串补平台抗震性能有限元分析

高湛，吴必华，李华，王健

(1.中南电力设计院，武汉市 430071;2.武汉理工大学，武汉市 430070)

0 引言

串补平台由基础及短柱、垂直支持绝缘子、斜拉耐张绝缘子、钢平台组成，串补设备安装在钢结构平台上。串补平台结构受力体系为:竖向荷载由支持绝缘子传给基础短柱，水平荷载由垂直支持绝缘子和斜拉耐张绝缘子组成的支撑体系承受。串补平台是一种头重脚轻的结构，其结构往往不完全对称，特别是平台上荷载分布不均匀，地震作用对结构反应较大;同时支撑串补平台的垂直绝缘子是一种脆性材料，与钢结构的抗震性能差别较大，因此，串补平台的空间计算及抗震分析显得尤为重要。

1 串补平台结构特性及荷载

1.1 结构特性

根据串补平台工艺要求，其结构设计应满足下列要求:平台结构的自振频率与设备的固有频率应相差2 Hz以上，以避免产生共振;垂直支撑绝缘子主要承受压力，不承受弯矩;斜拉耐张绝缘子一般只考虑受拉，且应对其施加一定的预拉力;在平台设计时，应考虑在事故情况下任意一支持绝缘子失效时平台仍能保证强度和稳定［1］。某串补站串补平台外貌如图1所示。

图1 串补平台Fig.1 Series compensation platform

1.2 安全系数

由于绝缘子属脆性材料，没有塑性变形阶段，当应力超过一定值时发生脆性断裂。依据DL/T 5453—2012《串补站设计技术规程》［2］和 GB 50017—2003《钢结构设计规范》［3］查得各材料安全系数，如表1所示。

表1 钢材和绝缘子安全系数Tab.1 Safety factors of steel and insulator

1.3 荷载及荷载组合

串补平台结构所受荷载主要包括:静态恒载、风荷载、覆冰荷载、地震作用。

(1)静态恒载为串补平台结构及平台上电气设备自重力;

(2)风荷载按GB 50009—2001《建筑结构荷载规范》相关要求计算;

(3)覆冰荷载根据国内外相关资料可知，假定每覆冰l mm等效于平台本身自重力增加1%;

(4)地震作用计算应采用振型分解反应谱法或动力时程分析法，应进行竖向地震作用分析。串补平台是由钢材和绝缘子组成的混合结构，所以，构阻尼比取0.03。

在串补平台结构分析中，主要考虑以下荷载工况:静态恒载、静态恒载+最大风荷载、静态恒载+平均风荷载(50%风荷载)+覆冰荷载、静态恒载+地震作用+最大风载荷、静态恒载+地震作用+平均风荷载+覆冰荷载、串补平台结构任意一支柱绝缘子失效状态［4］。

2 有限元单元选择和模型建立

串补平台上电气设备宜按实际高度和质量在空间模型中模拟。目前串补平台国内外通常采用ANSYS进行有限元建模和分析。

由于在串补平台结构中斜拉耐张拉绝缘子具有单向受力特性，即仅能承受拉力，不能受压，因此在实际工程中施加预拉力。本文在建模工程中采用Link10单元模拟斜拉耐张拉绝缘子，该单元是非线性单向受力单元，在具体建模过程中施加预拉力(预拉力与实际受拉力相同);Beam188单元模拟平台型钢梁和各种绝缘子以及电容器结构;Solid85单元模拟火花间隙和避雷器;Shell63模拟金属氧化物避雷器上方连接板;Link8单元模拟垂直支柱绝缘子［5-8］。

垂直支柱绝缘子底部和顶部分别与基础和平台钢梁按铰接考虑，斜拉耐张绝缘子支撑上、下两端分别与基础和平台钢梁按铰接考虑。垂直支持和斜拉耐张绝缘子支座外形如图2所示，某串补站串补平台有限元模型如图3所示。

3 静力计算

静力计算主要是校核平台结构在静态恒载、覆冰荷载、风载荷作用下平台结构的位移和应力，以验证平台结构在上述载荷条件下是否满足安全性要求。

4 地震作用计算

串补平台抗震设计目前应用比较广泛的是反应谱分析及时程分析。由于地震反应谱方法仅适用于结构在弹性范围内的分析计算，而串补平台结构中的多个构件有明显的材料非线性特征。特别是耐张拉绝缘子为单向受力的悬索构件，虽然施加了一定的张拉预应力，但在地震作用下，仍会出现内力为0的状态，因此反应谱计算结果不一定能反应实际受力状况。建议在抗震设计计算中，采用动力时程分析方法，以验证结构的安全性［9］。

4.1 模态分析

在进行时程分析前，必须对串补平台结构进行模态分析，以了解串补平台结构的固有频率(或周期)和振型，它们是承受动态结构设计的重要参数。由于地震中低频对建筑物的影响最大，所以一般的模态频率只需要计算到13 Hz左右［10］。

4.2 时程分析

串补平台结构应分别在x+z向以及y+z向施加地震波来考虑地震对平台结构及其电气设备的影响。且平台结构进行动力时程分析时，要同时考虑平台结构重力荷载的作用。

串补平台可采用由5个正弦共振调幅5波组成的调幅波串进行时程分析，如图4所示，它由5个共振拍波组成，每个拍5周，间隔2 s，拍波的作用时间是s，f为结构模态的第1 阶固有频率［10］。

图4 正弦共振调幅波Fig.4 Sinusoidal resonance amplitude-modulated wave

各时程的水平加速度为

式中:a(t)为水平方向地面加速度，m/s2;ω为平台自振圆频率，Hz，ω=2πf;f为结构模态的第1阶固有频率，Hz;as为时程分析地面运动最大水平加速度，m/s2;ao为设计基本地震加速度，m/s2。

竖向地震作用的时程分析时，地面运动最大加速度av可取最大水平加速度的as的65%。串补平台水平地震动力反应放大系数取2.0，竖向地震动力反应放大系数取1.0。

5 实例分析

本文根据某串补平台结构图建立了其有限元模型，对其进行了静力分析、模态分析以及时程分析。该串补平台的平面尺寸为17.645 m×7.85 m，斜拉耐张拉绝缘子施加15 kN预应力。

5.1 静力分析

根据串补平台结构模型静力作用组合的结果，可以得到在静态恒载+平均风荷载(50%风荷载)+覆冰荷载时产生的结构内力最大，因此下面主要介绍该组合的分析结果。通过建立的模型计算可知，在静力荷载工况下串补平台结构的最大等效应力为163 MPa，层间绝缘子的最大等效应力为29 MPa，支柱绝缘子的等效压力为210 kN，斜拉耐张拉绝缘子的等效拉力为62 kN。

表2列出了型钢和层间绝缘子的最大等效应力和安全系数，表3列出了支柱绝缘子和耐张拉绝缘子的最大轴力和对应的安全系数。

由表2和表3中可知，各类构件计算的安全系数均大于许用安全系数。因此，在静力工况下，串补平台结构安全。

5.2 动力时程分析

串补平台结构分别在x+z向以及y+z向施加地震波来计算结构的最大等效应力。由计算可知，结构在x+z向和y+z向地震波作用下的最大等效为191 MPa，层间绝缘子的最大等效应力为41 MPa，支柱绝缘子最大等效压力为297 kN，斜拉耐张拉绝缘子的最大拉力为102 kN。

表4列出了型钢和层间绝缘子的最大等效应力和安全系数，表5列出了支柱绝缘子和耐张拉绝缘子的最大轴力和对应的安全系数。

由表4和表5可知，各类构件计算的安全系数均大于许用安全系数。因此，在动力工况下，串补平台结构安全。

5.3 任意一支柱绝缘子失效

由于绝缘子失效的工况时间或替换绝缘子之间的时间比较短，故可只考虑在静力作用下的失效工况，并与动力工况下的安全系数进行比较，这样既经济又满足结构安全。由计算结果可知，在静力荷载工况下串补平台结构的最大等效应力为200 MPa，层间绝缘子的最大等效应力为46 MPa，支柱绝缘子的等效压力为279 kN，斜拉耐张拉绝缘子的等效拉力为90 kN。表6为静力作用等效应力校核，表7为静力作用内力校核。

由表6和表7可知，各类构件计算的安全系数均大于许用安全系数。因此，在任意一支柱绝缘子失效工况下，串补平台结构安全。

6 结语

串补平台在抗震设计时，斜拉耐张拉绝缘子为单向受力的悬索构件，虽然施加了一定的张拉预应力，仍会出现内力为0的状态，具有明显的非线性特征。由于反应谱仅适用于结构在弹性范围内的分析计算，因此建议在抗震设计计算中，采用动力时程分析方法。本文对某工程串补平台结构进行了静力、地震作用时程分析和任意一绝缘子失效工况的设计计算，校核了串补平台结构各构件的安全系数，为串补平台结构设计提供了理论依据。

［1］Q/DG 1-A008—2008串补站设计技术导则［S］.北京:中国电力工程顾问集团公司，2008.

［2］DL/T 5453—2012串补站设计技术规程［S］.北京:中国计划出版社，2012.

［3］GB 50017—2003钢结构设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2003.

［4］GB 50009—2012建筑结构荷载规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2012.

［5］李皓月，周天朋，刘相新.ANSYS工程计算应用教程［M］.北京:中国铁道出版社，2003.

［6］邢静忠，李军.ANSYS的建模方法和网格划分［J］.中国水运:学术版，2006(9):116-118.

［7］谢元丕，冯刚.ANSYS三维实体单元与板壳单元的组合建模研究［J］.机械设计，2009(4):5-7.

［8］王磊，李珊，周陶勇.基于ANSYS的几种建模方法的探讨［J］.现代机械，2006(3):51-52.

［9］GB 50011—2010建筑抗震设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

［10］GB 50260—1996电力设施抗震设计规范［S］.