蘇　瑋，杜永峰

（1.蘭州理工大學(xué)，甘肅 蘭州730050；2.國(guó)網(wǎng)隴南供電公司，甘肅 隴南742500）

甘肅隴南電力生產(chǎn)建筑減震隔震分析與應(yīng)用現(xiàn)狀

蘇瑋1，2，杜永峰1

（1.蘭州理工大學(xué)，甘肅 蘭州730050；2.國(guó)網(wǎng)隴南供電公司，甘肅 隴南742500）

隴南地區(qū)為地震的高發(fā)頻發(fā)區(qū)，地震對(duì)隴南電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了極大損害。本文通過(guò)研究電力建筑減震隔震設(shè)計(jì)的應(yīng)用，并結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，對(duì)采用隔震技術(shù)的電力生產(chǎn)建筑在地震作用下的影響進(jìn)行比較，獲得研究結(jié)論，指出了隔震體系的優(yōu)勢(shì)，得出隔震體系在隴南電力生產(chǎn)建筑中具有推廣應(yīng)用價(jià)值的結(jié)論。

電力建筑；隔震體系；實(shí)例應(yīng)用

1　概述

地震是一種嚴(yán)重威脅人類生命財(cái)產(chǎn)安全的自然災(zāi)害，工程結(jié)構(gòu)抗震一直是結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的重要課題。據(jù)俄羅斯科學(xué)院國(guó)際地震預(yù)測(cè)理論和數(shù)學(xué)地球物理學(xué)研究所專家弗拉基米爾·科索博科夫推測(cè)，目前地球活動(dòng)進(jìn)入了活躍期，世界主要地震區(qū)可能多發(fā)各種強(qiáng)烈地震。根據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心數(shù)據(jù)，上個(gè)十年全球范圍內(nèi)發(fā)生4級(jí)以上地震共計(jì)21765次，同比增長(zhǎng)53.4%。2008年5月12日中國(guó)汶川8.0級(jí)地震、2010年2月27日智利8.8級(jí)地震、2011年3月11日日本東海岸9.0級(jí)地震、2012 年9月5日哥斯達(dá)黎加7.9級(jí)地震、2013年4月16日伊朗7.8級(jí)地震、2014年4月2日智利北部8.2級(jí)地震以及2015年4月25日尼泊爾8.1級(jí)地震都造成了巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。為有效保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)研究便顯得十分迫切和重要［1］。

在隴南地區(qū)，因其地質(zhì)環(huán)境結(jié)構(gòu)的特殊復(fù)雜性，隴南自古以來(lái)就是地震高發(fā)頻發(fā)區(qū)。2008年的5·12汶川大地震，給隴南造成了嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。就電力設(shè)施而言，汶川地震導(dǎo)致隴南2 座220kv以上變電站停運(yùn)，196條10kv以上線路停運(yùn)，3座水電站受災(zāi)停運(yùn)，隴南南部電網(wǎng)與主電網(wǎng)解裂，導(dǎo)致文縣、碧口大部分地區(qū)無(wú)法供電，隴南水電外送通道破壞。繼5·12汶川地震之后，隴南又先后經(jīng)歷了2013年7·22岷縣漳縣地震和7·27文縣地震以及多次暴洪災(zāi)害的影響，對(duì)隴南電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了極大損害。而可靠的電力供應(yīng)不僅可以為地震救援提供保障，還為震后恢復(fù)重建奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，因此保證電力建筑和電力設(shè)施在地震作用下的安全穩(wěn)定和快速恢復(fù)運(yùn)行具有重要意義。

2　地震對(duì)電力建筑產(chǎn)生的影響

地震，特是強(qiáng)震作用對(duì)電力基礎(chǔ)設(shè)施具有巨大的破壞力，世界范圍內(nèi)，近幾十年來(lái)發(fā)生的災(zāi)害性地震表明，電力系統(tǒng)的抗震能力較弱，其震害具有波及范圍廣、連鎖影響強(qiáng)、造成的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失大等特點(diǎn)［1］。依據(jù)抗震規(guī)范設(shè)計(jì)的電力建筑，如營(yíng)銷營(yíng)業(yè)站、通訊機(jī)房、生產(chǎn)調(diào)度樓、變電站中安裝電氣設(shè)備的配電樓、主控樓等結(jié)構(gòu)主體在地震作用下可以保證在大震下不發(fā)生倒塌，可是目前的抗震建筑在中震下依然具有修復(fù)難度大的缺點(diǎn)。由于電力建筑往往是在高壓帶電環(huán)境下連續(xù)生產(chǎn)工作，因此在修復(fù)過(guò)程中為保證安全，必須對(duì)設(shè)備停電才能進(jìn)行修復(fù)，長(zhǎng)時(shí)間的電力設(shè)施停用會(huì)帶來(lái)額外的更大的附加損失，使得電力建筑在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)失去使用功能。另外，與電力建筑本身相比，安裝在建筑內(nèi)的電力設(shè)施，比如主控室的二次保護(hù)設(shè)備、直流設(shè)備等，或者直接安放在基礎(chǔ)上的電力設(shè)施，如主變變壓器、斷路器、隔離開關(guān)等，它們對(duì)地震作用更加敏感，在地震中也更易受到損壞［2］。即使可以保證電力建筑在地震作用下無(wú)明顯損傷，但是電力設(shè)備設(shè)施的損傷也會(huì)對(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)造成威脅。傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)理念是保證結(jié)構(gòu)在中震、大震下建筑物具有一定的延性，以便給人足夠的反應(yīng)時(shí)間逃生，最終目的是保證人的生命安全；同時(shí)，電力設(shè)備的生產(chǎn)廠家只是對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行抗震措施的設(shè)計(jì)，設(shè)備生產(chǎn)廠家并不考慮這些設(shè)備儀器安放在建筑物內(nèi)之后的抗震措施，可以說(shuō)，我國(guó)目前對(duì)于電力生產(chǎn)建筑物及其附屬設(shè)備的抗震設(shè)計(jì)與實(shí)際生產(chǎn)要求是脫節(jié)的。因此，如何保證電力建筑和建筑物內(nèi)的電力設(shè)備能夠在地震作用下保持完好成為當(dāng)下亟需解決的問(wèn)題，這也是電力行業(yè)長(zhǎng)期以來(lái)強(qiáng)調(diào)的“保人身、保電網(wǎng)、保設(shè)備”這一安全主線，是目前要解決的重點(diǎn)問(wèn)題。通過(guò)隔震設(shè)計(jì)，將電力建筑的抗震與電力設(shè)施的抗震二者統(tǒng)一起來(lái)，這對(duì)于保證電力建筑和電力設(shè)施的抗震能力和可恢復(fù)能力具有重要意義。

根據(jù)電力建筑和電力設(shè)施的特殊性和重要性，需要采取相應(yīng)的有效抗震措施。傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)思路僅僅通過(guò)增加截面，無(wú)疑會(huì)帶來(lái)增加結(jié)構(gòu)響應(yīng)的惡性循環(huán)，而且過(guò)大的截面設(shè)計(jì)不僅會(huì)帶來(lái)成本的大量增加，還會(huì)使建筑本身的可利用面積減少。采用減隔震技術(shù)目前已經(jīng)成為這種重點(diǎn)設(shè)防類建筑的主流，不僅可以在一定程度上降低造價(jià)，而且可以在很大程度上提高結(jié)構(gòu)的整體性能。減隔震技術(shù)目前已經(jīng)在大量的建筑中得到應(yīng)用，取得了很好的效果。其中隔震技術(shù)因其適應(yīng)能力強(qiáng)，施工技術(shù)成熟得到了廣泛的應(yīng)用。采用隔震技術(shù)的建筑設(shè)計(jì)水平地震作用下可以使結(jié)構(gòu)構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件到達(dá)幾乎零損傷，建筑可以在地震過(guò)后立即投入使用，這使得結(jié)構(gòu)具備了可恢復(fù)功能的能力，這對(duì)于電力建筑和電力設(shè)施具有非常大的參考意義。由于電力建筑與傳統(tǒng)建筑的使用功能的不同，如何調(diào)整傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于電力建筑的抗震設(shè)計(jì)中，具有重要的實(shí)踐意義［3］。

3　電力建筑的分類

電力建筑主要指電力生產(chǎn)建筑和電力非生產(chǎn)建筑。

電力生產(chǎn)建筑是電力系統(tǒng)各類營(yíng)銷生產(chǎn)部門的基本生產(chǎn)要素使用的房屋的總稱?，F(xiàn)階段的電力生產(chǎn)用房，主要有生產(chǎn)調(diào)度管理用房、變電站生產(chǎn)控制用房、城鄉(xiāng)供電所生產(chǎn)營(yíng)業(yè)用房、運(yùn)維檢修生產(chǎn)用房、營(yíng)銷服務(wù)用房以及物資倉(cāng)儲(chǔ)用房等幾個(gè)大類，每個(gè)大類下又細(xì)分為若干小類，基本涵蓋了電力系統(tǒng)生產(chǎn)辦公、運(yùn)維檢修、供電營(yíng)銷、應(yīng)急倉(cāng)儲(chǔ)等與大家日常生產(chǎn)生活供電服務(wù)息息相關(guān)的各業(yè)務(wù)部門。

電力非生產(chǎn)建筑是指除電力生產(chǎn)建筑之外，包括辦公用房、會(huì)議中心、教育培訓(xùn)、醫(yī)院、獨(dú)立車庫(kù)及其配套設(shè)備設(shè)施、教育培訓(xùn)的實(shí)訓(xùn)設(shè)施等。

4　國(guó)內(nèi)外電力建筑隔震現(xiàn)狀綜述

國(guó)內(nèi)電力建筑隔震工程：

甘肅臨江330kv變電站工程，根據(jù)主控樓建筑的底層基礎(chǔ)柱的布置方式，合理設(shè)計(jì)了隔震支座的基本力學(xué)參數(shù)，并對(duì)所選的隔震支座進(jìn)行了有效的布置；

陜西西安330kv西北郊變電站配電室隔震設(shè)計(jì)，在配電樓樓層底部與地下室頂層之間設(shè)置隔震層，采用GZY400V5A型隔震支座；

四川下孟220kv變電站在建設(shè)中提出了變電站主要電氣設(shè)備的隔震減震設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用了剪切型、拉壓型兩類鉛合金減震裝置和抗傾覆組合疊層橡膠隔震支座，在投運(yùn)以來(lái)已經(jīng)經(jīng)受了數(shù)十次4級(jí)以上的地震考驗(yàn)而未見(jiàn)任何損壞；

云南昆明220kv清水海輸變電工程，為全國(guó)首個(gè)建成的防震抗震的220kv變電站。

國(guó)外電力建筑隔震工程：

新西蘭海沃茲變電站，對(duì)交流濾波電容器組采用橡膠支座和滯變鋼阻尼器的基底隔震方法進(jìn)行抗震加固；

法國(guó)克律亞斯核電站建于20世紀(jì)90年代，是世界上第一座具有隔震系統(tǒng)的核電站；

美國(guó)加利福尼亞州通過(guò)在電氣設(shè)備的底部和地基基礎(chǔ)之間加裝減震器來(lái)減小設(shè)備的地震響應(yīng)［2］。

5　隔震工程實(shí)例帶來(lái)的啟示

從國(guó)外減震隔震理論研究和技術(shù)應(yīng)用的歷程來(lái)看，以橡膠隔震支座為主流的現(xiàn)代隔震技術(shù)從系統(tǒng)研究到廣泛應(yīng)用大致經(jīng)歷了數(shù)十年的時(shí)間。這期間通過(guò)大量的研究、試驗(yàn)、實(shí)際工程建設(shè)，特別是經(jīng)過(guò)強(qiáng)震的考驗(yàn)，使減震隔震技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中得到不斷完善和配套，使這項(xiàng)極具生命力的抗震新技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。目前在國(guó)內(nèi)，隔震技術(shù)主要應(yīng)用于住宅建筑和辦公建筑，對(duì)于生命線工程的電力建筑物，應(yīng)用的相對(duì)較少［4］。

在甘肅省內(nèi)，隔震結(jié)構(gòu)體系有很多應(yīng)用實(shí)例，例如西北師范大學(xué)田家炳教育書院工程，該工程為綜合性教學(xué)建筑，是蘭州市第一棟采用疊層橡膠支座基礎(chǔ)隔震的工程；甘肅省疾病控制中心工程，該工程為甲類建筑，隔震前采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，隔震后為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架體系；武威古浪黃羊川國(guó)際會(huì)議中心工程，該工程分四部分，兩側(cè)附樓為隔震建筑，其余部分為非隔震建筑［2］。

隴南武都郵政局住宅樓為6層磚混隔震結(jié)構(gòu)，位于武都城北山，在5·12地震中，周圍采用傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)的建筑物在震后出現(xiàn)了墻體內(nèi)外粉刷層開裂、脫落；另一棟沒(méi)有隔震、減震裝置的5磚混結(jié)構(gòu)住宅的內(nèi)部設(shè)備、家電也產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的損壞，當(dāng)?shù)卮彐?zhèn)的房屋甚至出現(xiàn)倒塌現(xiàn)象。但是采用隔震裝置的該住宅樓卻基本完好，內(nèi)部家具、廚具和懸掛的裝飾物均無(wú)翻倒現(xiàn)象，墻體上也無(wú)地震引發(fā)的裂縫。該隔震建筑經(jīng)受較大地震考驗(yàn)的事例，在國(guó)際上屬于第三個(gè)。而作為磚砌體結(jié)構(gòu)的隔震建筑經(jīng)受較大地震考驗(yàn)的事例，在國(guó)內(nèi)外屬于首個(gè)，被稱為“中國(guó)第一幢經(jīng)過(guò)地震檢驗(yàn)”的隔震房屋［3］，在當(dāng)時(shí)武都城區(qū)建筑物受損嚴(yán)重的情況之下，結(jié)構(gòu)完好的武都郵政局家屬樓可謂一枝獨(dú)秀，向人們展示了減震隔震技術(shù)的優(yōu)異性能，使人們開始意識(shí)到傳統(tǒng)的抗震體系的抗震性能不如隔震建筑的抗震性能，這也使得同處隴南的電力人看到了電力生產(chǎn)建筑抗震發(fā)展的新方向。

因?yàn)?30kv電壓等級(jí)以上的超高壓和特高壓變電站的主控樓等建（構(gòu)）筑物是一項(xiàng)重要的生命線電力工程設(shè)施，主控樓樓層一般只有1～2層，但層高和跨度大，且建（構(gòu)）筑物內(nèi)有許多的重要電氣設(shè)備和精密儀器儀表，在變電站正常運(yùn)行中發(fā)揮著重要的樞紐作用，因此作為5·12汶川地震之后隴南新建的第一座超高壓變電站，文縣臨江330kv輸變電工程在設(shè)計(jì)之初就充分考慮了地震作用的影響。根據(jù)其工程地質(zhì)特點(diǎn)，建筑物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、室內(nèi)設(shè)備的重要性以及有關(guān)規(guī)范要求，制定了降低上部結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防烈度，上部結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)可比原設(shè)防烈度降低1度，即按Ⅶ度設(shè)防；降低主控樓加速度反應(yīng)，提高該層控制設(shè)備、儀器在地震作用下的安全性；確保在微震、風(fēng)荷載和正常運(yùn)行時(shí)，隔震層不能發(fā)生屈服等隔震減震設(shè)計(jì)目標(biāo)。

在該變電站主控樓的減震隔震設(shè)計(jì)中，該工程采用底部剪力法進(jìn)行反復(fù)的試算與技術(shù)比較，選用了型號(hào)分別為SGGZP400和SGGZY400/90型的2種規(guī)格的疊層橡膠隔震支座共15組，其中SGGZP400型普通隔震支座9組，SGGZY400/90型鉛芯隔震支座6組。通過(guò)對(duì)臨江330kv變電站主控樓的隔震設(shè)計(jì)、驗(yàn)算與分析，根據(jù)主控樓建筑的底層基礎(chǔ)柱的布置方式，合理設(shè)計(jì)了隔震支座的基本力學(xué)參數(shù)，并對(duì)所選的隔震支座進(jìn)行了有效的布置。設(shè)計(jì)驗(yàn)算了軸向承載力、基底剪力、罕遇地震時(shí)隔震支座的允許位移、風(fēng)荷載及彈性恢復(fù)力等幾個(gè)指標(biāo)，數(shù)據(jù)表明主控樓在采用隔震設(shè)計(jì)后，可明顯降低地震作用下主控樓基底的各項(xiàng)內(nèi)力，隔震層具有足夠的軸向承載力，建筑在地震作用下基本處于平動(dòng)，不會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，基底剪力大大衰減，罕遇地震作用下隔震支座的位移小于其允許位移，且在風(fēng)荷載和正常運(yùn)行荷載作用下，隔震層不會(huì)發(fā)生屈服而引起晃動(dòng)，達(dá)到了預(yù)期的隔震減震設(shè)計(jì)目標(biāo)［4］。該工程的建成投運(yùn)為隴南電力生產(chǎn)建筑隔震設(shè)計(jì)起到了推廣示范作用，如圖1所示。

圖1　330kv隔震支座布置

在電力領(lǐng)域還有例如西安330千伏西北郊變電站配電室隔震設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中采用GZY400V5A型隔震支座，將隔震層設(shè)置于地下柱頂與底層樓板之間，在每個(gè)地下室柱子頂部布置一個(gè)隔震支座，設(shè)計(jì)者利用SAP2000軟件進(jìn)行分析，通過(guò)構(gòu)建模型，對(duì)自振周期進(jìn)行分析，對(duì)多遇地震及罕遇地震的作用進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)行隔震支座豎向承載力驗(yàn)算，對(duì)隔震隔層地震加速度反應(yīng)頻譜進(jìn)行分析等，得出采用基礎(chǔ)隔震后，結(jié)構(gòu)的周期大大延長(zhǎng)，使地震作用大為減小，隔震后，結(jié)構(gòu)的水平位移集中在隔震層，基底剪力、層間加速度大大減小，結(jié)構(gòu)呈平動(dòng)型；隔震結(jié)構(gòu)在縱向地震作用下的隔震效果要優(yōu)于橫向作用的結(jié)論［5］。

綜上所述，在新一輪基礎(chǔ)設(shè)施投資建設(shè)過(guò)程中，國(guó)家在對(duì)于類似于隴南地區(qū)這樣相對(duì)落后地區(qū)的電力、交通、新能源等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資力度不斷加大的同時(shí)，我們更應(yīng)該提高對(duì)電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施安全性的認(rèn)識(shí)，作為國(guó)家生命線工程的重要組成部分，電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)在項(xiàng)目立項(xiàng)之初，在統(tǒng)籌考慮隴南各縣區(qū)當(dāng)?shù)氐胤缴鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、地區(qū)電力網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化、區(qū)域能源供給平衡的同時(shí)，要將電力基礎(chǔ)設(shè)施的安全可靠性放在第一位，要結(jié)合項(xiàng)目所在地的實(shí)際情況，排查安全隱患，提出有征對(duì)性的控制預(yù)防措施，有效解決人員、建筑物、電氣設(shè)備在地震中的安全問(wèn)題，使三者的安全性達(dá)到最優(yōu)化，確保實(shí)現(xiàn)電力基礎(chǔ)設(shè)施投資項(xiàng)目建設(shè)效益的最大化，取得社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益雙贏的局面，這對(duì)于隴南電力基礎(chǔ)項(xiàng)目建設(shè)具有重大的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義［5～8］。

［1］ 四川電力試驗(yàn)研究院.汶川大地震四川電網(wǎng)電氣設(shè)備受損情況報(bào)告［R］.成都：四川電力試驗(yàn)研究院，2008.

［2］ 杜永峰，李慧，黨育，等.隔震結(jié)構(gòu)系列研究及在甘肅的工程應(yīng)用［J］.西北地震學(xué)報(bào)，2005，27（4）312-316.

［3］ 甘肅省建設(shè)科技專家委員會(huì)，汶川5.12大地震后甘肅災(zāi)區(qū)房屋建筑展害調(diào)查和應(yīng)急評(píng)估報(bào)告.2008，6月4日.

［4］ 曹琮，曹枚根，張雪松，等.330kV臨江變電站主控樓的隔震設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.電力建設(shè)，2011，4：42-46.

［5］ 文波.隔震技術(shù)在變電建筑物中的應(yīng)用研究［D］.西安：西安連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2004.

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［7］ 陳淮，李杰.高壓電氣設(shè)備抗震可靠性分析方法［J］.世界地震工程，2000，20（2）：19-23.

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