有限元分析

羅柯镕，張富有，余海強，賀夢瑤

(河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

750 kV變電架構隔震性能的有限元分析

羅柯镕，張富有，余海強，賀夢瑤

(河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

針對750 kV變電架構在地震中易損性問題。基于ANSYS有限元軟件，分別建立了750 kV構架隔震前后的有限元模型，輸入地震波進行動力時程響應分析。結果表明，采用合適的隔震支座后電力架構基頻降低，頂端位移響應、桿件應力以及傾覆力矩較隔震前都有不同程度的減小，驗證了隔震系統的有效性。

750 kV；變電構架；隔震；有限元；時程分析

近年來，隨著我國經濟的迅速發展，各行業對電力的需求量越來越大，新建輸電線路的電氣設備也逐漸向高、大、重方向發展。另一方面，我國是地震多發國家，部分發電廠、輸電線路以及變電站將不可避免地建在中高烈度區，在地震中極易損壞，對當地的生產生活及之后的抗震救災工作產生嚴重影響[1]。結構隔震技術可以隔離地震對結構的作用[2]，各種規范[3]主要是針對建筑房屋結構，對于電氣構架的抗震設計，所涉及的深度仍很淺，遠沒有到達可操作的程度。目前國內外對高壓電氣設備動力反應機理已有了一些研究[4-6]，但對于高壓構架的研究成果較少。本課題通過對750 kV架構隔震體系的研究，以期得到一些有益的結論，為后續的構架抗震提供指導。

1 隔震結構的力學模型和運動方程

目前，基礎隔震結構的計算簡化模型主要由單質點模型、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構和隔震層分別等效成一個單自由度，然后確定上部結構與隔震層的地震反應，為大多數工程所應用，如圖1所示，以雙自由度模型為例，基礎隔震體系的運動微分方程為

其中，M1為隔震層的質量；K1、C1分別為隔震層橡膠支座的總水平剛度和阻尼；M2、K2、C2為上部結構的總質量、總水平剛度和總層間阻尼。

圖1 基礎隔震結構簡化模型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節點彈簧常數、阻尼系數和屈服力，來模擬隔震支座水平方向的力學性能。豎向隔震單元可以通過設定豎向剛度 COMBIN14單元(圖3)來進行模擬。鉛芯橡膠支座水平方向的力學參數為：Ku，Kd，Qd。COMBINE40單元有實常數K1、K2、Ch、FSLIDE、GAP，容易得到各個參數對應取值如下：K2=Kd，K1=Ku-Kd，FSLIDE=Qd，GAP=0，Ch為阻尼[10]。豎向隔震單元COMBINE14的輸入參數k 和阻尼系數可由橡膠支座參數直接獲得。以下列出了4種常用鉛芯橡膠支座的力學參數，見表1，參數直接來源于生產廠家。

圖2 COMBINE40 單元Fig.2 COMBINE40 Element

圖3 COMBINE14 單元Fig.3 COMBINE14 Element

表1 隔震支座參數表Tab.1 Lead rubber bearings parameters

3 有限元模型建立

計算分析的750 kV構架高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L80×8，立面立桿為L70×8，底面斜桿L80×8，底面立桿L70×8，連接腹桿為L56×5。采用ANSYS軟件分析時，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 模態分析及結構自振特性

將上述隔震支座分別引入腳柱底下，采用分塊Lanczons方法分別計算了有無隔震支座下的構架自振頻率，如表2所示。取前6階模態分析結果，從表2可以看出，隔震前構架一階頻率為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，達到了20.92%。隔震后，相當于使整個結構變柔了，延長了構架的自振周期，一定程度上能避開場地自振周期，減小地震反應。選取具有代表性的EL centro波和Northridge波，人工波基于建筑抗震設計規范進行合成。隔震前構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振動。隔震后變形主要集中在隔震層，構架前兩階陣型仍以彎曲變形為主，但幅度有所減少，第三階陣型變為了反向彎曲。

圖4 750 kV構架有限元模型Fig.4 Finite element model of 750 kV structural gantry

5 動力時程分析

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整至8度設防對應的地震水平(0.20 g)，在垂直于構架的方向即x方向激勵進行動力時程分析。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 隔震前后各層構架根部應力及頂端位移對比

在高壓電氣設備的設計和計算分析中，需要控制結構設備的頂端位移和彎曲應力。規范[11]中規定在地震荷載短時作用下，設備對應破壞應力的安全系數不應小于 1.67，此變電構架采用Q235鋼材，屈服應力為235 MPa，因此，在設計中構架容許應力值為140 MPa。8度設防對應的地震作用下，普通結構和不同支座布置方案的隔震結構的x向最大根部應力和位移分別列于表3和表4，表中數值均為三條地震波激勵的最大響應的平均值。考慮到此

750 kV變電構架結構形式與房屋建筑相比具有一定的特殊性，故將此構架由下往上劃分為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，水平向減震系數即采用隔震技術的結構受到水平地震作用結構動力反應降低的程度，能夠直觀反映減震效果，是評價隔震效果的重要指標之一。表中水平向減震系數計算公式為

從表3中數據可以看出在8度設防地震下，電氣構架最大應力為131.22 MPa，小于考慮了安全系數后對應的容許應力值140 MPa，構架整體是偏于安全的。所有構架模型各層桿件根部應力的變化規律也是一致的，隨著構架高度的降低應力越來越大，最底部構架應力達到最大。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，達到了22.69%。此外，減震系數也呈現隨高度降低而增大的趨勢，原因可能是底部設置隔震支座后直接耗散了底部輸入的地震能量，而對上部影響較小。

表3 各模型構架各層最大根部應力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，位移主要發生在隔震層，原因在于橡膠支座的抗側剛度于構架而言相對較小，隔震支座的設置改變了整個體系的動力特性，支座發生較大位移后能耗散部分向上部結構輸入的地震能量。隨著構架高度的上升，位移也表現為不斷增大的趨勢，但引入隔震支座后，上部位移增幅較小，結構接近于平動，這與建筑隔震的規律是一致的[12]。此外，LRB300及LRB350隔震支座雖然對于桿件應力起著減少的作用，但是由于支座剛度過小，最頂端位移反而增大，這對構架的抗震設計顯然是不利的。而LRB400和LRB500支座對于應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應力和位移的影響，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 隔震前后各層構架根部傾覆力矩對比

引入隔震支座后，傾覆力矩的變化趨勢(表5)與應力的變化趨勢是一致的，但是減小幅度比應力小。在高層建筑隔震中，過大的傾覆力矩是阻礙隔震技術發展的一個不利方面，因為傾覆力矩的產生必然導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，但此時的拉力是由于隔震支座所承擔，而原模型是由基礎所承擔。因此，對于此構架進行隔震設計時，可仿照建筑隔震采取限位等措施來進一步減小傾覆力矩。

表5 各模型構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 結論

1）在8度設防地震作用下，未隔震前變電構架最大應力為131.22 MPa，小于考慮了安全系數后對應的容許應力值140 MPa，構架整體是偏于安全的。而采用隔震支座后，應力都有不同幅度的減小，結構安全富余度更高。

2）地震作用下，未隔震前構架最大位移為131.37 mm，而隔震后對于采用LRB300和LRB350支座的模型位移反而增大了，原因在于底部抗側剛度過小，綜合考慮隔震支座對于應力和位移的影響，對于750 kV變電構架隔震設計時宜采用LRB400和LRB500。

3）若要進一步提高該變電構架的抗震性能，應在采取隔震技術的基礎上考慮加大側向約束來減小構架的位移、傾覆力矩，進一步對其加固處理。

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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

國家自然科學基金資助項目(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。