500kV變電站架空混凝土平臺地震響應(yīng)分析

魏曉光

（綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系， 綿陽 621000）

0 引言

變電站作為電力系統(tǒng)中重要組成部分，一旦遭遇地震破壞，不僅會(huì)給電力系統(tǒng)本身帶來巨大損失，而且會(huì)對區(qū)域經(jīng)濟(jì)乃至國民經(jīng)濟(jì)造成巨大的沖擊與危害[1]。現(xiàn)有某擬建500kV變電站，站址地勢較低，為此采用架空混凝土平臺將變電站場地架高，使變電站不受洪水的侵襲，由于架空混凝土平臺是首次應(yīng)用于變電站中，因此對其抗震安全性進(jìn)行研究顯得尤為重要[2]。

本文以架空混凝土平臺為研究對象，利用 ANSYS建立架空混凝土平臺的三維有限元計(jì)算模型，對架空混凝土平臺進(jìn)行抗震性能的計(jì)算分析，包括模態(tài)分析和時(shí)程分析[3]。分別選取天津波、ZGC波、上海人工波作為地震輸入，采用Rayleigh阻尼的形式，分別計(jì)算結(jié)構(gòu)在3條地震波一致激勵(lì)的地震響應(yīng)，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)抗震安全性能。

1 工程概況及動(dòng)力計(jì)算模型

1.1 工程概況

平臺為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，采用橫向承重方案，橫向8跨，每跨為8m，縱向28跨，每跨為7m；主梁的橫截面為b×h=450mm×900mm，次梁的橫截面為 b×h=400mm×800mm，柱的橫截面為 b×h=600mm×600mm，板厚100mm，混凝土等級均為C35，主筋采用HRB400級鋼筋，箍筋采用HPB300級鋼筋。

圖1架空混凝土平臺示意圖

1.2 動(dòng)力計(jì)算模型

采用ANSYS建立平臺三維空間有限元模型。梁、柱選用BEAM4梁單元，板選用SHELL63殼單元進(jìn)行模擬。

考慮到動(dòng)力分析的可行性，平臺上面的構(gòu)架予以簡化處理，在結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析時(shí)選用質(zhì)量單元 MASS21模擬構(gòu)架的作用[4]。邊界條件為各柱腳均為固結(jié)。

2 動(dòng)力特性分析

一般結(jié)構(gòu)的前幾階振型起到主要作用，因此在計(jì)算時(shí)也主要提取前幾階的振型進(jìn)行分析,由于篇幅所限，本文只列舉前兩階振型，如圖4所示。前6階自振頻率及自振周期見表1。由表1可以得出混凝土平臺的最大自振周期Tmax=0.1522s 。通過模態(tài)分析驗(yàn)證了架空混凝土平臺有限元模型的合理性。

圖4 結(jié)構(gòu)前兩階振型

表1 結(jié)構(gòu)前6階自振頻率及周期

3 地震響應(yīng)分析

3.1 地震波選取

依據(jù)文獻(xiàn)[5]，選擇天津波、ZGC波、上海人工波作為地震輸入，采用Rayleigh阻尼的形式，進(jìn)行地震響應(yīng)分析。在罕遇地震、7度設(shè)防烈度條件下（加速度峰值2.2m/s2），應(yīng)用地震波的調(diào)幅公式：其中Amax為地震波調(diào)整后的加速度峰值；amax為地震波調(diào)整前的加速度峰值；A(t)為調(diào)整后的地震記錄；a(t)為調(diào)整前的地震記錄[6]。對天津波、ZGC波、上海人工波的地震記錄進(jìn)行強(qiáng)度修正，并對時(shí)域進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT變換)。

由時(shí)域和頻域分析結(jié)果可以看出：天津波橫向和縱向的強(qiáng)震持時(shí)比較短，頻率較低并且相對集中的分布在低頻區(qū)域內(nèi)，豎向高頻區(qū)蘊(yùn)含能量豐富且持時(shí)較長；ZGC波具有兩到三個(gè)加速度峰值并且強(qiáng)震持時(shí)很短，高頻區(qū)蘊(yùn)含能量較為豐富；上海人工波的強(qiáng)震持時(shí)長，低頻區(qū)蘊(yùn)含能量豐富，地震波能量呈帶狀分布。

3.2 地震響應(yīng)計(jì)算

分別計(jì)算混凝土平臺在天津波、ZGC波，上海人工波一致激勵(lì)下的地震響應(yīng)，選取混凝土平臺結(jié)構(gòu)最高點(diǎn)2號節(jié)點(diǎn)、3500號節(jié)點(diǎn)以及受荷最大處的節(jié)點(diǎn)387節(jié)點(diǎn)的位移時(shí)程和加速度時(shí)程作為研究對象，如圖5所示。地震波的激勵(lì)方向選取結(jié)構(gòu)短邊方向（即Z向）。

圖5 研究節(jié)點(diǎn)示意圖

架空混凝土平臺典型節(jié)點(diǎn)位置的位移時(shí)程曲線和加速度時(shí)程曲線如圖 6所示。因篇幅所限，只列取天津波一致激勵(lì)下2號節(jié)點(diǎn)X方向位移時(shí)程曲線和加速度時(shí)程曲線。圖中位移單位為m，加速度單位為m/s2，時(shí)間單位為s。

圖6 2號節(jié)點(diǎn)X向位移時(shí)程曲線和加速度時(shí)程曲線

通過分可以得出天津波、ZGC波，上海人工波一致激勵(lì)下架空平臺控制節(jié)點(diǎn)處的位移、加速度地震響應(yīng)應(yīng)極值。控制點(diǎn)中ZGC波作用下387號節(jié)點(diǎn)Z向位移最大，為u=3.7303×10-3m。

4 結(jié)論

（1）文獻(xiàn)[5]規(guī)定結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下薄弱部位彈塑性變形按下式計(jì)算：鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)θp=1/50；

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[7]規(guī)定框架結(jié)構(gòu)在多遇地震標(biāo)準(zhǔn)值作用下的層間最大水平位移與層高之比Δu/h≤1/550。

本文所有控制點(diǎn)中ZGC波作用下387號節(jié)點(diǎn)Z向位移u=3.7303×10-3m為最大值，架空混凝土平臺高為h=3.3m。經(jīng)計(jì)算得：u＜up=3.3/50=66×10-3m，u/h=1.1305×10-3＜1/550，即架空混凝土平臺在地震作用下的位移滿足相關(guān)規(guī)范要求。

（2）對比三條地震波的激勵(lì)情況可得：ZGC波激勵(lì)下架空混凝土平臺各控制變量的地震反應(yīng)極值最大，上海人工波激勵(lì)下的最小；ZGC波激勵(lì)下2號節(jié)點(diǎn)Z向地震反應(yīng)極值比上海人工波激勵(lì)下的地震反應(yīng)極值大近2倍，比天津波激勵(lì)下的地震反應(yīng)極值大近1倍；387、3500號節(jié)點(diǎn)的情況類似。可見地震波的選取對結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)影響很大，因此在地震反應(yīng)分析時(shí)，應(yīng)盡量選擇多條地震波輸入以便分析比較。

（3）分別對每條地震波激勵(lì)下控制節(jié)點(diǎn)各方向的地震響應(yīng)對比可得：沿地震波輸入方向（Z向）的地震反應(yīng)極值較大，Y向即豎向地震反應(yīng)極值最小。可見沿地震波激勵(lì)方向所產(chǎn)生的地震響應(yīng)最大，因此在結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析時(shí)，應(yīng)選擇多個(gè)方向輸入以便分析比較。

（4）對比各控制點(diǎn)的地震響應(yīng)可得：2號節(jié)點(diǎn)與3500號節(jié)點(diǎn)各方向的位移極值均相差不大，但加速度極值相差較大；387號節(jié)點(diǎn)為集中質(zhì)量較大點(diǎn)，其加速度極值明顯大于所選的另外兩個(gè)控制點(diǎn)。可見對稱結(jié)構(gòu)對稱位置點(diǎn)的位移基本一致，但加速度極值確相差較大，因此在抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選取多個(gè)控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析。另外在地震作用下集中質(zhì)量處的加速度較大，抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)單獨(dú)驗(yàn)算。