某全户内220kV变电站建筑隔震设计*

雷翔胜,张季超,杨 勇,王炽欣,王 浩,许 勇,王亚辉

(1.广东电网有限责任公司电网规划研究中心,广东 广州 510080; 2.广州大学广东省模块化建筑产业工程技术研究中心,广东 广州 510006)

0 引言

全户内变电站是将电器设备全部布置在房屋内,与户外敞开式变电站相比,具有占地面积小、设备性能稳定可靠等优点。户内变电站房屋结构层高较大、楼板开洞较多、电器设备重力较大,与传统房屋结构相比,结构设计难度较大。在地震发生时,房屋结构的抗震性能影响变电站的安全使用,变电站房屋采用隔震技术能有效降低水平地震效应的影响。

部分学者对全户内变电站进行了研究,康然等[1]分析了高烈度区户内变电站的抗震设计方法;张季超等[2]介绍了隔震减震技术在模块化建筑中的应用;华坤等[3]分析了覆土空间下户内变电站顶层隔震技术;李天天等[4]对全户内变电站生产综合楼进行隔震设计研究;谢强等[5]对全户内变电站楼面电气设备抗震设计方法进行了研究;魏珍中等[6]分析了抗震性能设计在某全户内变电站生产综合楼结构中的应用;程永锋等[7]介绍了变电站电气设备抗震研究现状;张卫东等[8]阐述了特高压变电站大型变压器的隔震装置安装技术;马国梁等[9]对大型变压器的基础隔震摩擦摆系统理论进行了研究;张鸣等[10]对特高压变电站建筑物基于性能的抗震设计进行了研究;苏玮等[11]对甘肃陇南电力生产建筑减震隔震进行了分析;刘义娟等[12]对变电站建筑结构抗震设计中的问题进行了分析;刘占威等[13]对变电站主变压器隔震和消能减震技术进行了研究;陈传新等[14]对变电站主控通信楼隔震技术进行了研究。

本文结合潮州某220 kV变电站配电装置楼项目,采用PKPM-GZ软件进行隔震结构的一体化建模、设计与分析,介绍了变电站配电装置楼采用基础隔震的设计方法,并分析了配电楼采用基础隔震后与非隔震结构的地震响应。隔震设计方法与分析结果能为隔震技术在全户内变电站建筑中的应用提供参考。

1 工程概况

本文选取拟建的潮州某全户内220 kV变电站配电装置楼结构为研究对象,地下1层,地上5层,框架结构,建筑高度32.7 m,东西方向长约80.6 m,南北方向长约24.5 m,总建筑面积约8 200 m2。结构地震基本烈度为8度,基本地震加速度为0.2g,设计地震分组为第2组,场地类别为Ⅱ类建筑场地,基本风压值为0.77 kN/m2,抗震设防类别为重点设防类,抗震等级为一级,项目效果如图1所示。

图1 变电站配电装置楼效果Fig.1 Effect of substation configuration building

2 隔震设计

2.1 隔震模型建立

本项目采用PKPM-GZ软件进行隔震结构的一体化建模、设计与分析,通过建立变电站配电装置楼上部结构层、基础隔震支座层和下支墩层,组装成隔震结构的整体三维有限元模型,地震作用采用复振型分解法进行计算。变电站配电装置楼隔震模型如图2所示。

图2 变电站配电装置楼隔震模型Fig.2 Seismic isolation model of substation configuration building

2.2 隔震支座布置与选型

本项目采用基础隔震,配电楼四周柱子上布置铅芯橡胶隔震支座,内部柱子上布置天然橡胶隔震支座,在隔震支座选型时,先根据配电装置楼上部结构荷载计算出柱底重力荷载代表值,按竖向压应力初步估计隔震支座尺寸,然后根据试算,选出满足规范要求的隔震支座尺寸及布置方案。

通过计算,本项目共使用了74个隔震支座,其中铅芯橡胶隔震支座35个,天然橡胶隔震支座39个,各类型隔震支座数量及力学性能参数如表1,2所示。

表1 铅芯橡胶隔震支座力学性能参数(型号G=6.0)Table 1 Mechanical performance parameters of lead rubber isolation bearings (model G=6.0)

表2 天然橡胶隔震支座力学性能参数(型号G=6.0)Table 2 Mechanical performance parameters of natural rubber isolation bearings (model G=6.0)

2.3 隔震支座验算

2.3.1隔震支座压应力验算

通过计算得出,隔震支座在重力荷载代表值作用下,最大竖向压应力为11.85 MPa,满足规范要求的乙类建筑隔震支座最大竖向压应力不超过12 MPa,支座具有足够的安全储备。

2.3.2隔震层偏心率验算

本项目在设防烈度作用下隔震层偏心率的计算结果如表3所示:x向偏心率为0.16%,y向偏心率为0.01%,满足规范要求。

表3 配电楼隔震层偏心率Table 3 Eccentricity of isolation layer of distribution building

2.3.3隔震层抗风承载力验算

通过计算,x向风荷载作用下,隔震层水平剪力标准值为1 744.8 kN,y向风荷载作用下,隔震层水平剪力标准值为4 835.3 kN,隔震结构总重力的10%为20 567 kN,x向与y向隔震层水平剪力标准值均小于隔震结构总重力的10%,满足规范要求。

3 隔震结构与非隔震结构对比分析

3.1 不同振型下周期对比分析

采用隔震设计与非隔震结构在中震不同振型下的周期对比如图3所示,从图中可以看出:不同振型下,采用隔震设计的变电站配电装置楼周期均增大,周期延长系数为隔震后结构周期与隔震前结构周期的比值,振型1～6的周期延长系数分别为:1.627,1.747,1.718,1.371,1.471,1.432。由此可以得出:采用隔震措施后,配电装置楼的周期延长明显,能够有效降低水平地震引起的破坏。

图3 采用隔震设计与非隔震结构周期对比Fig.3 Comparison of period between isolated and non isolated structures

3.2 不同振型下阻尼比对比分析

变电站配电装置楼采用隔震设计与非隔震结构在中震不同振型下的阻尼比对比如图4所示,从图中可以看出:隔震后配电装置楼阻尼比明显增大,以第一振型为例,隔震前阻尼比约为5%,隔震后阻尼比约为16.29%,增大了约3.26倍。

图4 采用隔震设计与非隔震结构阻尼比对比Fig.4 Comparison of damping ratio between isolated and non isolated structures

3.3 楼层剪力对比分析

图5为变电站配电装置楼采用隔震设计与非隔震结构在x向与y向中震作用下楼层剪力对比,从图中可以看出:采用隔震设计的楼层剪力明显减小。以底部楼层剪力为例,x向地震作用下,非隔震结构底部楼层剪力为9 070.1 kN,隔震结构底部楼层剪力为5 970.1 kN,减小了34%,底部剪力比为0.658,y向地震作用下,非隔震结构底部楼层剪力为10 036.2 kN,隔震结构底部楼层剪力为5 937.7 kN,减小了41%,底部剪力比为0.598。由此可以得出水平减震系数为0.658,根据规范隔震层上部结构的抗震措施可降低半度按7(0.15g)进行设计。

图5 采用隔震设计与非隔震结构楼层剪力对比Fig.5 Comparison of floor shear force between isolated and non isolated structures

3.4 采用隔震设计与非隔震结构最大层位移对比分析

图6为变电站配电装置楼采用隔震设计与非隔震结构在x向与y向中震地震作用下最大层位移对比。从图中可以看出:1层为隔震层,x向与y向地震作用下,最大层位移均为隔震结构大于非隔震结构,隔震层以上楼层的最大层位移均为隔震结构小于非隔震结构。以2层为例,x向地震作用下非隔震结构的最大层位移为1.29 mm,隔震结构的最大层位移为0.23,减小了82%。y向地震作用下非隔震结构的最大层位移为1.25 mm,隔震结构的最大层位移为0.57,减小了54%。

图6 采用隔震设计与非隔震结构最大层位移对比Fig.6 Comparison of maximum floor displacement between isolated and non isolated structures

3.5 采用隔震设计与非隔震结构层位移角对比分析

图7为变电站配电装置楼采用隔震设计与非隔震结构在x向与y向中震地震作用下,隔震层以上楼层层位移角对比。从图中可以看出:x向与y向地震作用下,隔震层以上楼层的最大层位移角均为非隔震结构大于隔震结构。以2层为例,x向地震作用下非隔震结构的层位移角为1/777,隔震结构的层位移角为1/1 346,减小了42%。y向地震作用下非隔震结构的层位移角为1/800,隔震结构的层位移角为1/1 435,减小了45%。

图7 采用隔震设计与非隔震结构层位移角对比Fig.7 Comparison of displacement angle between isolated and non isolated structures

3.6 采用隔震设计与非隔震结构剪重比对比分析

图8为变电站配电装置楼采用隔震设计与非隔震结构在x向与y向中震地震作用下的剪重比对比。从图中可以看出:x向与y向地震作用下,楼层剪重比均为非隔震结构大于隔震结构。以2层为例,x向地震作用下非隔震结构的剪重比为5.28,隔震结构的剪重比为3.47,减小了34%。y向地震作用下非隔震结构的剪重比为5.84,隔震结构的剪重比为3.45,减小了41%。

图8 采用隔震设计与非隔震结构剪重比对比Fig.8 Comparison of shear weight ratio between isolated and non isolated structures

4 结语

本文结合潮州某220 kV变电站配电装置楼项目,介绍了变电站配电装置楼采用基础隔震的设计方法,并分析了采用基础隔震后与非隔震结构的地震响应,主要结论如下。

1)采用PKPM-GZ软件可对全户内变电站配电装置楼进行隔震设计与分析。隔震结构需要进行隔震支座压应力验算,隔震层偏心率验算与隔震层抗风承载力验算。

2)配电装置楼采用基础隔震后,不同振型下,隔震结构的周期和阻尼比均增大,配电装置楼周期的延长能够有效降低水平地震引起的结构破坏。

3)配电装置楼采用基础隔震后,楼层剪力明显减小,x向地震作用下,底部楼层剪力减小了34%,y向地震作用下,底部楼层剪力减小了41%。

4)配电装置楼采用基础隔震后,隔震层以上楼层最大位移和位移角均减小。隔震结构剪重比小于非隔震结构。