高烈度地区110_kV钢框架配电楼减震设计及分析_杨晗琦.pdf

73高烈度地区 110kV 钢框架配电楼减震设计及分析http:/ 电网设计第1期 DOI：10.13500/j.dlkcsj.issn1671-9913.2023.01.013高烈度地区 110 kV 钢框架配电楼减震设计及分析杨晗琦，邹同球，邓鹏麒，彭 真(中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，湖南 长沙 410007)摘要：近年来，根据国网公司变电站模块化建设要求，半户内、户内变电站的配电楼常采用钢框架结构，其楼屋面由于电气设备的布置要求一般为错层布置，本工程(原型为益阳南 220 kV 半户内变电站）采用 220-A3-4 方案，较低处屋面层在 2 7 轴交 A B 轴间为大开洞结构（抗扭能力不强），同时屋顶构架的进出线荷载在配电楼的 X 轴（字母轴）上分布不均衡，故地震作用下配电楼的 X 轴水平层间位移比难以满足规范限值。本文对高烈度地区的 110 kV 配电楼按其结构特点布置粘滞阻尼器进行减震设计，通过为粘滞阻尼器设定合适的性能参数，在满足规范条文的前提下，配电楼结构可按降低一度（地震烈度）采取抗震构造措施，相比原设计既减小了层间位移比又减小了结构的最大层间位移，有利于电气设备的安全运行。最终减震设计方案节约了 50 t 钢材和 30.7 m3混凝土。关键词：高烈度地区；减震设计；最大层间位移；粘滞阻尼器；钢框架中图分类号：TM632 文献标志码：A 文章编号：1671-9913(2023)01-73-07Shock Absorption Design And Analysis of 110 kV Steel Frame Distribution Building in High Intensity AreaYANG Hanqi,ZOU Tongqiu,DENG Pengqi,PENG Zhen(China Energy Engineering Group Hunan Electric Power Design Institue Co.,Ltd.,Changsha 410007,China)Abstract:In recent years,according to the modular construction requirements of State Grid Corporation of China,The power distribution building of semi-indoor and indoor substations usually adopts steel frame structure.Its roof is generally arranged in staggered layers due to the layout requirements for electrical equipment,the project adopts 220-A3-4 scheme,the lower roof layer is a large opening structure（weak torsional resistance）between the 2 7 axes and the A B axes,while the load of incoming and outgoing lines is unevenly distributed on the X axis(letter axis)of the distribution building,so the X-aaxis horizontal inter story displacement ratio of the structure under seismic action is difficult to meet the code line.In this paper,the viscous damper is arranged according to the structural characteristic of the 110kV power distribution building in high intensity area.By selecting the appropriate performance parameters for viscous damper,seismic structural measures of the building can be reduced by one degree on the premise of meeting the provisions of the specification.Compared with the original design,it not only reduces the inter story displacement ratio,but also reduces the maximum inter story displacement.It is conductive to the safe operation of electrical equipment.Finally,the shock absorption design scheme simplified 50 tons of steel and 20.7 cubic meters of concrete.Keywords:high intensity area;shock absorption design;maximum interlayer displacement;viscous damper;steel frame*收稿日期：2022-06-23 第一作者简介：杨晗琦(1988)，男，硕士，工程师，主要从事建筑结构及基础设计研究。基金项目：中能建湖南省电力设计院科研课题高烈度地区变电站装配式建筑隔震研究与应用(K2-05-2021)。74http:/电 力 勘 测 设 计第1期0 引言我国 50%以上国土面积处于 7 度及以上高烈度地区，其中包括 23 个省会城市和 2/3 百万人口城市，因此在高烈度地区如何更经济更环保地建设变电站建筑物是目前电力建设的重要课题。对于在城区建设的变电站，考虑到周围建筑物和场地面积的限制以及高昂的土地费用，常采用户内布置方案。根据国网当前的模块化通用设计要求，110 kV 和 220 kV 户内配电装置楼一般采用带电缆夹层的钢框架结构(二层和屋顶的构架常为单跨，属于结构上不利于抗震的形式)。钢框架配电装置楼由于电气设备的布置要求，楼屋面常常采用局部错层布置，本工程采用 220-A3-4 方案，其较低处屋面层在局部位置有大开洞(因二层设备运行要求，局部位置需安装电动葫芦，故其层高较高)，对该层屋面板的整体性影响很大；加上屋顶设有构架，还需承受在 X 向(字母轴方向)分布不均衡的进出线荷载，因此在地震作用下其层间位移比很难满足规范要求的限值，不得不在 2 楼夹层的 2 轴和 7 轴上增加层间水平横梁(布置在 A 轴 B 轴跨间，水平横梁顶标高 8.6 m)，以增强这几榀单跨钢框架抵御侧向变形的刚度。对于高烈度地区的钢框架配电装置楼，随着基本地震加速度的提高，如不采取特殊的结构设计措施，其层间位移比将更难满足规范要求的限值。粘滞阻尼器能够有效耗散地震时输入结构的能量，起到减小结构变形的作用，常用的布置方式有对角支撑式、人字式等1，Constantinou M C 等2在此基础上推导了粘滞阻尼器不同布置方式下的附加阻尼比计算公式。根据建筑抗震设计规范GB 500112010(2016 年版)3第 12.1.4 条，对钢框架结构配电装置楼可以考虑采用消能减震设计，本文将以设防烈度 8 度(0.3g)地区的某栋 110 kV 钢框架配电装置楼为例，对其采用粘滞阻尼器的减震优化设计方案进行抗震与经济性对比 分析。1 建筑物附加阻尼比的计算1.1 线性和非线性粘滞阻尼器附加阻尼比计算在建筑物中附设粘滞阻尼器后，能够为结构提供附加阻尼比，而附加阻尼比的大小决定了建筑物耗能能力的高低。因此，计算出建筑物附加阻尼比的准确值，能够为建筑物的减震设计提供依据。非线性粘滞阻尼器的输出阻尼力 F 与阻尼器位移之间的关系4为：F=Cu(1)式中：u 为阻尼器两端相对初始状态的位移幅值；C 为阻尼系数；为阻尼指数，一般取 0 1，当=1 时，即为线性粘滞阻尼器。粘滞阻尼器无初始刚度，一般不改变建筑物的结构刚度。美 国 联 邦 应 急 管 理 署 规 范 FEMA273Guidelines for the Seismic Rehabilitation of Buildings给出了建筑物增设线性粘滞阻尼器时的附加阻尼比计算公式如下：ep=j Ej/4Ut (2)式中：Ej为第 j 个线性粘滞阻尼器在结构预期层间位移uj下往复循环一周所消耗的能量；Ut为建筑物在水平地震作用下的总应变能。Constantiou 等5在上式基础上推导出多层框架结构(多层框架结构以剪切型变形为主，不需考虑有害位移的影响)采用线性粘滞阻尼器时第 k 阶振型模态的附加阻尼比计算公式如下：k=Tkj Cjcos2j(j-j-1)24imi2i(3)式中：j，j-1分别为结构第 j 和第 j-1 层在第 k 阶振型模态下的水平模态位移；Tk为结构第 k 阶振型模态的自振周期；Cj为第 j 层所有阻尼器的阻尼系数之和(这里假定所有阻尼器与水平面的夹角均相同)；j为第 j 层线性粘滞阻尼器轴向与水平楼面的夹角；mi为第 i 层的楼层质量。Hwang J S 等6推导出附设非线性粘滞阻尼器的多层建筑的附加阻尼比公式如下：d=T2-j Cjcos1+j(j-j-1)1+(2)3-A1-imi2i(4)75高烈度地区 110kV 钢框架配电楼减震设计及分析http:/ 电网设计第1期 其中：=22+2(1+/2)(2+)(5)式(4)、(5)中各参数：为伽马函数；A 为模态位移；i归一化为屋顶单位值时所对应的楼层响应幅值；mi为第 i 层的楼层质量；为非线性粘滞阻尼器的阻尼指数。由 于 房 屋 的 层 间 位 移 在 小 震 作 用 下时 比 较 小，一 般 为 层 高 的 1/550(一 般 为0.005 0.009 m)，当=1 时(即采用线性阻尼器)，阻尼器出力较小，耗能能力不佳，不够经济，因此，一般工程中采用的多为非线性阻尼器。1.2 本工程附加阻尼比计算公式的简化由式(1)可知，阻尼系数 C 不变的情况下，阻尼指数 越小，则阻尼力 F 越大，从而粘滞阻尼器的耗能能力越好(非线性粘滞阻尼器耗能能力强于线性粘滞阻尼器)。因此，为了提高减震设计方案的经济性，本工程选用非线性粘滞阻尼器，采用人字形布置，阻尼器呈水平向与上一层框架梁连接，因此阻尼器夹角 为 0。对式(4)化简后，可得多模态下结构的附加阻尼比为：d=T2-j Cj(j-j-1)1+(2)3-A1-imi2i(6)根据杨晗琦，汪梦甫4等的研究，阻尼指数 较小时，在高阶频率下粘滞阻尼器的耗能能力较小，因此，不宜取值过小，本工程取为 0.5。将=0.5 代入式(7)和式(5)可得本工程非线性粘滞阻尼器的多模态附加阻尼比计算公式如下：d=25/2T3/22(1.5)j Cj(j-j-1)3/2(2.5)(2)5/2 A1/2imi2i(7)2 建筑方案及工艺布置110 kV 配电装置楼地上共两层，地下一层，建筑总面积 2 678 m2，东西长 68 m，室内宽 10 m，二层设有南北两个外伸平台，建筑总高度14.75 m，地下夹层高3.5 m，首层层高4.8 m，二层层高 3.85 m，局部(2 7 轴间)高 8 m，屋顶构架高度 20.90 m。根据工艺布置，地下一层为电缆夹层，首层布置有 10 kV 配电及消弧线圈接地变室；二层布置有 110 kV GIS 室、二次设备室、蓄电池室和资料室，平面布置图如图 1 所示；在配电楼的屋顶还设有进出线