500kV變電站架空混凝土平臺地震響應分析

魏曉光

（綿陽職業技術學院 建筑工程系， 綿陽 621000）

0 引言

變電站作為電力系統中重要組成部分，一旦遭遇地震破壞，不僅會給電力系統本身帶來巨大損失，而且會對區域經濟乃至國民經濟造成巨大的沖擊與危害[1]。現有某擬建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用于變電站中，因此對其抗震安全性進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算模型，對架空混凝土平臺進行抗震性能的計算分析，包括模態分析和時程分析[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，分別計算結構在3條地震波一致激勵的地震響應，驗算結構抗震安全性能。

1 工程概況及動力計算模型

1.1 工程概況

平臺為鋼筋混凝土框架結構，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 動力計算模型

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殼單元進行模擬。

考慮到動力分析的可行性，平臺上面的構架予以簡化處理，在結構動力分析時選用質量單元 MASS21模擬構架的作用[4]。邊界條件為各柱腳均為固結。

2 動力特性分析

一般結構的前幾階振型起到主要作用，因此在計算時也主要提取前幾階的振型進行分析,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 。通過模態分析驗證了架空混凝土平臺有限元模型的合理性。

圖4 結構前兩階振型

表1 結構前6階自振頻率及周期

3 地震響應分析

3.1 地震波選取

依據文獻[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，進行地震響應分析。在罕遇地震、7度設防烈度條件下（加速度峰值2.2m/s2），應用地震波的調幅公式：其中Amax為地震波調整后的加速度峰值；amax為地震波調整前的加速度峰值；A(t)為調整后的地震記錄；a(t)為調整前的地震記錄[6]。對天津波、ZGC波、上海人工波的地震記錄進行強度修正，并對時域進行快速傅里葉變換(FFT變換)。

由時域和頻域分析結果可以看出：天津波橫向和縱向的強震持時比較短，頻率較低并且相對集中的分布在低頻區域內，豎向高頻區蘊含能量豐富且持時較長；ZGC波具有兩到三個加速度峰值并且強震持時很短，高頻區蘊含能量較為豐富；上海人工波的強震持時長，低頻區蘊含能量豐富，地震波能量呈帶狀分布。

3.2 地震響應計算

分別計算混凝土平臺在天津波、ZGC波，上海人工波一致激勵下的地震響應，選取混凝土平臺結構最高點2號節點、3500號節點以及受荷最大處的節點387節點的位移時程和加速度時程作為研究對象，如圖5所示。地震波的激勵方向選取結構短邊方向（即Z向）。

圖5 研究節點示意圖

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

圖6 2號節點X向位移時程曲線和加速度時程曲線

通過分可以得出天津波、ZGC波，上海人工波一致激勵下架空平臺控制節點處的位移、加速度地震響應應極值。控制點中ZGC波作用下387號節點Z向位移最大，為u=3.7303×10-3m。

4 結論

（1）文獻[5]規定結構在罕遇地震作用下薄弱部位彈塑性變形按下式計算：鋼筋混凝土框架結構θp=1/50；

《高層建筑混凝土結構技術規程》[7]規定框架結構在多遇地震標準值作用下的層間最大水平位移與層高之比Δu/h≤1/550。

本文所有控制點中ZGC波作用下387號節點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。經計算得：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規范要求。

（2）對比三條地震波的激勵情況可得：ZGC波激勵下架空混凝土平臺各控制變量的地震反應極值最大，上海人工波激勵下的最小；ZGC波激勵下2號節點Z向地震反應極值比上海人工波激勵下的地震反應極值大近2倍，比天津波激勵下的地震反應極值大近1倍；387、3500號節點的情況類似。可見地震波的選取對結構的地震響應影響很大，因此在地震反應分析時，應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下控制節點各方向的地震響應對比可得：沿地震波輸入方向（Z向）的地震反應極值較大，Y向即豎向地震反應極值最小。可見沿地震波激勵方向所產生的地震響應最大，因此在結構地震反應分析時，應選擇多個方向輸入以便分析比較。

（4）對比各控制點的地震響應可得：2號節點與3500號節點各方向的位移極值均相差不大，但加速度極值相差較大；387號節點為集中質量較大點，其加速度極值明顯大于所選的另外兩個控制點。可見對稱結構對稱位置點的位移基本一致，但加速度極值確相差較大，因此在抗震設計時應選取多個控制節點進行分析。另外在地震作用下集中質量處的加速度較大，抗震設計時應單獨驗算。