0 引言

　　 地震灾害具有突发性及强度大等特点,它是电力系统可能遭受重大破坏的最主要因素之一,地震对电力系统造成的直接及间接的经济损失和社会损失是非常巨大的。因此消能减震技术在直流电网工程中发挥的抗震作用显得尤为重要。

　　 根据《建筑工程抗震性态设计通则》(CECS 160—2004) ^[1]和《建(构)筑物地震破坏等级划分》(GB/T 24335—2009) ^[2]以及现存变电站抗震性能研究资料,《变电站主厂房抗震设计及减震控制研究》 ^[3]一书中将电力系统厂房及电气设备的破坏状态划分为五个等级:

　　 (1)基本完好:承重构件完好; 个别非承重构件轻微损坏; 一般不需修理即可继续使用。电气设备可以继续正常供电。

　　 (2)轻微损坏:个别承重构件出现轻微裂缝,个别非承重构件明显破坏; 不需修理或需稍加修理,仍可继续使用。电气设备的事故能及时排除,继续正常供电。

　　 (3)中等破坏:多数承重构件出现轻微裂缝,部分承重构件出现明显裂缝; 个别非承重构件严重破坏。需一般修理,采取安全措施后可适当使用。电气设备有一般性故障,需稍经修复才可继续供电。

　　 (4)严重破坏:多数承重构件严重破坏或部分倒塌,应采取排险措施; 需大修、局部拆除。电气设备有严重性故障,经较长时间修复才能继续供电。

　　 (5)倒塌:多数承重构件倒塌,需拆除。电气设备处于瘫痪状态,无法继续工作或需要更换电气设备才能恢复供电。

　　 根据电气设备易受损伤造成功能失效的特点以及电力系统厂房的特殊功能性,根据上述破坏等级、《电力设施抗震规范》(GB 50260—2013) ^[4]和《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010》(2016年版) ^[5](简称抗规)性能化设计要求,提出电力系统厂房结构的性能等级划分,见表1。

　　 电力系统厂房结构性能等级 表1

性能要求	多遇地震	设防地震	罕遇地震
性能1	完好,变形远小于弹性位移限值	完好,变形小于弹性位移限值	基本完好,变形略大于弹性位移限值
性能2	完好,变形远小于弹性位移限值	基本完好,变形略大于弹性位移限值	有轻微塑性变形,变形小于两倍弹性位移限值
性能3	完好,变形远小于弹性位移限值	轻微损坏,变形小于两倍弹性位移限值	有明显塑性变形,变形约4倍弹性位移限值

 

　　  

　　 由于张北可再生能源柔性直流阀厅为大型重要电力系统厂房,其结构抗震设计需要满足电气设备的使用功能 ^[6],地震中如遭遇损伤对震后重建影响较大 ^[7],因此将其性能等级定为性能1,其基本性能目标要求见表2。

　　 电气设备和厂房结构性能目标 表2

地震等级	性能目标		层间位移角限值
	电气设备	厂房	混凝土框架	钢框架
多遇地震	完好	完好	1/2 200	1/1 000
设防地震	完好	完好	1/1 100	1/500
罕遇地震	基本完好	基本完好	1/550	1/250

 

　　  

1 工程概况

　　 张北可再生能源柔性直流阀厅为大跨度结构,电力设备采用相应隔震技术与地板连接,这方面不在本文中讨论。电力设备的持续稳定运行同时与厂房结构的抗震性能息息相关。厂房为钢柱(组合H型钢柱)支撑结构+空间网架结构体系,钢排架柱作为厂房主承重结构,横向通过空间网架连接形成钢排架结构,钢排架柱纵向通过柱间支撑形成整体框架结构。

　　 图1 电力系统厂房三维效果图   

　　  

　　 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。而普通支撑在大震下易屈曲失稳对结构带来不利影响。因此,采用屈曲约束支撑抵抗水平力特别是地震作用成了最优的选择,如图1所示。

　　 本厂房长170m,宽92m,总高度为37m。抗震设防烈度为8度(0.20g),水平地震影响系数为0.16。本工程作为电力系统的重点工程,为保证电力设备的持续稳定运行,厂房结构罕遇地震下地震加速度值按提高一度考虑,时程分析地震峰值加速度取值如表3所示。

　　 时程分析荷载工况 表3

地震等级	烈度	特征周期/s	地震峰值加速度/(cm/s2)
多遇地震	8度	0.4	70
罕遇地震	9度	0.45	620

 

　　  

2 消能减震方案

2.1 屈曲约束支撑

　　 图2 普通支撑与BRB   

　　  

　　 屈曲约束支撑(Buckling-restrained Brace,简称BRB)由芯材、外套筒以及套筒内无粘结材料组成。虽然BRB形式多样,但原理基本相似,利用刚度较大的外套筒抑制中心芯板的屈曲。支撑的中心是芯材,为避免芯材受压时整体屈曲,即在受拉和受压时都能达到屈服,芯材被置于一个钢套管内。然后在套管内灌注填充材料,该填充材料具有一定的强度,又有较好的密实性,且耐久性优越。为减小或消除芯材受轴力时传给填充材料的力,而且由于泊松效应,芯材在受压情况下会膨胀,因此在芯材和砂浆之间设有一层无粘结材料或非常狭小的空气层。普通支撑及BRB见图2,其滞回曲线见图3。BRB经过国产化后,在民用及工业建筑中使用日益广泛,基于电力系统结构的重要性及罕遇地震下重要性的要求,BRB技术应用的必要性更加凸显 ^[8,9,10]。

　　 图3 滞回曲线   

　　  

2.2 BRB的布置方案

　　 经过综合比选,最终确定采用336根BRB,基本性能参数见表4。BRB平面布置方案如图4所示。本工程BRB耗能芯材采用低屈服点钢材LY100。相比普通低碳钢Q235,低屈服点钢材LY100具有如下特点:1)钢材屈服强度有严格的上下限,即100±20MPa,性能更为稳定; 2)延性更好,LY100钢材制作的BRB疲劳性能更加优秀,地震下耗能效果更好。

　　 BRB基本性能参数 表4

支撑编号	极限承载 力/kN	长度 /mm	外观 形状	外套筒高度 H/mm	外套筒宽度 B/mm	根数
BRB1	1 800	7 106	矩形	250	300	80
BRB2	1 800	7 433	矩形	250	300	96
BRB3	1 800	7 620	矩形	250	300	160
总计						336

 

　　  

3 结构计算模型

　　 为证明BRB减震方案的效果良好,共建立3个不同支撑方案的模型,并进行计算对比,具体方案如下:

　　 (1) BRB支撑方案

　　 柱子采用双柱H600×300×18×20,支撑采用BRB。

　　 (2) 普通支撑方案1

　　 柱子采用双柱H600×300×18×20,支撑采用双支撑□250×10。此方案弹性刚度与BRB方案相同,多遇地震下结构反应相同,但是罕遇地震下由于普通支撑损伤较多,结构破坏严重,不满足规范要求。

　　 (3) 普通支撑方案2

　　 柱子采用双柱H900×450×20×25,支撑采用双支撑H440×300×11×18。此方案增大了柱子和普通支撑截面,罕遇地震下结构最大层间位移角与BRB方案相差不多,用于比较在罕遇地震效果一致的情况下与BRB方案间的造价。

　　 图4 BRB平面布置图   

　　  

4 多遇地震作用下反应谱计算结果对比

　　 BRB多遇地震下不耗能,则用等效支撑来模拟BRB的弹性刚度,即BRB方案和普通支撑方案1在多遇地震下的支撑截面一样,两者楼层剪力与层间位移角基本一致,因此不单独叙述。结构第1,2,3振型的周期分别为1.073 37,0.982 31,0.686 43s,在多遇地震作用下不同支撑方案的计算结果对比见表5。

　　 多遇地震作用下不同支撑方案对比 表5

方案类型	楼层	方向	楼层剪力/kN	层间位移角
BRB方案及 普通支撑方案1	1	X向	3 035.19	1/7 257
		Y向	5 011.68	1/7 432
	2	X向	2 885.61	1/4 264
		Y向	4 673.88	1/3 799
普通支撑方案2	1	X向	3 291.43	1/12 516
		Y向	5 359.34	1/11 808
	2	X向	3 121.91	1/6 920
		Y向	5 046.28	1/5 608

 

　　  

　　 图5 结构前三阶振型图   

　　  

　　 由表5可知,BRB方案和普通支撑方案1的楼层剪力和层间位移角相同。普通支撑方案2由于柱截面和支撑截面均比普通支撑方案1大,故普通支撑方案2的楼层剪力比BRB方案和普通支撑方案1的楼层剪力大,层间位移角比BRB方案和普通支撑方案1的层间位移角小。

5 罕遇地震作用下的弹塑性分析

5.1 SAP2000模型的建立

　　 电力系统厂房是生命线工程的重要组成部分,应对厂房进行罕遇地震作用下的弹塑性分析,找出其薄弱部位及屈服机制,确保其在地震作用下能安全稳定工作 ^[6]。使用有限元分析软件SAP2000对主体结构进行弹塑性时程分析。在分析中,用轴力铰模拟BRB,主体结构框架梁、柱均定义为塑性铰。SAP2000模型如图6所示。

　　 图6 SAP2000模型   

　　  

5.2 地震波选择

　　 按抗规第5.1.2条规定选取天然波SCFX01(天然波1),天然波SCFX02(天然波2)和1条人工波A1,各条地震波在多遇地震作用下的基底剪力对比如表6所示。从表6中可以看出,3条地震波作用下的基底剪力均大于反应谱法的65%且基底剪力平均值大于反应谱法的80%,说明所选地震波可靠且适用于本工程。

　　 多遇地震作用下的基底剪力对比 表6

项目	方向	反应谱	天然波1	天然波2	人工波	平均时程
基底剪力 /kN	X向	3 035	3 036	4 059	2 063	3 049
	Y向	5 012	4 998	6 686	3 885	5 145
比例	X向	100%	100.03%	133.74%	67.98%	100.44%
	Y向	100%	99.72%	133.42%	77.52%	102.66%

 

　　 注:比例为各地震波下基底剪力与反应谱下基底剪力的比值。

　　  

5.3 结构弹塑性时程分析结果

　　 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,对结构进行单向地震输入作用下的弹塑性动力性能分析,得出结构地震作用响应结果,如位移、塑性铰分布等。罕遇地震作用下各方案层间位移角对比见表7。由表7可知,BRB方案的主体结构在9度罕遇地震作用下,只有部分构件进入塑性,出现塑性铰,结构最大层间位移角为1/336;普通支撑方案1由于大部分进入屈曲失稳状态,结构刚度降低,最大层间位移角为1/16,不满足罕遇地震作用下层间位移角的要求。普通支撑方案2增大了构件尺寸,同样有部分支撑进入屈曲失稳状态,结构刚度降低,最大层间位移角为1/295,满足罕遇地震作用下层间位移角的要求。

　　 BRB方案中BRB与柱子在天然波2下最终出铰状态对比见图7,普通支撑方案1中普通支撑与柱子在天然波2下最终出铰状态对比见图8,普通支撑方案2中普通支撑与柱子在天然波2下最终出铰状态对比见图9,其中B代表铰的屈服,当铰到达C时,构件开始失去承载力。IO,LS和CP代表铰的能力水平,分别对应于“直接使用(Immediate Occupancy)”、“生命安全(Life Safety)”和“防止倒塌(Collapse Prevention)”。

　　 罕遇地震作用下各方案层间位移角对比 表7

支撑方案	方向	楼层	天然波1	天然波2	人工波
BRB方案	X向	1	1/1 003	1/796	1/1 259
		2	1/604	1/390	1/768
	Y向	1	1/1 129	1/829	1/1 164
		2	1/568	1/336	1/602
普通支撑方案1	X向	1	1/830	1/37	1/1 209
		2	1/511	1/23	1/772
	Y向	1	1/905	1/25	1/1 133
		2	1/471	1/16	1/609
普通支撑方案2	X向	1	1/910	1/715	1/1 502
		2	1/503	1/406	1/855
	Y向	1	1/996	1/619	1/1 334
		2	1/469	1/295	1/661

 

　　  

　　 图7 BRB方案构件最终出铰状态对比   

　　  

　　 图8 普通支撑方案1构件最终出铰状态对比   

　　  

　　 图9 普通支撑方案2构件最终出铰状态对比  

　　  

　　 图10 BRB滞回曲线   

　　  

　　 结合表7以及图7～9可知,BRB方案和普通支撑方案2在罕遇地震作用下已有构件屈服,产生塑性变形,结构整体承载力及刚度有所下降,但仍具有一定的刚度和承载能力,保持“大震不坏”。而普通支撑方案1在罕遇地震下结构构件破坏严重,整体结构出现严重倒塌。

　　 该部分提取BRB在天然波2下的荷载-位移曲线,以查看阻尼器在罕遇地震作用下的滞回性能。X方向取2层Ⓗ轴交⑤～⑥轴的BRB1,位置见图4。Y方向取2层⑥轴交Ⓕ～Ⓖ轴的BRB1,位置见图4。

6 经济性对比

　　 普通支撑方案1在大震下已不满足弹塑性层间位移角的要求,故普通支撑方案1安全性已不满足要求,此处不做经济性比较。表8将BRB方案和普通支撑方案2的工程量进行对比,再结合工程造价比选两种方案的经济效益。

　　 通过表8可知,在罕遇地震达到同等级层间位移角的情况下,BRB方案可节省钢材约1 000t,综合费用BRB方案可节省造价约510万元,费用节省比例为27.96%。

　　 工程效益指标 表8

方案	构件 类型	截面或型号	实际 根数	总长度 /m	截面面 积/mm2	总质量 /t	总价 /万元
BRB 方案	KZ	双柱H600×300×18×20	414	2 329	44 160	807.5	1 311.5
	BRB	双BRB-75t(LY100)	336	—	—	—
普通 支撑 方案2	KZ	双柱H900×450×20×25	414	2 329	79 000	1 444.3	1 821.7
	ZC	双支撑H440×300×11×18	336	1 577	30 488	377.4

 

　　 注:KZ代表柱; ZC代表支撑; 未标明杆件的为两个方案相同,此处不做比对。

　　  

7 结论

　　 本文对结构的整体模型进行了反应谱和弹塑性时程分析,采用不同地震波分析了结构在X向和Y向地震波输入时结构的抗震性能,主要结论如下:

　　 (1) 根据电气设备易受损伤造成功能失效的特点以及电气系统厂房的特殊功能性,对电力系统厂房结构提出了相比普通结构更高的要求,针对本工程钢结构体系,建议多遇地震和罕遇地震作用下结构层间位移角限值分别为1/1 000和1/250,从而满足表1中性能1“多遇地震下完好、变形远小于弹性位移限值,罕遇地震下基本完好、变形略大于弹性位移限值”的要求。

　　 (2) BRB方案在罕遇地震作用下,只有BRB进入塑性并出现塑性铰,结构层间位移角表现为X向最大1/390,Y向最大1/336,满足罕遇地震性能目标层间位移角要求,表明结构设置了BRB后,具有了良好的抗震耗能机制,保证了结构的安全,达到了预期性能目标。普通支撑方案1由于大部分支撑进入屈曲失稳状态,结构刚度降低,结构破坏严重。普通支撑方案2增大了构件尺寸,同样有部分支撑进入屈曲失稳状态,结构刚度降低,最大层间位移角为1/295。

　　 (3) 在罕遇地震达到同等级层间位移角的情况下,BRB方案经济性更优。