商文念，劉小云，劉建秋，龔 俊，支旭東

( 1. 山東電力工程咨詢院有限公司，濟南 250013；2. 哈爾濱工業(yè)大學 土木工程學院，哈爾濱 150090)

地震對于建筑結構來說是一種破壞性極強的自然災害，作為變電站重要組成部分的進線構架，起著支承電力設備及承受導線拉力等作用，如若在地震中發(fā)生嚴重破壞或倒塌而出現(xiàn)電路中斷現(xiàn)象，將導致大面積的電力缺口，因此保障進線構架的地震安全、維持其功能對于抗震救災至關重要。當前進線構架的設計仍是采用“三水準、兩階段”的傳統(tǒng)方法，這基本可以保障結構在主震下不發(fā)生倒塌，但在余震作用時可靠度明顯不足，且近些年的強震記錄多超出了場地的設防烈度，這說明變電站等重要基礎設施的抗震能力應被給予更高的要求。對結構開展地震易損性分析，可實現(xiàn)對進線構架在不同預期地震作用下失效概率的評估，并充分考慮地震變異性的影響，再結合基于性能的抗震設計思想可實現(xiàn)對結構地震災害的預測與控制。

地震易損性最早應用于核電站的抗震研究，然后廣泛應用于建筑結構和橋梁工程[1-3]。變電站關于易損性的研究發(fā)展相對較晚，如Carlo C等[4]針對氣體絕緣高壓變電站做了地震風險評估，提出了利用損傷曲線評估變電站抗震性能的方法；Brain T等[5]研究了高壓變電站的地震易損性和設備優(yōu)化等方面，提供了歷史高壓變電站抗震性能的簡要概述，分析了變電站各組成部分的地震易損性并提出了優(yōu)化策略；蔣鳳梅[6]通過考慮結構—電氣設備相互作用對大型變電站進行了地震易損性研究，研究結果表明，在已知變電站遭受地震的地面峰值加速度、電氣設備的擺放形式和電氣設備—主體結構質量比時，可用地震易損性曲線評估變電站在地震作用下的失效概率。學者們主要以電氣設備為對象開展變電站地震易損性研究，未對構支架開展詳細的研究，而構支架起到支撐設備的作用，其倒塌破壞也會造成電路中斷的后果。

在構架方面，張凱等[7]利用模糊綜合評判原理，提出標準化的處理方法，對大型變電構架的可靠性進行了評判；司建輝等[8]針對750 kV格構式變電構架K形節(jié)點進行了足尺試驗及有限元仿真分析，設計荷載下結構仍處于彈性工作狀態(tài)，1.5倍設計荷載下，結構仍然安全；任源[9]提出了使用H型鋼作為人字柱主材以及4跨構架移除端撐的構架形式，研究發(fā)現(xiàn)此種結構形式在結構強度、剛度、整體穩(wěn)定性以及抗震能力方面均優(yōu)于常規(guī)構架；燕正強等[10]定性地對比了國內外常用變電站構架的結構形式，對結構形式的選取提出建議；常偉等[11]比較了不同法蘭厚度的節(jié)點在相同荷載作用下的應力分布和受力特點，為法蘭盤的設計和優(yōu)化提供了理論依據(jù)；邱雪蓮[12]研究了端撐對構架靜力和動力特性的影響，發(fā)現(xiàn)端撐能有效減小結構變形，提高結構剛度；張哲等[13]以某變電站高型構架為例，開展了模態(tài)分析及動力特性分析，研究表明傳統(tǒng)變電構架整體剛度較小，各個構件之間的相互聯(lián)系較為薄弱；秦志偉[14]以鋼結構變電構架為例，對其受損(碳化、銹蝕、鋼材彎曲和凹陷等)前后的動力特性進行了研究，提出了損傷診斷方法；李蔚英[15]針對500 kV變電站的鋼結構變電構架進行了未損和受損情況下的動力特性分析，發(fā)現(xiàn)支柱對于損傷非常敏感，加劇了構架發(fā)生地震破壞的危險；逄錦鵬[16]以某變電站3種典型的兩跨變電構架為例，開展了基于概率靈敏度技術的可靠性研究。綜上可見，針對變電構架的研究主要集中在結構優(yōu)化選型與常規(guī)動力分析，地震易損性的研究成果還很少。

本文選取某特高壓變電站500 kV進線構架，研究了進線構架在強震下的失效機理，在此基礎上定義了結構的性能目標，通過大量分析獲得了結構的地震易損性，實現(xiàn)了該類結構的抗震性能評估。

1 有限元模型

以某實際特高壓變電站500 kV進線構架為例，結構幾何尺寸為單跨跨度26 m，共4跨(104 m)，總高40 m，梁標高24 m，梁高3 m。結構形式為柱子采用A字柱及端撐、梁采用格構體系，地震作用標準值取1.0恒荷+0.5活荷的形式形成集中質量；材料為Q345B級鋼材，鋼材的本構模型假定為理想彈塑性，所建立的有限元模型見圖1。

2 構架的強震失效機理

采用基于多重響應的全荷載域增量動力時程分析方法(IDA)[17]，結構阻尼比取0.02，首先取TAFT地震波3向輸入，3個輸入方向的幅值按文獻[18]調整為X∶Y∶Z=1∶0.65∶0.85。構架隨地震強度增加的響應過程見圖2。由圖2可見，隨著荷載的增大，結構端部A字柱最先進入屈服，當PGA達到2.1g時，端部A字柱桿件變形已經相當明顯(圖2(c))，結構損壞嚴重，若地震強度再微小增加，結構端柱即發(fā)生倒塌(圖2(d))。大量算例的破壞過程均與以上相同，破壞均發(fā)生在端部A字柱的柱腳桿件，因此本文定義了端部A字柱柱腳桿件的偏角θ作為評價結構破壞程度的指標，定義方式見圖2(c)。以偏角θ為結構破壞程度的指標，輸入TAFT地震波為例，計算結果見圖3。

圖1 500 kV進線構架有限元模型Fig.1 Finite element model of 500 kV substation frames

圖2 TAFT 3向激勵下結構變形Fig.2 Deformation pattern of the structure under TAFT with three directions

圖3 TAFT地震波激勵分析結果Fig.3 Results of seismic calculation under TAFT

圖4 Santa Barbara作用下偏轉角θ的全過程曲線Fig.4 Whole process curve of θ under Santa Barbara

根據(jù)圖3(a)分析發(fā)現(xiàn)，在PGA=0.605g之前，偏轉角θ呈線性變化，結構此階段處于彈性范圍；在PGA∈(0.605g，1.705g)區(qū)間時，曲線斜率略為減小，剛度有所下降，結構中已經有桿件進入塑性；當PGA∈(1.705g，2.055g)區(qū)間時，曲線斜率以減小的趨勢呈非線性變化，結構剛度削弱嚴重，如圖3(b)中2號和3號曲線所示，此階段的節(jié)點位移時程曲線已經嚴重偏離平衡位置，說明結構損傷嚴重；當PGA> 2.055g時，時程曲線發(fā)散，結構剛度幾乎衰減到零，不能繼續(xù)承載，如圖3(b)中4號曲線所示，可判定結構倒塌，仿真中獲得的倒塌變形模式見圖3(c)。Santa Barbara地震動作用下的偏轉角θ全過程曲線見圖4，除各階段的PGA數(shù)值不同，其余的規(guī)律也都一致。

根據(jù)以上分析可見，該進線構架在失效之前一些桿件經歷了較為充分的塑性發(fā)展，不屬于脆性破壞；結構X向(縱向)相對Y向(橫向)較為薄弱，端部A字柱的柱腳破壞起到整個結構倒塌的控制作用；結構失效模式表現(xiàn)為在逐漸增大的地震荷載激勵下，結構端部A字柱柱腳率先進入塑性，并逐漸深入，變形加劇，導致端部A字柱率先倒塌傾覆，進而使得整個進線構架倒塌失效。

3 進線構架的性能目標

根據(jù)上節(jié)對500 kV進線構架的強震失效分析，參照文獻[19]，定義了進線構架地震損傷等級劃分標準及性能水準見表1。500 kV進線構架在特高壓變電站中起著重要的作用，是維持電力供應的關鍵環(huán)節(jié)，其設計要求應高于普通建筑物。基于文獻[20]，在設計中可取進線構架基于性能的抗震設計目標見表2。

如果將表2中的5個等級和4個臨界狀態(tài)標示在用偏角θ繪制的全過程曲線中，則大致如圖5(圖中每條曲線代表一個地震作用的算例)；每個臨界狀態(tài)的中位值和變異系數(shù)統(tǒng)計見表3，進線構架各極限狀態(tài)的損傷程度見圖6。

為了方便應用，將表3中的各臨界狀態(tài)的中位值進行調整，調整后的各參數(shù)取值見圖5，進而劃分500 kV進線構架性能目標見表4。

表1 500 kV進線構架破壞等級劃分及性能水準

表2 500 kV進線構架基于性能的抗震設計目標

圖5 性能目標劃分Fig.5 Division of performance targets

圖6 各臨界狀態(tài)對應的損傷程度Fig.6 Degree of damage at each critical state

表3 各臨界狀態(tài)計算值

表4 500 kV進線構架的性能目標

4 進線構架的性能目標

地震易損性是指結構在某一給定危險性水平的地震作用下地震需求D達到或超過結構抗力C的條件概率，是結構的本身屬性[21]。其中結構地震需求和抗力均服從對數(shù)正態(tài)分布，基于地震動強度的地震易損性函數(shù)[22]：

(1)

式中μC為以地震動參數(shù)表示的結構抗力的中位值；σC為以地震動參數(shù)表示的結構抗力對數(shù)標準差。

其中μC和σC可以通過式(2)和式(3)確定：

(2)

(3)

式中mC為不同臨界狀態(tài)下的能力平均值；δC為不同臨界狀態(tài)下的能力變異系數(shù)。

基于上節(jié)定義的500 kV進線構架性能目標和各臨界狀態(tài)的建議取值， 選取40條[23]遠場且震級較大的地震記錄，場地類別屬于Ⅱ類場地。采用IDA方法獲得結構性能目標所對應每一條記錄的地震動強度，采用式(2)和式(3)進行統(tǒng)計分析，獲得結構基于地震動強度的地震抗力統(tǒng)計值見表5。

表5 500 kV進線構架基于地震動強度的地震抗力統(tǒng)計值

圖7 500 kV進線構架地震易損性曲線Fig.7 Seismic vulnerability curve of 500 kV substation frames

據(jù)此，繪制500 kV進線構架各臨界狀態(tài)的易損性曲線見圖7。由圖7可見，按照基于性能的抗震設計目標驗證結構的易損性，結構在8度多遇地震(0.07g)作用下保證完好的概率為100%；8度基本地震(0.21g)作用下保證輕微破壞的概率為100%；8度罕遇地震(0.40g)作用下保證中等破壞的概率為100%；8度極罕遇地震(0.60g)作用下保證嚴重破壞的概率為99.8%。因此結構滿足基于性能的抗震設計目標。圖7中完好和輕微破壞的區(qū)域比較飽和，中等破壞和嚴重破壞區(qū)域狹窄，特別是嚴重破壞區(qū)域。說明結構的整體剛度和強度較大，在彈性范圍內能抵抗較大地震力；結構在輕微破壞區(qū)域進入塑性，且塑性發(fā)展逐漸深入；在中等破壞區(qū)域，損傷迅速發(fā)展，結構很快進入嚴重破壞甚至倒塌。在塑性發(fā)展后期結構損傷過于迅速，因此在強震驗算時應以輕微破壞為目標進行驗算。

5 結 論

本文采用以基于性能的抗震設計思想與地震概率易損性相結合的抗震性能評估方法，對特高壓變電站500 kV進線構架開展了全荷載域時程分析和易損性分析，得出如下結論：①結構失效之前經歷了充分的塑性發(fā)展，屬于延性破壞;②結構端部A字柱的柱腳破壞起到整個結構倒塌的控制作用，失效表現(xiàn)為端部A字柱率先倒塌傾覆引起整個進線構架倒塌;③通過易損性分析發(fā)現(xiàn)結構滿足本文提出的基于性能的抗震設計目標;④結構整體剛度和強度較大，在彈性范圍內能抵抗較大地震力，塑性發(fā)展較為深入，在塑性發(fā)展后期結構損傷過于迅速，在強震驗算時應以輕微破壞為目標進行驗算。

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