考虑屈曲约束支撑的±1100kV阀厅抗震性能化设计研究

(中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071)

0 引言

地震其具有突发性和破坏力大的特点，根据以往震害调研，在强震作用下变电站、换流站建构筑物均产生不同程度的损坏[1-2]。重要的电力设施属于生命线工程，根据GB 50260—2013《电力设施抗震规范》[3]中1.0.4和1.0.5条的规定、GB 50011—2010《建筑抗震设计规范(2016年版)》[4]、《生命线地震工程导论》[5]以及《生命线地震工程》[6]对生命线工程抗震性能化设计要求，对于电压等级110 kV～750 kV变电站以及电压等级为±660 kV及以下换流站内的建(构)筑物可划分为以下3个性能等级，如表1所示[7]。

表1 变电站及换流站内建(构)筑物抗震性能等级

±1 100 kV阀厅是±1 100 kV特高压换流站内最核心的建筑物。与低电压等级的阀厅相比，±1 100 kV阀厅的轴线尺寸更大、高度更高、换流阀重量更重，其在高烈度地震作用下，所产生的地震力和位移将远大于其他电压等级较低的阀厅。±1 100 kV阀厅地震中如遭遇损伤，将直接造成更为重大的经济损失，同时也将影响地震后的抗震救灾工作。因此建议±1 100 kV阀厅抗震性能目标定为性能1，推荐其抗震性能目标参数不低于表2要求。

表2 ±1 100 kV阀厅结构抗震性能目标

本文主要对±1 100 kV阀厅(以下简称“阀厅”)钢结构支撑构件分别采用普通支撑以及屈曲约束支撑时的抗震性能进行分析，同时对比达到抗震性能为性能1时两者的经济指标。

1 工程概况

本文以昌吉—古泉±1 100 kV输电工程古泉换流站高端阀厅为研究对象，该±1 100 kV换流站阀厅轴线尺寸为118.5 m×45.65 m，屋架下弦标高为34.45 m。±1 100 kV高端阀厅采用全钢结构方案，即钢柱+钢屋盖的结构型式，换流变钢筋混凝土防火墙与阀厅钢结构柱脱开布置，体型相对较规整，地震作用下不容易产生扭转效应，主体结构受力性能更好，更利于抗震。在该结构方案中，钢排架柱主要作为承重构件，结构水平刚度主要由支撑承担，如图1所示，其中X向为短边方向，Y向为长边方向。

图1 ±1 100 kV阀厅计算模型示意图

结合在建和已建的换流站站址所对应的抗震设防烈度，本文分析采用的抗震设防烈度为8度，所对应的设防地震加速度峰值为0.30g，相应的多遇地震和罕遇地震对应的地震加速度峰值分别为0.07g和0.51g，同时计算8度(0.20g)罕遇地震工况，分析普通钢支撑的屈曲情况，具体如表3所示。

表3 时程分析特征周期及地震加速度峰值

2 屈曲约束支撑及其工作原理

屈曲约束支撑也称为防屈曲支撑，一般由内核单元、外部约束单元及滑移机制单元组成。其断面型式有很多，包括一字型、十字型、工字型等等。屈曲约束支撑承受的力多由内核单元来承担，屈曲约束支撑在承担轴向力的过程中，其屈服耗能工作主要由内核单元中的屈服段部分承担，约束单元能够保证内核单元在承受轴压力时不发生屈曲失稳。因此防屈曲支撑比普通支撑具有更稳定的力学表现，其滞回曲线也更饱满，可以更好地吸收地震能量。

屈曲约束支撑的发明解决了普通钢支撑的失稳破坏的问题，使钢结构支撑在受拉和受压时候性能一致(如图2所示)，从而大大提高了钢材的利用率。同时钢结构支撑构件采用屈曲约束支撑时，支撑成为结构的耗能元件，起到结构“保险丝”的作用。屈曲约束支撑结构延性好，耗能能力强，且屈曲约束支撑施工方法与普通钢结构支撑相同，施工进度快，质量可靠[8]。

图2 屈曲约束支撑与普通支撑滞回曲线对比

3 结构计算模型

3.1 计算模型及工况

为对比普通钢支撑以及屈曲约束支撑构件的抗震性能及经济性指标，本文对阀厅钢结构支撑构件分别为普通钢支撑、加强普通钢支撑以及屈曲约束支撑时，采用大型有限元分析软件SAP200进行弹性及弹塑性时程分析，其中加强的普通钢支撑方案只计算8度(0.30g)罕遇地震工况。支撑布置遵循“均匀、分散、对称”的原则，均匀布置在结构四周。SAP2000模型如图1所示，具体计算工况见表4。

表4 阀厅计算分析工况

3.2 地震波的选择

按GB 50011—2010《建筑抗震设计规范(2016年版)》[4]要求，该结构的抗震计算应采用动力时程分析法，且动力时程分析应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于2组实际强震记录 (Chi-Chi，Taiwan-02；Chi-Chi，Taiwan-05)和1组人工波(A1)的加速度时程曲线，其中人工波A1如图3所示。

图3 分析所用的地震波［8度(0.30g)罕遇地震人工波］

4 结构时程分析结果对比

4.1 8度(0.30g)多遇地震

屈曲约束支撑8度(0.30g)多遇地震下尚未进入耗能阶段，采用等效支撑刚度来模拟屈曲约束支撑的弹性刚度，即屈曲约束支撑方案和普通支撑方案在8度(0.30g)多遇地震下的支撑截面刚度一致。8度(0.30g)多遇地震下，时程分析所得阀厅层间位移角包络值见表5。

表5 8度(0.30g)多遇地震层间位移角(包络值)1/rad

由表5可知，支撑构件为屈曲约束支撑方案和普通支撑方案时在8度(0.30g)多遇地震下X，Y向层间位移角均满足抗震性能目标1中有关层间位移角的要求。

4.2 罕遇地震

屈曲约束支撑8度(0.30g)罕遇地震下进入塑性耗能阶段，因此在SAP2000中，采用轴力铰模拟屈曲约束支撑。对于阀厅结构的排架柱、系杆以及普通支撑(含加强方案的相关构件)，在8度(0.20g)罕遇地震以及8度(0.30g)罕遇地震均定义塑性铰。

为了分析结构在不同地震波、不同地震输入方向作用下结构的弹塑性性能，对阀厅结构分别进行X，Y向地震输入作用下的弹塑性时程分析，得出阀厅主体钢结构在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铰分布的响应结果。普通钢支撑方案、加强普通钢支撑方案以及屈曲约束支撑方案的支撑构件与钢柱在Y方向罕遇地震下最终塑性铰分布状态如图4～图5，典型屈曲约束支撑构件内力—变形曲线见图5(d)。三种钢结构支撑方案在罕遇地震下层间位移角包络值见表6。

图4 Y方向构件塑性铰分布[8度(0.20g)罕遇地震]

图5 Y方向构件塑性铰分布及内力—变形曲线[8度(0.30g)罕遇地震]

表6 罕遇地震层间位移角(包络值)1/rad

从阀厅钢结构构件塑性铰分布(图4～图5)以及罕遇地震层间位移角的大小(表6)分析对比得出：

1)普通支撑方案在8度(0.20g)罕遇地震作用下，阀厅层间位移角包络值达到1/65，满足《建筑抗震设计规范》[4]所规定的弹塑性层间位移角1/50的限值，大多数支撑构件出现塑性铰，部分塑性铰处于C-D丧失承载力阶段。结构整体仍具有一定的承载能力，但是结构整体变形超出实现抗震性能目标1罕遇地震下本文所推荐得层间位移角(1/200)的要求。

2)普通支撑方案在8度(0.30g)罕遇地震作用下，阀厅层间位移角包络值达到1/46，超出《建筑抗震设计规范》[4]所规定的弹塑性层间位移角1/50的限值，支撑构件基本上均出现塑性铰，同时大多数塑性铰处于C-D丧失承载力阶段。结构整体已失去承载能力，破坏严重，结构整体变形远超实现抗震性能目标1罕遇地震下本文所推荐得层间位移角(1/200)的要求。

3)加强普通支撑方案在8度(0.30g)罕遇地震作用下阀厅层间位移角包络值为1/203。部分支撑构件屈服，产生塑性铰，但只有少量塑性铰处于C-D丧失承载力阶段，结构整体承载力及刚度有所下降，但仍具有较大的刚度和承载能力，层间位移角可以满足《建筑抗震设计规范》[4]中“大震不倒”所规定的弹塑性层间位移角1/50的限值要求，也可实现抗震性能目标1中对罕遇地震下本文推荐层间位移角(1/200)的要求。

4)屈曲约束支撑方案在8度(0.30g)罕遇地震作用下阀厅层间位移角包络值为1/208。阀厅结构构件除屈曲约束支撑外，基本处于弹性阶段。同时由典型的屈曲约束支撑构件内力—变形曲线可看出，其滞回曲线饱满，比普通支撑具有更稳定的力学表现，可以更好地吸收地震能量，在地震力的作用下屈曲约束支撑屈服耗能可以更好地起到保护主体结构的作用。此时阀厅层间位移角不仅可以满足《建筑抗震设计规范》[4]中“大震不倒”要求，而且满足实现抗震性能目标1中的相关要求。

5 不同支撑方案经济性对比

本文所采用的加强普通支撑方案以及屈曲约束支撑方案均可达到抗震性能要求1层间位移角要求。由表7可看出，此时，屈曲约束支撑方案可节省造价374.05万元，相对节省主体钢结构总造价的27.8%。同时防屈曲支撑为位移型减震产品，无附加构件，施工安装方便，安装方案与普通钢支撑方案一致，因此高烈度地震地区阀厅以及类似阀厅的结构进行抗震性能化设计时，采用屈曲约束支撑方案技术经济指标均较为优良。

表7 不同支撑方案经济对比

6 结论

本文首先依据《电力设施抗震规范》[3]中相关条文对电力设施抗震性能以及《建筑抗震设计规范》[4]抗震性能化设计的规定，给出±1 100 kV阀厅抗震性能目标；其次对阀厅钢结构支撑构件分别采用普通支撑以及屈曲约束支撑时的抗震性能进行分析，同时对比达到抗震性能目标时的两者经济指标，得出的主要结论如下：

1)±1 100 kV阀厅作为生命线工程中的核心建筑物，建议其抗震性能目标定为性能1。

2)阀厅结构在8度(0.30g)多遇地震作用下，屈曲约束支撑提供附加刚度，屈曲约束支撑方案和普通支撑方案结构层间位移角为包络值为1/664，满足性能目标1要求。

3)采用普通钢支撑方案，在8度(0.20g)罕遇地震作用下，阀厅结构层间位移角包络值满足《建筑抗震设计规范》规定的弹塑性层间位移限值；在8度(0.30g)罕遇地震作用下，阀厅结构层间位移角包络值超出弹塑性层间位移限值；两种情况下均无法实现抗震性能目标1。

4)采用加强普通钢支撑方案以及屈曲约束支撑方案，在8度(0.30g)罕遇地震作用下，阀厅结构层间位移角包络值分别为1/203以及1/208，均可以满足《建筑抗震设计规范》规定的弹塑性层间位移的限值，同时可以实现抗震性能目标1。

5)8度(0.30g)罕遇地震作用下，阀厅结构达到抗震性能目标1时，在同等级位移角的情况下，屈曲约束支撑方案总体可节省造价27.8%；同时防屈曲支撑为位移型减震产品，无附加构件，施工安装方便，安装方案与普通钢支撑方案一致，便于现场施工。

6)屈曲约束支撑延性好、耗能能力强，阀厅支撑构件采用屈曲约束支撑时，支撑成为结构的耗能元件，起到结构“保险丝”的作用，使得阀厅整体结构具有良好的抗震性能，更有利于实现性能为1的抗震性能化设计目标，对于阀厅这类生命线工程中的核心建筑物，建议在抗震设防烈度为8度及以上地区采用屈曲约束支撑减震方案。