林康立，楊大峰，張 亞，舒前進(jìn)，曹 聰

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇電力設(shè)計(jì)咨詢有限公司徐州勘測(cè)設(shè)計(jì)分公司，江蘇徐州 221000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇徐州 221116）

特高壓直流輸電具有輸送距離遠(yuǎn)、電能損耗低等顯著優(yōu)勢(shì)。而換流站作為大型輸電線路的重要組成部分，一旦受到強(qiáng)烈地震作用，避雷器、接地開(kāi)關(guān)以及套管等電氣設(shè)備極容易發(fā)生損壞[1]，從而導(dǎo)致整個(gè)電力系統(tǒng)進(jìn)入癱瘓。自20 世紀(jì)60 年代以來(lái)，換流站的地震災(zāi)害幾乎貫穿于每一次地震中。近些年來(lái)，因我國(guó)及周邊地區(qū)強(qiáng)震震級(jí)更大，地震次數(shù)也較為頻繁。且換流站站址分布較散，有些還處于高地震烈度地區(qū)。因此，換流站電力基礎(chǔ)設(shè)施的地震易損性極高。閥廳結(jié)構(gòu)作為換流站內(nèi)的核心建筑物，其服役時(shí)間長(zhǎng)，主要承擔(dān)著保護(hù)室內(nèi)換流閥塔及其他電氣設(shè)備的功能，除了需要保障規(guī)范要求的“小震不壞，中震可修，大震不倒”外，更應(yīng)該滿足現(xiàn)代社會(huì)快速發(fā)展對(duì)換流站結(jié)構(gòu)的抗震性能所提出的更高要求。且閥廳本身還會(huì)對(duì)內(nèi)部電氣設(shè)備起到一個(gè)較大的地震放大作用。因此，本文針對(duì)閥廳體系的抗震性能，分別從閥廳主結(jié)構(gòu)、懸吊類設(shè)備、支撐類設(shè)備3 個(gè)方面分別闡述閥廳體系的抗震性能研究進(jìn)展，并指出目前研究所存在的局限性及未來(lái)可能的研究方向，以期為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定發(fā)展提供參考。

1 閥廳體系抗震分析方法

閥廳體系作為生命線工程，且大部分閥廳位于7度及以上地區(qū)，按照GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]，對(duì)于此類建筑，必須進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。閥廳體系的抗震分析方法主要分為反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法。

反應(yīng)譜法是將多自由度體系下的結(jié)構(gòu)振動(dòng)微分方程進(jìn)行單獨(dú)分解計(jì)算，從而得到單自由度體系的位移、速度、加速度等變量并進(jìn)行組合，采用SRSS 法得到結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。這是一種將動(dòng)力問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)殪o力問(wèn)題的計(jì)算方法，其具有計(jì)算簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。其局限性主要體現(xiàn)在2 個(gè)方面。一是該方法只能計(jì)算結(jié)構(gòu)在彈性工作范圍內(nèi)的內(nèi)力變化。而閥廳在強(qiáng)震作用下，構(gòu)件可能會(huì)屈服進(jìn)入塑性狀態(tài)，反應(yīng)譜法無(wú)法直接使用；二是反應(yīng)譜法無(wú)法體現(xiàn)閥廳在整個(gè)地震過(guò)程中的響應(yīng)特點(diǎn)，只能得到閥廳體系在地震作用下的最大響應(yīng)。因此，該方法用來(lái)評(píng)估閥廳體系的整體抗震性能，準(zhǔn)確性欠佳。

另一種方法則是時(shí)程分析法，也是目前主流的閥廳抗震分析方法。這是一種基于數(shù)值積分的抗震分析方法，可以準(zhǔn)確反映閥廳體系在地震作用下每一時(shí)刻的動(dòng)力特性，并且可以反應(yīng)結(jié)構(gòu)在塑性狀態(tài)下的抗震性能，具有顯著的優(yōu)越性。時(shí)程分析法主要需要考慮兩方面的因素：地震波的選取和地震波施加方向的確定。參考GB 50260—2013《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]，采用時(shí)程分析法時(shí)：選取的地震動(dòng)應(yīng)滿足地震波的3 要素；且輸入的地震動(dòng)時(shí)程曲線不應(yīng)少于3 條，其中至少應(yīng)有1 條為人工合成地震動(dòng)。反應(yīng)譜宜選用規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜作為場(chǎng)地需求譜，且選取的地震動(dòng)反應(yīng)譜應(yīng)能基本包絡(luò)場(chǎng)地需求譜。在地震波施加方向的選擇上，依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]，對(duì)于質(zhì)量和剛度分布不規(guī)則的建筑，應(yīng)考慮雙向地震作用；對(duì)于8 度、9度地區(qū)跨度大于18 m 的建筑，應(yīng)考慮豎向地震作用。因此，閥廳的抗震分析往往是基于三向地震作用下的時(shí)程分析，三向加速度峰值比按規(guī)范[2]宜取為1∶0.85∶0.65。

上述的2 種方法是目前的常用的閥廳體系抗震分析方法，能夠較好地反應(yīng)結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。未來(lái)可在已有方法的基礎(chǔ)上結(jié)合BIM、大數(shù)據(jù)等對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步數(shù)值分析，以提高結(jié)構(gòu)的安全可靠度。

2 閥廳主結(jié)構(gòu)的抗震性能

2.1 閥廳主結(jié)構(gòu)的選型研究

閥廳結(jié)構(gòu)形式主要有全鋼結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土結(jié)構(gòu)及全混凝土結(jié)構(gòu)。全混凝土結(jié)構(gòu)在水平地震作用下抗震性能較差，一般不予采用。另外2 種結(jié)構(gòu)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，需要針對(duì)閥廳所在場(chǎng)地進(jìn)行進(jìn)一步地選型研究。

張立紅等[4]比選了±800 kV 混合結(jié)構(gòu)高端閥廳及全鋼結(jié)構(gòu)閥廳，發(fā)現(xiàn)混合結(jié)構(gòu)閥廳的基頻低于全鋼結(jié)構(gòu)。且在地震作用下，混合結(jié)構(gòu)閥廳本身及閥塔的加速度和位移響應(yīng)均大于全鋼結(jié)構(gòu)。全鋼結(jié)構(gòu)相比于混合結(jié)構(gòu)擁有更均勻的剛度分布及更好的抗震性能，在高烈度地區(qū)，宜優(yōu)先選用全鋼結(jié)構(gòu)。張玉明等[5]對(duì)高端閥廳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作了研究，研究發(fā)現(xiàn)：全鋼結(jié)構(gòu)具有受力明確、施工方便、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，但其抗側(cè)移剛度較弱。而混合結(jié)構(gòu)可以發(fā)揮混凝土抗側(cè)移剛度大的優(yōu)勢(shì)，但存在扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯的問(wèn)題。顧群等[6]則是對(duì)混合結(jié)構(gòu)閥廳的剪力墻形式作了比較研究。研究表明，與橫向防火墻脫開(kāi)布置的縱向T 型截面抗震墻混合結(jié)構(gòu)，平面布置較為規(guī)則，質(zhì)心與剛心的偏差較小，較適合于高烈度區(qū)的結(jié)構(gòu)抗震。

綜上，常用的2 種結(jié)構(gòu)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，但大部分閥廳仍以混合結(jié)構(gòu)為主，對(duì)于全鋼結(jié)構(gòu)的閥廳研究較少，全鋼結(jié)構(gòu)連同換流變側(cè)防火墻耦聯(lián)體系的結(jié)構(gòu)整體受力機(jī)理以及地震作用下結(jié)構(gòu)的抗震性能值得考察。

2.2 閥廳主結(jié)構(gòu)的地震時(shí)程分析研究

閥廳結(jié)構(gòu)是一種內(nèi)部帶有懸掛質(zhì)量的廠房結(jié)構(gòu)，其自身的安全性能對(duì)于保障閥廳內(nèi)電氣設(shè)備的安全運(yùn)行至關(guān)重要。目前的研究主要采用有限元模擬及振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)等手段，來(lái)模擬閥廳在各種工況下的抗震性能。

在有限元地震時(shí)程分析上，韋文兵等[7]運(yùn)用彈塑性時(shí)程分析研究了不同場(chǎng)地土條件和地震動(dòng)作用對(duì)閥廳及懸吊設(shè)備地震響應(yīng)的影響。他們發(fā)現(xiàn)閥廳結(jié)構(gòu)和懸吊設(shè)備地震響應(yīng)隨著場(chǎng)地土特征周期的增大而增大。陸祝賢等[8]分析了閥廳在不同類型地震動(dòng)作用下的易損性，建立了閥廳在不同類型地震動(dòng)下的易損性曲線方程。吳嘉欣等[9]針對(duì)高端閥廳二階振型常發(fā)生扭轉(zhuǎn)的問(wèn)題，提出了4 種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案；他發(fā)現(xiàn)可通過(guò)采用輕質(zhì)混凝土砌塊或通過(guò)加大剪力墻、構(gòu)造柱和圈梁的截面尺寸以改善閥廳的扭轉(zhuǎn)陣型。魯翔等[10]開(kāi)展了某高端閥廳及閥組的動(dòng)力特性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及在強(qiáng)震作用下的時(shí)程響應(yīng)分析，發(fā)現(xiàn)閥廳鋼柱頂部、穿墻套管安裝位置的加速度動(dòng)力放大系數(shù)較大，但全鋼結(jié)構(gòu)的最大構(gòu)件內(nèi)力遠(yuǎn)小于材料屈服應(yīng)力。鄧夕勝等[11]對(duì)隨機(jī)地震作用下的高端閥廳進(jìn)行了非線性可靠度研究，他們發(fā)現(xiàn)閥塔對(duì)閥廳結(jié)構(gòu)的整體剛度影響不大，且在高烈度地區(qū)采用全鋼結(jié)構(gòu)閥廳更安全。

與數(shù)值模擬相比，大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)更能直觀反應(yīng)閥廳體系的整體抗震性能，揭示結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)。但由于閥廳電氣設(shè)備價(jià)格昂貴，且設(shè)備尺寸和質(zhì)量均較大，難以廣泛開(kāi)展足尺振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。因此，學(xué)者們通常通過(guò)白噪聲掃頻、地震動(dòng)激勵(lì)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等手段進(jìn)行縮尺振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，分析結(jié)構(gòu)的抗震性能并與有限元模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而評(píng)估閥廳體系的抗震能力。魏文暉等[12]進(jìn)行了1/8 縮尺模型混合結(jié)構(gòu)閥廳模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)閥塔對(duì)閥廳結(jié)構(gòu)影響較小，但在高烈度區(qū)的閥廳抗震設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮閥塔動(dòng)拉力。此外，其還對(duì)水平-搖擺地震作用下的懸吊質(zhì)量結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)[13]，發(fā)現(xiàn)懸掛質(zhì)量體系對(duì)搖擺地震的響應(yīng)大于單一水平地震動(dòng)。

綜上所述，對(duì)于全鋼結(jié)構(gòu)形式的閥廳，在對(duì)閥廳進(jìn)行地震時(shí)程分析時(shí)，現(xiàn)有的研究大都沒(méi)有考慮一側(cè)防火墻對(duì)其抗震性能的影響；且部分文獻(xiàn)未考慮豎向地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)[6，9-10]，具有一定的局限性。未來(lái)可針對(duì)高烈度地震區(qū)的閥廳進(jìn)行包含內(nèi)部電氣設(shè)備及連接管母線的耦聯(lián)建模，進(jìn)行基于不同地震主作用方向的地震彈塑性分析，為高烈度區(qū)閥廳的抗震設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參考。

2.3 閥廳與防火墻連接節(jié)點(diǎn)力學(xué)與抗震性能研究

在防火墻與閥廳的連接節(jié)點(diǎn)性能研究上，目前的研究主要集中于鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)的閥廳以及嵌入式防火墻的研究。

熊利劍[14]進(jìn)行了鋼-混結(jié)構(gòu)閥廳的鋼屋架與框架防火墻連接節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)與數(shù)值分析，得到了屋架與防火墻連接節(jié)點(diǎn)的全階段受力特征，提出了鋼屋架與防火墻連接節(jié)點(diǎn)的計(jì)算方法及構(gòu)造措施。魏文暉等[15]進(jìn)行了閥廳鋼屋架與鋼筋混凝土剪力墻連接節(jié)點(diǎn)的縮尺模型的低周往復(fù)荷載試驗(yàn)，提出了該類節(jié)點(diǎn)的水平承載力計(jì)算公式。陳凱[16]進(jìn)行了鋼筋混凝土剪力墻-鋼結(jié)構(gòu)的閥廳的防火墻與鋼屋架連接節(jié)點(diǎn)的數(shù)值模擬，得到了不同摩擦系數(shù)下預(yù)埋螺栓抗剪連接內(nèi)力和位移的變化規(guī)律。周俊[17]提出了一種嵌入式裝配防火墻閥廳預(yù)留有墻板插槽的現(xiàn)澆混凝土異形柱的新型柱節(jié)點(diǎn)連接形式，并基于擬靜力試驗(yàn)驗(yàn)證了其耗能能力。

由此可見(jiàn)，在防火墻與閥廳鋼屋架的連接節(jié)點(diǎn)性能研究中，節(jié)點(diǎn)的連接形式及螺栓的力學(xué)與抗震性能研究較多。但研究的閥廳類型較為單一。日后的研究方向可側(cè)重于鋼屋架與混凝土梁連接處的隔震支座研究及全鋼結(jié)構(gòu)閥廳屋架與防火墻的連接節(jié)點(diǎn)研究。

3 懸吊類設(shè)備的抗震性能

閥廳內(nèi)的懸吊類設(shè)備主要為閥塔、穿墻套管和避雷器。閥塔通過(guò)豎向懸吊絕緣子懸掛于閥廳的掛閥梁上，其質(zhì)量較大，具有高和柔的特點(diǎn)。而穿墻套管則是通過(guò)安裝板加裝于閥廳山墻上，屬于典型的長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)，且材料呈現(xiàn)脆性，導(dǎo)致其在地震作用下都極易發(fā)生損壞且無(wú)法第一時(shí)間進(jìn)行修復(fù)或更換。因此，研究人員對(duì)這些設(shè)備的抗震性能作了分析。

3.1 懸吊閥塔的抗震性能

懸吊閥塔作為一個(gè)質(zhì)量擺體系，從抗震角度來(lái)講，它對(duì)閥廳的抗震是有利的。但因其自身的動(dòng)力特性及受閥廳內(nèi)管母線牽拉的影響，在地震作用下會(huì)存在一定的耦聯(lián)效應(yīng)。目前的研究主要是從懸吊體系理論計(jì)算方法、有限元時(shí)程分析以及閥塔的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力測(cè)試及振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)3 個(gè)方面展開(kāi)。

在懸吊體系理論計(jì)算方法研究中，魏文暉等[18]推導(dǎo)了考慮閥塔晃動(dòng)離心力的閥廳結(jié)構(gòu)動(dòng)力時(shí)程計(jì)算方程，得到了塔索動(dòng)拉力的變化規(guī)律。Yang 等[19]將閥廳和閥塔視為一種具有水平和垂直自由度的集中質(zhì)量，提出了一種閥塔四自由度簡(jiǎn)化模型，提出了相應(yīng)計(jì)算方法。

在有限元時(shí)程分析方面，目前研究主要集中于不同地震烈度地震動(dòng)作用下閥塔絕緣子的動(dòng)拉力，閥塔各部位的應(yīng)力、加速度及位移響應(yīng)等。焦勇等[20]研究發(fā)現(xiàn)懸掛閥塔在水平地震作用下對(duì)閥廳作用力較小，而在豎向地震作用下對(duì)閥廳地震作用力較大。吳小峰等[21]和于海波等[22]基于反應(yīng)譜法的地震響應(yīng)分析，得出了影響閥塔地震響應(yīng)的主要振型及閥塔在8 度設(shè)防地震作用下的位移響應(yīng)。劉宗輝等[23]等研究發(fā)現(xiàn)閥塔重量的變化對(duì)閥廳結(jié)構(gòu)影響不大，但在豎向地震作用下懸吊閥與閥廳存在顯著的相互作用。在閥塔層與層的連接方式上，陸軍等[24]對(duì)層間鉸接及層間剛接的換流閥塔進(jìn)行了地震響應(yīng)分析，發(fā)現(xiàn)層間鉸接可以有效減少懸吊絕緣子的軸向拉力，但會(huì)增強(qiáng)閥塔頂部的水平加速度響應(yīng)；在地震作用下，可能導(dǎo)致絕緣子受壓不同步，建議抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)懸吊絕緣子進(jìn)行受壓失穩(wěn)驗(yàn)算。

在閥塔的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力測(cè)試及振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究方面，魯翔等[10]開(kāi)展了某高端閥廳及閥組的動(dòng)力特性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及分析，發(fā)現(xiàn)閥塔表現(xiàn)為低頻柔性擺動(dòng)，提出在建模時(shí)可忽略閥塔剛度對(duì)閥廳的耦合效應(yīng)。張偉為等[25]對(duì)某型縮尺換流閥進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)閥廳對(duì)閥塔存在動(dòng)力放大效應(yīng)，但閥塔各層之間加速度變化幅度不大，懸吊絕緣子中間截面存在彎曲及扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

目前，針對(duì)閥塔的研究雖已有較多成果，但仍存在一些局限性。一方面，是沒(méi)有考慮閥塔與閥廳內(nèi)柔性管母線的耦合作用，其在地震作用下，可能發(fā)生變形不協(xié)調(diào)導(dǎo)致?tīng)坷茐腫10]。另一方面，部分文獻(xiàn)忽略了豎向地震對(duì)閥塔的影響[18]。針對(duì)目前的研究現(xiàn)狀及存在的局限性，未來(lái)的研究可關(guān)注不同地震主方向的三向地震作用下閥塔的地震響應(yīng)分析以及在豎向地震作用下懸吊絕緣子的破壞條件及相應(yīng)的位移限值等，進(jìn)而在目前進(jìn)行強(qiáng)度校核的基礎(chǔ)上提出閥塔的位移限值校核標(biāo)準(zhǔn)，保證換流閥塔在強(qiáng)震作用下的安全運(yùn)行。

3.2 穿墻套管的抗震性能

穿墻套管是連接內(nèi)部閥廳和外部直流場(chǎng)的重要電氣設(shè)備，是直流輸電系統(tǒng)中的關(guān)鍵。穿墻套管自身的抗震性能及套管的地震易損性，是當(dāng)前研究的側(cè)重點(diǎn)所在。

在套管的抗震性能研究上，王曉游等[26]對(duì)±800 kV穿墻套管進(jìn)行了地震時(shí)程分析，提出了在穿墻套管根部布置金屬摩擦阻尼器的減震方案，發(fā)現(xiàn)減震器可以顯著減少套管的根部應(yīng)力及頂部加速度響應(yīng)。Roberto等[27]通過(guò)對(duì)安裝在變壓器上的套管進(jìn)行研究，得到了套管基座處的運(yùn)動(dòng)放大系數(shù)。唐云等[28]對(duì)穿墻套管進(jìn)行了動(dòng)力特性分析。發(fā)現(xiàn)套管頂部加速度存在明顯的放大效應(yīng)，而法蘭加勁肋可有效降低套管的軸向加速度峰值。He 等[29]研究了不同振動(dòng)分量對(duì)套管地震響應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)山墻的振動(dòng)對(duì)穿墻套管地震響應(yīng)具有顯著影響。Xie 等[30]對(duì)直流穿墻套管進(jìn)行了抗震性能分析，發(fā)現(xiàn)其在地震作用下的最大應(yīng)力超出我國(guó)規(guī)范限值，其提出了在安裝板與山墻連接處布置摩擦彈簧阻尼器的的耗能措施。Xie 等[31]還針對(duì)穿墻套管在地震響應(yīng)下套管壁安全裕度不足的問(wèn)題，提出了提高連接套筒剛度以減少相對(duì)位移的建議。

在地震易損性研究中，F(xiàn)abrizio 等[32]提出了基于EFA 的評(píng)估方法來(lái)評(píng)價(jià)電氣設(shè)備的地震易損性。Seyed等[33-34]建立了變壓器套管輕度和中度2 種損傷狀態(tài)下的地震易損性曲線。梁黃彬等[35]采用多樣條的易損性分析方法，分析了套管的抗震薄弱位置，得到了穿墻套管的地震易損性曲線。

根據(jù)目前的研究來(lái)看，穿墻套管的振型表現(xiàn)為沿某個(gè)方向的同向或異向彎曲。在地震作用下，最大應(yīng)力往往出現(xiàn)在套管根部。外套管的脆性使其在地震作用下容易產(chǎn)生較大彎矩，導(dǎo)致瓷套管強(qiáng)度不足而斷裂。在穿墻套管的模擬中，有些未考慮套管與墻體存在的轉(zhuǎn)角[29]，認(rèn)為法蘭與地面具有相同的運(yùn)動(dòng)方式并且也未考慮與套管相連的管母線對(duì)其的影響，存在一定的不足。

3.3 避雷器的抗震性能

對(duì)于避雷器，余榮興等[36]建立了復(fù)合避雷器-支架體系的有限元模型，分析了復(fù)合避雷器套管與法蘭連接段的抗彎剛度特性。發(fā)現(xiàn)地震作用下，避雷器具有應(yīng)力冗余度高但位移響應(yīng)較大的特點(diǎn)，并提出了減小避雷器頂部位移的一些構(gòu)造措施。Sheng 等[37]進(jìn)行了陶瓷避雷器-鋼支撐體系的時(shí)程分析及參數(shù)研究，其發(fā)現(xiàn)避雷器鋼支撐的抗彎剛度設(shè)計(jì)取決于設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的轉(zhuǎn)角周期。張咪等[38]分析了750 kV 避雷器頂部集中質(zhì)量、不同高度套管彎曲剛度、連接法蘭彎曲剛度、支架剛度等因素對(duì)避雷器地震響應(yīng)的影響，提出了減少避雷器套管根部應(yīng)力和頂部位移響應(yīng)的具體措施。而對(duì)于避雷器，上述文獻(xiàn)關(guān)于復(fù)合套管法蘭連接段采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，未考慮膠裝部位預(yù)應(yīng)力和相對(duì)滑移[36]，存在一定的局限性。

4 支撐類設(shè)備的抗震性能

支柱絕緣子及柔性管母線屬于支撐類設(shè)備。通常其相互形成耦聯(lián)體系，具有高度大、結(jié)構(gòu)柔、重心高等特點(diǎn)，地震作用下容易造成根部斷裂以及移位。而以往的支柱絕緣子采用陶瓷類材料，該材料脆性大、強(qiáng)度低，具有較大的地震易損性。近年來(lái)，隨著新材料的發(fā)展，支柱絕緣子主體結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)度玻璃纖維復(fù)合材料，外部則采用硅膠傘裙進(jìn)行包裹，具有良好的力學(xué)性能。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)這種復(fù)合支柱絕緣子及管母的計(jì)算方法、抗震性能進(jìn)行了大量研究。

在計(jì)算方法的研究上，Mohammadi 等[39]通過(guò)對(duì)變電站互感器的地震時(shí)程分析，提出了一種適用于適合支撐結(jié)構(gòu)的四自由度系統(tǒng)，給出了計(jì)算不同支柱類設(shè)備基頻的計(jì)算公式并驗(yàn)證了其可靠性。謝強(qiáng)等[40]對(duì)復(fù)合支柱絕緣子單體及耦聯(lián)體系進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，提出了一種可將與管母耦聯(lián)的設(shè)備約束等效為線性彈簧的簡(jiǎn)化計(jì)算方法。

在支柱絕緣子與管母線的互聯(lián)體系抗震性能研究中，朱祝兵等[41]研究了地震作用下復(fù)合材料電氣設(shè)備間的地震響應(yīng)規(guī)律，得到了導(dǎo)線剛度和設(shè)備剛度變化對(duì)互連設(shè)備抗震性能的影響規(guī)律。Qi 等[42]分析了220 kV變電站支柱式管母線結(jié)構(gòu)互連溫度構(gòu)件的結(jié)構(gòu)性能及管母線絕緣子子結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的動(dòng)力相互作用，提出了絕緣子危險(xiǎn)狀態(tài)的臨界加速度。Siamak 等[43]得到了復(fù)合支柱絕緣子不同損傷狀態(tài)下的力學(xué)行為并建立了其計(jì)算模型。張玥等[44]建立了支柱類設(shè)備單體動(dòng)力計(jì)算模型以及管母線連接設(shè)備耦聯(lián)體系計(jì)算模型，其發(fā)現(xiàn)連接剛度對(duì)設(shè)備頂部的加速度影響較小，但是對(duì)兩設(shè)備間的相對(duì)位移影響很大。張若愚等[45]分別建立了復(fù)合支柱絕緣子的實(shí)體有限元模型和等效梁?jiǎn)卧ㄌm節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化模型，得到了不同模型的應(yīng)力與位移峰值，最終揭示了強(qiáng)震下法蘭節(jié)點(diǎn)的受損機(jī)理。

在試驗(yàn)研究中，程永鋒等[46]基于地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了硬管母聯(lián)接的500 kV 避雷器和互感器地震動(dòng)輸入峰值加速度、硬管母與設(shè)備間的聯(lián)接方式、滑動(dòng)金具滑動(dòng)槽長(zhǎng)度等因素對(duì)回路中設(shè)備地震響應(yīng)規(guī)律的影響，提出了金具滑動(dòng)槽長(zhǎng)度的確定方法。劉振林等[47]將鉛芯減震器安裝于支柱絕緣子與支架連接處，對(duì)其進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，其發(fā)現(xiàn)減震器剛度對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)整體剛度影響較小，且減震效率隨地震峰值加速度的增大而增大。Khalid 等[48]完成了支柱絕緣子與導(dǎo)線互聯(lián)體系的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，得到了導(dǎo)線對(duì)支撐結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響。

總體來(lái)說(shuō)，管母線與支柱絕緣子的連接形式、連接剛度及自身動(dòng)力特性是影響支柱類設(shè)備抗震性能的主要因素。但完善的耦聯(lián)體系計(jì)算方法、高烈度地區(qū)控制應(yīng)力和位移的減震措施還需要進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論與展望

本文從閥廳主結(jié)構(gòu)，懸吊類設(shè)備及支撐類設(shè)備的抗震性能3 個(gè)方面闡述了閥廳體系的抗震性能研究進(jìn)展?？偟膩?lái)說(shuō)，已有的研究取得了較多成果，但也存在較多不足。未來(lái)閥廳體系抗震研究可從以下幾個(gè)方面展開(kāi)。

閥廳結(jié)構(gòu)形式縱向剛度分布不一致，容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。有必要專門研究不同地震主加速度方向?qū)﹂y廳受力變形的影響規(guī)律。

實(shí)際閥廳結(jié)構(gòu)中，電氣設(shè)備均通過(guò)軟型管母線進(jìn)行連接，在地震作用下設(shè)備之間易發(fā)生牽拉，因此考慮母線實(shí)際影響的閥廳耦聯(lián)體系的地震響應(yīng)值得考察。

考慮防火墻的全鋼結(jié)構(gòu)閥廳整體抗震性能缺乏有限元分析和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，有必要開(kāi)展全鋼結(jié)構(gòu)閥廳鋼柱與防火墻節(jié)點(diǎn)的力學(xué)與抗震性能研究。

在隔震減震研究上，目前主要集中在彈簧支座、減震器及防屈曲支撐的應(yīng)用上，未來(lái)可繼續(xù)創(chuàng)新減震性能更好的措施以降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，提高設(shè)備的整體安全性，維護(hù)電網(wǎng)設(shè)備安全運(yùn)行。