考慮屈曲約束支撐的±1100kV閥廳抗震性能化設計研究

(中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071)

0 引言

地震其具有突發性和破壞力大的特點，根據以往震害調研，在強震作用下變電站、換流站建構筑物均產生不同程度的損壞[1-2]。重要的電力設施屬于生命線工程，根據GB 50260—2013《電力設施抗震規范》[3]中1.0.4和1.0.5條的規定、GB 50011—2010《建筑抗震設計規范(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及以下換流站內的建(構)筑物可劃分為以下3個性能等級，如表1所示[7]。

表1 變電站及換流站內建(構)筑物抗震性能等級

±1 100 kV閥廳是±1 100 kV特高壓換流站內最核心的建筑物。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，所產生的地震力和位移將遠大于其他電壓等級較低的閥廳。±1 100 kV閥廳地震中如遭遇損傷，將直接造成更為重大的經濟損失，同時也將影響地震后的抗震救災工作。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不低于表2要求。

表2 ±1 100 kV閥廳結構抗震性能目標

本文主要對±1 100 kV閥廳(以下簡稱“閥廳”)鋼結構支撐構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。±1 100 kV高端閥廳采用全鋼結構方案，即鋼柱+鋼屋蓋的結構型式，換流變鋼筋混凝土防火墻與閥廳鋼結構柱脫開布置，體型相對較規整，地震作用下不容易產生扭轉效應，主體結構受力性能更好，更利于抗震。在該結構方案中，鋼排架柱主要作為承重構件，結構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

結合在建和已建的換流站站址所對應的抗震設防烈度，本文分析采用的抗震設防烈度為8度，所對應的設防地震加速度峰值為0.30g，相應的多遇地震和罕遇地震對應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核單元中的屈服段部分承擔，約束單元能夠保證內核單元在承受軸壓力時不發生屈曲失穩。因此防屈曲支撐比普通支撐具有更穩定的力學表現，其滯回曲線也更飽滿，可以更好地吸收地震能量。

屈曲約束支撐的發明解決了普通鋼支撐的失穩破壞的問題，使鋼結構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。同時鋼結構支撐構件采用屈曲約束支撐時，支撐成為結構的耗能元件，起到結構“保險絲”的作用。屈曲約束支撐結構延性好，耗能能力強，且屈曲約束支撐施工方法與普通鋼結構支撐相同，施工進度快，質量可靠[8]。

圖2 屈曲約束支撐與普通支撐滯回曲線對比

3 結構計算模型

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件的抗震性能及經濟性指標，本文對閥廳鋼結構支撐構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，均勻布置在結構四周。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《建筑抗震設計規范(2016年版)》[4]要求，該結構的抗震計算應采用動力時程分析法，且動力時程分析應按建筑場地類別和設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 結構時程分析結果對比

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值見表5。

表5 8度(0.30g)多遇地震層間位移角(包絡值)1/rad

由表5可知，支撐構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向層間位移角均滿足抗震性能目標1中有關層間位移角的要求。

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。對于閥廳結構的排架柱、系桿以及普通支撐(含加強方案的相關構件)，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。

為了分析結構在不同地震波、不同地震輸入方向作用下結構的彈塑性性能，對閥廳結構分別進行X，Y向地震輸入作用下的彈塑性時程分析，得出閥廳主體鋼結構在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結果。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件與鋼柱在Y方向罕遇地震下最終塑性鉸分布狀態如圖4～圖5，典型屈曲約束支撐構件內力—變形曲線見圖5(d)。三種鋼結構支撐方案在罕遇地震下層間位移角包絡值見表6。

圖4 Y方向構件塑性鉸分布[8度(0.20g)罕遇地震]

圖5 Y方向構件塑性鉸分布及內力—變形曲線[8度(0.30g)罕遇地震]

表6 罕遇地震層間位移角(包絡值)1/rad

從閥廳鋼結構構件塑性鉸分布(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值達到1/65，滿足《建筑抗震設計規范》[4]所規定的彈塑性層間位移角1/50的限值，大多數支撐構件出現塑性鉸，部分塑性鉸處于C-D喪失承載力階段。結構整體仍具有一定的承載能力，但是結構整體變形超出實現抗震性能目標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值達到1/46，超出《建筑抗震設計規范》[4]所規定的彈塑性層間位移角1/50的限值，支撐構件基本上均出現塑性鉸，同時大多數塑性鉸處于C-D喪失承載力階段。結構整體已失去承載能力，破壞嚴重，結構整體變形遠超實現抗震性能目標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值為1/203。部分支撐構件屈服，產生塑性鉸，但只有少量塑性鉸處于C-D喪失承載力階段，結構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《建筑抗震設計規范》[4]中“大震不倒”所規定的彈塑性層間位移角1/50的限值要求，也可實現抗震性能目標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值為1/208。閥廳結構構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件內力—變形曲線可看出，其滯回曲線飽滿，比普通支撐具有更穩定的力學表現，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構的作用。此時閥廳層間位移角不僅可以滿足《建筑抗震設計規范》[4]中“大震不倒”要求，而且滿足實現抗震性能目標1中的相關要求。

5 不同支撐方案經濟性對比

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省造價374.05萬元，相對節省主體鋼結構總造價的27.8%。同時防屈曲支撐為位移型減震產品，無附加構件，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閥廳以及類似閥廳的結構進行抗震性能化設計時，采用屈曲約束支撐方案技術經濟指標均較為優良。

表7 不同支撐方案經濟對比

6 結論

本文首先依據《電力設施抗震規范》[3]中相關條文對電力設施抗震性能以及《建筑抗震設計規范》[4]抗震性能化設計的規定，給出±1 100 kV閥廳抗震性能目標；其次對閥廳鋼結構支撐構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濟指標，得出的主要結論如下：

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)閥廳結構在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構層間位移角為包絡值為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，閥廳結構層間位移角包絡值滿足《建筑抗震設計規范》規定的彈塑性層間位移限值；在8度(0.30g)罕遇地震作用下，閥廳結構層間位移角包絡值超出彈塑性層間位移限值；兩種情況下均無法實現抗震性能目標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，閥廳結構層間位移角包絡值分別為1/203以及1/208，均可以滿足《建筑抗震設計規范》規定的彈塑性層間位移的限值，同時可以實現抗震性能目標1。

5)8度(0.30g)罕遇地震作用下，閥廳結構達到抗震性能目標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省造價27.8%；同時防屈曲支撐為位移型減震產品，無附加構件，施工安裝方便，安裝方案與普通鋼支撐方案一致，便于現場施工。

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