王庭華， 黃 崢， 丁靜鵠， 徐 淦， 顧偉華， 張大長

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，江蘇 南京 210008；2. 國網(wǎng)江蘇省電力公司鎮(zhèn)江供電公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212002；3. 南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211816)

220 kV戶內(nèi)變電站屋頂構(gòu)架結(jié)構(gòu)體系及其抗震性能

王庭華1， 黃 崢1， 丁靜鵠1， 徐 淦2， 顧偉華3， 張大長3

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，江蘇 南京 210008；2. 國網(wǎng)江蘇省電力公司鎮(zhèn)江供電公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212002；3. 南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211816)

研究了新型220 kV戶內(nèi)變電站屋頂構(gòu)架結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)特性和整體抗震性能，建立常規(guī)構(gòu)架和屋頂構(gòu)架的有限元模型，考慮屋頂構(gòu)架-GIS綜合樓上下剛度分布不均勻，開展了上下結(jié)構(gòu)共同作用的結(jié)構(gòu)體系的地震反應(yīng)分析。通過結(jié)構(gòu)體系的模態(tài)分析得到其振動特性,采用時程分析法得到整體結(jié)構(gòu)的動力特性，比較分析了不同結(jié)構(gòu)體系的地震反應(yīng)特性，研究結(jié)果表明新型變電站屋頂構(gòu)架的抗震設(shè)計應(yīng)加強屋頂構(gòu)架的側(cè)向剛度和連接節(jié)點的強度。

屋頂構(gòu)架-GIS綜合樓；動力特性；時程分析

0 引言

變電站及變電構(gòu)架作為電力工業(yè)的一個重要部分，負(fù)有重要的社會功能，其設(shè)計直接關(guān)系到電網(wǎng)建設(shè)的安全、經(jīng)濟和電網(wǎng)運行的穩(wěn)定，一旦在地震、雪災(zāi)等災(zāi)害條件下發(fā)生破壞，引起的損失將無法估量。隨著我國電網(wǎng)建設(shè)的高速發(fā)展，220 kV和500 kV變電站正在大量建設(shè)，1000 kV 特高壓變電站亦開始起步建設(shè)，一般采用全鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)架，用鋼量不斷遞增，工程造價隨之上漲。為充分體現(xiàn)安全、可靠、經(jīng)濟的設(shè)計原則，項目建設(shè)對變電結(jié)構(gòu)架設(shè)計的研究和高強鋼材的應(yīng)用提出更高的要求。變電構(gòu)架作為變電站的主要結(jié)構(gòu)，明確其優(yōu)化方向、設(shè)計手段以及高強鋼的合理應(yīng)用，具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟效益和社會效益。

在以往對變電構(gòu)架的研究中，變電構(gòu)架一般作為一個單獨的研究對象，分析時通常只考慮變電構(gòu)架自身的結(jié)構(gòu)特性和地震反應(yīng)以及抗震性能。吳偉康等[1]使用空間結(jié)構(gòu)計算分析軟件完成變電構(gòu)架的靜力分析。楊保硫等[2]介紹了500 kV構(gòu)架的主要結(jié)構(gòu)形式，并簡單分析了各種結(jié)構(gòu)形式的技術(shù)經(jīng)濟特點。王磊等[3]通過考慮有無設(shè)計荷載作用下的變電構(gòu)架柱的地震反應(yīng)時程分析，對螺栓連接的變電構(gòu)架柱的抗震性能進行了一定的研究。鄧東生等[4]運用有限元分析方法對變電構(gòu)架進行了結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，研究了小根開構(gòu)架的抗震性能。文獻[5-10]對變電站建筑物的建筑布置及結(jié)構(gòu)選型進行了優(yōu)化分析，得出合理的布置方案。文獻[11-16]對不同類型的變電站構(gòu)架結(jié)構(gòu)選型及空間進行了分析，給出不同結(jié)構(gòu)形式的構(gòu)架的優(yōu)缺點。

文中針對一種新型戶內(nèi)變電站屋頂變電構(gòu)架, 即將變電構(gòu)架設(shè)置在GIS/AIS建筑屋頂形成屋頂構(gòu)架，建立具有代表性的屋頂構(gòu)架-GIS綜合樓整體有限元模型，分析屋頂構(gòu)架結(jié)構(gòu)與常規(guī)構(gòu)架的結(jié)構(gòu)性能差異，并在7度(0.1 g)的地震烈度下，進行了屋頂構(gòu)架與常規(guī)構(gòu)架抗震性能的對比分析,為今后類似的實際工程提供一些參考與建議。

1 屋頂構(gòu)架-GIS綜合樓整體布置及模型

以鎮(zhèn)江某220 kV變電站屋頂構(gòu)架的試點工程為算例，建立常規(guī)構(gòu)架、GIS綜合樓、屋頂構(gòu)架-GIS綜合樓3個有限元模型，屋頂構(gòu)架-GIS綜合樓柱腳剛接，上部屋頂構(gòu)架模型各構(gòu)件間連接形式為剛接。其中GIS綜合樓為兩層鋼結(jié)構(gòu)框架，采用箱型鋼管柱，第一層層高5.5 m，第二層7.5 m。屋頂變電構(gòu)架采用單鋼管構(gòu)架，構(gòu)架跨度48.4 m,分為四跨，底部根開3 m，上設(shè)三層掛點，高度分別為15.9 m,20.9 m,25.9 m。綜合樓與屋頂構(gòu)架材料均采用Q345，建立模型時變電構(gòu)架立柱采用桿單元，變電構(gòu)架橫梁采用梁單元,變電站屋頂構(gòu)架為典型的線性結(jié)構(gòu)。由文獻[4]可知，對于變電構(gòu)架，各桿件之間采用固接和鉸接形式對結(jié)構(gòu)的靜力和動力特性影響不大，該項目中屋頂構(gòu)架各桿件之間采用固接形式。常規(guī)構(gòu)架、GIS室綜合樓、屋頂構(gòu)架-GIS綜合樓有限元軟件模型如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 常規(guī)構(gòu)架有限元模型Fig.1 Finite element model of conventional frame

圖2 GIS綜合樓有限元模型Fig.2 Finite element model of GIS building

圖3 屋頂構(gòu)架-GIS綜合樓有限元模型Fig.3 Finite element model of roof frame-GIS building

2 屋頂構(gòu)架與常規(guī)構(gòu)架內(nèi)力對比分析

2.1 荷載參數(shù)

荷載模式只考慮不同工況下的導(dǎo)線荷載、地線荷載以及風(fēng)荷載。風(fēng)荷載按荷載參數(shù)表給出的風(fēng)速ν求得基礎(chǔ)風(fēng)壓。風(fēng)荷載準(zhǔn)值參照文獻[17]：

ωk=βzμsμzω0

(1)

式中，ωk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；βz為桿塔風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)；μs為構(gòu)件體型系數(shù);μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；ω0為基礎(chǔ)風(fēng)壓。立柱、地線支架及水平桁架梁等桿件的風(fēng)荷載為各風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以桿件直徑，轉(zhuǎn)化為各桿件上的線荷載；導(dǎo)線荷載及地線荷載按荷載表給出的荷載值，采用節(jié)點力的方式施加在導(dǎo)線掛點處。考慮最不利荷載組合，按文獻[17]取1.2×永久荷載+1×活荷載+1.4×風(fēng)荷載。

2.2 內(nèi)力計算結(jié)果分析

運用SAP2000有限元分析軟件，按照空間桿系結(jié)構(gòu)進行建模，建模時選擇梁單元和桿單元。分別對屋頂構(gòu)架和常規(guī)構(gòu)架開展受力分析，提取主要受力桿件的綜合應(yīng)力比和桿件位移，進行對比分析。屋頂構(gòu)架與常規(guī)構(gòu)架主要受力桿件規(guī)格對比見表1，各層掛點橫梁位移對比見表2。

表1 屋頂構(gòu)架與常規(guī)構(gòu)架主要桿件規(guī)格對比Table 1 Comparison of the main members of the roof frame and the conventional frame

表2 屋頂構(gòu)架與常規(guī)構(gòu)架橫梁掛點位移對比Table 2 Comparison of the displacement of the roof frame and the conventional frame

由表1和表2可知：屋頂構(gòu)架在減少占地空間置于屋頂時，其自身結(jié)構(gòu)高度增加，各主要受力桿件在滿足受力要求時，尺寸規(guī)格較常規(guī)構(gòu)架均有所增大。在靜力位移上，屋頂構(gòu)架因所受荷載較大，各層橫梁位移均大于常規(guī)構(gòu)架，但未超出安全限值，三層掛點位移屋頂構(gòu)架是常規(guī)構(gòu)架的1.91倍；二層掛點位移屋頂構(gòu)架是常規(guī)構(gòu)架的2.4倍；一層掛點位移屋頂構(gòu)架是常規(guī)構(gòu)架的2.03倍。

3 屋頂構(gòu)架模態(tài)分析

分析屋頂構(gòu)架-GIS綜合樓的動力特性，得到整體結(jié)構(gòu)的自振頻率，如表3所示，結(jié)構(gòu)前三階振型如圖4所示。

通過結(jié)構(gòu)自振頻率以及振型分析可知：結(jié)構(gòu)的平動自振周期明顯大于扭轉(zhuǎn)振動周期，說明該結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度較大，不容易發(fā)生整體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動；結(jié)構(gòu)X向自振周期明顯大于結(jié)構(gòu)Y向自振周期，說明結(jié)構(gòu)剛度方向分布的差異，X向剛度小于Y向剛度。

表3 屋頂構(gòu)架-GIS綜合樓自振頻率Table 3 Frequencies of the roof roof frame-GIS building

圖4 前三階振型Fig.4 Former three vibration modes

整體模型因上下剛度分布不均勻，屋頂構(gòu)架的變形大于GIS室主控樓的變形。結(jié)構(gòu)在第五階時出現(xiàn)了構(gòu)架橫梁的局部振動，變現(xiàn)為橫梁的局部変形，為防止結(jié)構(gòu)在地震作用下激起局部振型，造成結(jié)構(gòu)過早動力失穩(wěn)，設(shè)計時可以適當(dāng)增加水平約束加以控制。整體模型基本不存在豎向震動，設(shè)計時應(yīng)著重考慮水平地震的影響。

4 屋頂構(gòu)架-GIS綜合樓地震響應(yīng)分析

4.1 輸入地震波

選用天然地震波Taft作為地震荷載輸入，選用其前40 s地震加速度記錄進行模擬分析。采用所選的Taft波沿導(dǎo)線拉線方向輸入。Taft地震波加速度峰值1527 mm/s2，其頻譜特性如圖5所示。

圖5 Taft地震波頻譜特性Fig.5 Frequency spectrum of the Taft earthquake wave

4.2 GIS綜合樓地震反應(yīng)分析

地震波輸入總時間為40 s，時間間隔0.02 s,考慮到自重對結(jié)構(gòu)的影響，先進行重力荷載作用下的靜力分析，再進行地震動力時程分析。

針對GIS綜合樓模型,在上部有無屋頂構(gòu)架的情況下分別進行地震動力時程分析，其結(jié)構(gòu)二層位移及加速度時程對比曲線如圖6、圖7所示。

圖6 Taft地震波作用下GIS綜合樓位移時程Fig.6 Displacement time-history at the GIS building under Taft earthquake

圖7 Taft地震波作用下GIS綜合樓加速度時程Fig.7 Acceleration time-history at the GIS building under Taft earthquake

由圖6、圖7可知， GIS綜合樓上部有無屋頂構(gòu)架的位移和加速度時程曲線基本重合?？芍?，將變電構(gòu)架置于綜合樓屋頂時，上部屋頂構(gòu)架在動力反應(yīng)特性上對下部綜合樓建筑結(jié)構(gòu)影響不大。

4.3 屋頂構(gòu)架地震反應(yīng)分析

將Taft地震波以相同方向分別作用于屋頂構(gòu)架和常規(guī)構(gòu)架。圖8沿屋頂構(gòu)架-GIS綜合樓高度變化的節(jié)點位移值，由圖可得：整體模型在地震波的作用下，節(jié)點位移沿高度增加，在屋頂構(gòu)架與主控樓連接處因整體剛度變化，上升趨勢較為緩慢，在屋頂構(gòu)架地線柱頂端的節(jié)點位移最大。

在Taft地震波作用下屋頂構(gòu)架-GIS綜合樓與常規(guī)構(gòu)架的掛點位移時程對比曲線如圖9、圖10和圖11所示。

圖8 屋頂構(gòu)架-GIS綜合樓沿高度變化節(jié)點位移Fig.8 Displacement of the nodes along the frame-GIS building

圖9 Taft地震波作用下三層位移時程Fig.9 Displacement time-history at the third layer under Taft earthquake

圖10 Taft地震波作用下二層位移時程Fig.10 Displacement time-history at the second layer under Taft earthquake

圖11 Taft地震波作用下一層位移時程Fig.11 Displacement time-history at the first layer under Taft earthquake

由圖9—11可知：(1) Taft地震波以相同方向作用于屋頂構(gòu)架和常規(guī)構(gòu)架上，位移反應(yīng)趨勢相差不大，屋頂構(gòu)架三層橫梁的相對最大位移為14.12 mm，常規(guī)構(gòu)架三層橫梁的最大位移為6.32 mm。(2) 屋頂構(gòu)架較常規(guī)構(gòu)架相比時程位移差距較大。三層位移屋頂構(gòu)架是常規(guī)構(gòu)架的2.23倍；二層掛點位移屋頂構(gòu)架是常規(guī)構(gòu)架的4.54倍；一層掛點位移屋頂構(gòu)架是常規(guī)構(gòu)架的4.57倍。

當(dāng)屋頂構(gòu)架置于GIS綜合樓屋頂時，其整體結(jié)構(gòu)體系屬于上下剛度分布不均勻的上柔下剛結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特性已與細(xì)柔的常規(guī)構(gòu)架有所不同，為防止其出現(xiàn)動力失穩(wěn)，在設(shè)計時應(yīng)注重加強屋頂構(gòu)架的側(cè)向剛度。

4.4 應(yīng)力反應(yīng)分析

表2為屋頂構(gòu)架最大應(yīng)力值，可以看出：地震波作用下應(yīng)力最大出現(xiàn)于屋頂構(gòu)架柱與GIS綜合樓屋頂連接處，主材最大應(yīng)力為18.291 MPa，未造成主材屈服。

表4 屋頂構(gòu)架應(yīng)力Table 4 Stresses of the roof truss MPa

5 結(jié)語

綜上所述，在結(jié)構(gòu)內(nèi)力上，屋頂構(gòu)架與常規(guī)構(gòu)架差異較大，主要受力構(gòu)件尺寸規(guī)格及節(jié)點位移均大于常規(guī)構(gòu)架；變電構(gòu)架置于綜合樓屋頂時，上部屋頂構(gòu)架在動力反應(yīng)特性上對下部綜合樓建筑結(jié)構(gòu)影響不大；屋頂構(gòu)架-GIS綜合樓在Taft地震波作用下，構(gòu)件位移結(jié)構(gòu)中的高度越大其位移越大，位移最大構(gòu)件位于屋頂構(gòu)架柱頂端地線支架處；屋頂構(gòu)架-GIS綜合樓屬于上柔下剛結(jié)構(gòu)，上部屋頂構(gòu)架地震反應(yīng)特性較大，為防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)動力失穩(wěn)，在設(shè)計時應(yīng)注重加強屋頂構(gòu)架的側(cè)向剛度；屋頂構(gòu)架-GIS綜合樓在Taft地震波作用下，連接節(jié)點為屋頂構(gòu)架的應(yīng)力最大處，設(shè)計時應(yīng)注意加強連接節(jié)點的強度。

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(編輯劉曉燕)

Research on the Structural Property and Seismic Performanceof the 220 kV Roof Frame-GIS Complex Building

WANG Tinghua1, HUANG Zheng1, DING Jinghong1, XU Gan2, GU Weihua3, ZHANG Dachang3

(1. State Grid Jiangsu Economics Research Institute, Nanjing 210008, Jiangsu;2. State Grid Jiangsu Electric Power Company Zhenjiang power Supply Company, Zhenjiang 212002, China;3. College of Civil Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China)

In order to research the whole seismic performance of the new indoor substation roof frame-GIS complex building, the finite element models of the conventional frame and roof frame are made. Considering the uniform up and down stiffness of the roof frame-GIS building, the seismic response of the structure system which has an upper and lower structure interaction is made. The vibration characteristics and dynamic characteristics could be concluded by the modal and time-history analysis. By comparing and analyzing these numerical results, it can be seen that the lateral stiffness and the connection node of the new indoor substation roof frame should be strengthened.

roof frame-GIS building; dynamic characteristics; time-history analysis

王庭華

2017-04-23；

2017-05-29

國家電網(wǎng)公司2016年科技項目(戶內(nèi)變電站屋頂構(gòu)架應(yīng)用研究)

TM 632+.1

：A

：2096-3203(2017)05-0076-05

王庭華(1967—)，男，江蘇南京人，高級工程師，從事結(jié)構(gòu)工程研究(E-mail: zouxiaoyue587@sohu.com)；

黃 崢(1980—)，男，江蘇南京人，高級工程師，從事電網(wǎng)工程設(shè)計及相關(guān)研究工作；

丁靜鵠(1984—)，男，江蘇南京人，博士，從事電網(wǎng)工程設(shè)計及相關(guān)研究工作；

徐 淦(1983—)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，高級工程師，從事電網(wǎng)工程設(shè)計及相關(guān)研究工作；

顧偉華(1993—)，男，江蘇鹽城人，碩士研究生，從事變電土建領(lǐng)域的研究工作；

張大長(1971—)，男，浙江紹興人，教授，博士，從事土木工程相關(guān)研究及教學(xué)工作(E-mail: dczhangchina@163.com)。