某变电站结构减震控制的仿真

某变电站结构减震控制的仿真分析摘要：变电站属于生命线工程，这类建筑中所配置的精密仪器装置在地震作用下的功能中断和永久失效，都会给所服务的区域带来很大的困难，影响防震减灾工作的展开。采用减震控制技术，可以有效减小结构地震响应，大大降低精密仪器设备损坏的风险。本文将就作者所在课题组近期承担的高烈度区某变电站减震控制作为工程背景，介绍主控通信楼减震控制的思路、动力分析模型，并给出了数值模拟的一些主要结果。关键词：基础隔震;结构减震控制;智能隔震;生命线工程随着社会物质文明的快速进步，建筑物及其所承载物品的价值越来越大。不容忽视的现实是，地震所引发的灾害损失也越来越严重。特别是生命线工程结构的失效，不仅严重影响正常的生产生活和抗震救灾工作，随之而来的次生灾害还可能给社会带来难以预料的后果[1,2]。变电站属于生命线工程，在灾害作用下的任何意外中断，即使很短时间的停电，都会带来巨大的损失。例如，1995年日本兵库县南部地震造成一批770kV与275kV变电站破坏，在一周内100万人用电被迫中断。由于停电导致供水系统瘫痪无法及时救火，加上道路多处被损毁，火灾所引发的次生灾害在该地震损失中占很重要的比例。1994年Northridge地震（震级里氏6.7级）中，电力系统中230kV与550kV变电站也遭到严重破坏，使北美地区110万人的用电中断。1996年中国包头地震（里氏6.4级），张家营变电站停止供电11小时。1999年台湾集集地震（里氏7.2级），一批高压变电装置也受到严重的破坏，震中供电被迫中断[3]。正因为如此，关于电力系统的建筑物和相关设备等生命线工程结构的防震减灾研究受到了国内外学者的广泛关注。上个世纪80年代中期和末期，国家地震局工程力学研究所、中国水利电力部西北电力设计院和沈阳开关厂，分别进行了一系列振动试验，探讨了电气设备的动力特性,得到了支架、导线等附件对设备动力反应影响等的初步结论。随着减震控制技术研究的进展，人们逐渐认识到传统的抗震技术无法减小地震造成的损失。传统的抗震结构需要利用结构构件的损伤耗散地震能量，结构地震响应很大，不但结构自身损坏的概率很高，而且施加在建筑物内部设施上的地震作用会导致设备无法正常工作。当地震激励稍大时，还可能会造成精密仪器装置的永久损害。近年来,国内外减震、隔震技术的发展也推动了高压电气设备减震技术的研究。我国国电华北电力设计院工程有限公司进行了一些减震试验,例如LW11A–126SF6断路器减震试验、静压棒形支柱绝缘子减震试验等,并根据这些试验的结果编制了《高压电气设备减震技术规定》(报批稿),使得我国电气设备的减震技术即将拥有自己的行业标准[4]。本文作者所在课题组近期承担的高烈度区某变电站减振控制项目包含对变电站的重要建筑和大型电气设备进行减震控制。本文将该工程作为算例，主要介绍主控通信楼减震控制的思路、动力分析模型，并借鉴智能隔震体系[5-9]，给出数值模拟的一些主要结果。工程背景该项目来源于某高烈度地区的新建330kV变电站工程。主控通信楼为三层，地上两层，每层层高3.9米。地下室为电缆夹层，层高2.8米。上部结构为全现浇框架结构，楼盖为普通梁板体系，基础采用条形基础。建筑平面呈矩形，外轮廓尺寸为29.6×18.8m2，长宽比为1.58，平面如图2示。该变电站站址所处附近区域历史上曾发生较为强烈的地震，近期地质构造运动仍强烈，为本省主要活动构造体系之一，所在地抗震设防烈度为8度(0.3g)。该建筑外观尺寸并不大，但一、二层分别设置了继电器室、蓄电池室、主控室、计算机室，包含许多重要的精密仪器设备。在震害发生时，即使结构不失效，设备在强烈振动作用下会引发大面积停电，仍会造成很大损失。如震害引起精密仪器设备的损坏，则损失更大。减震控制思路设想mb,kbm2m1k2k1fcub图2智能隔震系统示意图1主控通信楼平面示意第一步先对主控通信楼结构实施被动隔震，并尝试利用智能隔震技术，进一步减小结构动力响应，对选取智能隔震系统的主要设计参数进行数值模拟。同时，通过现场调研、数值分析和扫频振动台模型试验，掌握变电站支架的动力响应规律，探讨电器设备与变电站建筑的隔震支座、变电站支架串联系统的动力稳定性分析。在隔震条件下，对主控通信楼智能隔震结构及变电站支架的多塔结构随机振动进行数值分析。mb,kbm2m1k2k1fcub图2智能隔震系统示意图1主控通信楼平面示意表1隔震层计算参数隔震层重量G表1隔震层计算参数隔震层重量G1(kN)水平刚度(kN/m)等效阻尼比ζeq多遇罕遇多遇罕遇742744100293500.280.17表2上部结构各层重力荷载代表值及侧移刚度质点/层号i重力荷载代表值Gi（kN）侧移刚度ki（kN/m）X向Y向1788540778037943024681282500284260对主控通信楼进行隔震设计时，按等效线性化的剪切型分析模型，隔震层及上部结构计算参数分别如表1、表2所列。表3结构基本周期方向隔震前（s）隔震后（s）多遇地震罕遇地震X向0.3935表3结构基本周期方向隔震前（s）隔震后（s）多遇地震罕遇地震X向0.39351.37291.6683Y向0.40381.37511.6701匪3.1半能结构基本周期古由于该建筑物均外形尺寸及重响量均不大，隔碰震前基本周期缘均不超拘过属0.5粗s工，表明原结构狗刚性较好。隔饰震后的基本周者期均小诚于倘1.7孟s蓬，如追表表3峡所列。扶3.2筋肌隔震支座压应倍力牢隔震支座的压位力设计值恋由歉1.2尺×惊永久荷载标准霉值夺+1.4并×啄可变荷载标准搁值求得。由于例该建筑属于乙报类建筑，廉设计压应力控堵制值既取猜10Mp撞a筋。经验算，各巡隔震支座最大互压应力均小于豪设驱计压应力控制进值。贿3.3桨洋多遇地震时的积层间剪力比与虫水平向减震系扯数随在多遇地震水建准下，分别计谁算结构在隔震竭与非隔震两种贝情况下的层间联剪力，得到在令输入不同波的界情况下，各层处层间剪力比，飘分别见以表荣4请，挣5盆。最终根据平坛均后的最大层根间剪力比，得秋水平向两个方眉向的减震系数启均可讨取恳0.底5咬。表4X向各条波作用下的层间剪力比表4X向各条波作用下的层间剪力比层号层间剪力比ElCentroKobeTaft人工波Northridge平均值10.5730.1680.2640.1900.5040.339920.4380.1310.1940.1380.4000.2603奥唐父捡迎表5Y向各条波作用下的层间剪力比表5Y向各条波作用下的层间剪力比层号层间剪力比ElCentroKobeTaft人工波Northridge平均值10.5670.1780.2400.2190.5490.350620.4480.1410.1750.1660.4240.2707缩令泼观以表6结构的质心与隔震层刚度中心方向结构的质心(m)隔震层刚度中心(m)X向9.579.27表6结构的质心与隔震层刚度中心方向结构的质心(m)隔震层刚度中心(m)X向9.579.27Y向15.0215.5添a.昼萝最大水平位移乔和最大水平剪虾力表7隔震支座的水平位移及剪力值支座型号水平位移(mm)剪力标准值（kN）最大值允许值GZY400215220214GZY500215275243狮在两个主轴方捕向，隔震层以日上结构的质心附与隔震层刚度回中心如堤表摆6剑所示。分别考您虑单向和双向湖地震作用的扭慕转后，计算出篮隔震支座的最傲大水平位移，弱可见各支座均晒满足位移限制绪要求，如庭表谅表7隔震支座的水平位移及剪力值支座型号水平位移(mm)剪力标准值（kN）最大值允许值GZY400215220214GZY500215275243冠b.南楼拉应力夜在罕遇地震作工用产生的倾覆早力矩与上部结庄构重力的共同箩作用下，验算贪得所有隔震支态座上均为压力俯。各隔震支座借均未出现拉应坛力。层智能隔震的谢动力分析模型站4音.斧1狂便Bouc-W酒e掏n备滞变模型的基匙本方程狡在现有的被动椒隔震工程的隔端震层部位处增协加理想智能控性制器，构成智待能隔震结构。彩设该智能控制灵器能实时提供盏所需要的控制否力。本文智能茅控制部分只探哭讨结构的强震脉响应。在强震劈条件鹊下，惹结构一般都要誉发生弹塑性变竭形，控制模型咱的建立远比线还性结构的难度厉高。然而，正乳是倍在婶“击大娇震案”抱作用下，结构粪抗震成为突出喜问题，最需要遗采取减振控制腥措施，保护结没构安全。因此针，针对滞变模毕型的结构建立粱控制模型，工柏程意义更为显埋著。本文鼠将隔震层取为或非退化的恳Bouc-W眯e耻n慢模型，原上部结构为退森化愤Bouc-W浙e婶n奏模型。贯贼鄙盘(秒1擦a吴)迅坦温敏(冶1辫b)肌,反排谈霉(墓2织a狼)优，晓洒欢给贺(控2渔b)臂,我,道愚愉(猴2端c师)愿泉毁芹懒届肌巨(技2d)葛式对(1~2碎)欠中，挂为种n半+生1年阶的层间相对速位移向量，匆为滞变位移向岸量，欠n方为蝴上部结构自由英度数目测。务、捉、眨、排为隔震层蚀的努Bouc-W赖e曾n竞模型参数；斗、喘、度、宅为上部结构第臭层对应的退狡化疼Bouc-W清en雾庄喉拆哗乞椒迈普游龙谊价熔词促或率帐研要粉良课使疤锦，贷澡回矛清(鲁3a偶)炮,扶割(3b)玻,纵(柱3c责)菊，傲投览雄(3斧d)魔“棋大纤震绝”戚下，输出变量线仍取为上部结见构层间相对位少移和各质点的怪绝对加速度，状故输出为道烛僻族安(4)胸，愧巴，催阁洁危威些(采5a缴)慈，剂伯，户户(5掌b)押式蛙(5b眉)皮中，由拨为由层间相对误响应向绝对响不应变换的矩阵僵，表达式为窄4便.恭2枕扰按零滞变位移尺条件的等效线现性化牵本文在等效线走性化的基础上塌建立滞变结构宰的控制算法。喝经过作者比较邻，选取了在滞溪变位移项为零追的条件下，建兰立熄Bouc-W期e证n蚊模型的等效线音性化表达式。因该方法首先逃由辟YangJ喘N奸提出，并用于镜瞬时最优控制逆[13]祸。本文引用这份一等效线性化旅策略，与作者颈提出的序列最丝优控制思想泪相结合刻[14]钳。涌巷压百但(售6a通)训喂赏碑坦死(库6b摆)父式乘(浓3杀)筒中，新为略去了滞变惕位移项的状态模向量俭，头绒，骄铸(7)揉这里，调，赛和利等其余各矩阵搏的表达式分别沉同撤式辈(3)~(册5拣)成。牲智能隔震的计控制算法通基于示式膀(6分)升的博等效线性化丹状态方程，仿具照对线性敞智能隔震堂结构驳的序列控制算本法推导思路，柄可得最优传控制力表达式抵为谁[15]捐都标(8)炸，什稼符(伍9a垄)搏，聪律酸(9b)扛(号9c镜)没，督绢(9d隆)跃，单员，拜斩(9e愈)晋式裂(8)~(9鸣)溜中，权重矩阵惯和抬同样按照减缩谷后的维数进行棉定义。她智能隔震丛数值模拟的主罚要结果加本文虹将引用前文设团计的某变电站谣主控通信楼这钥个纱实际比隔震京工程的迷参数掀，以一个代表识性的地震波输锤入的响应时程渗为例，对被动控及智能门隔震魂在强震下的控师制特性做进一支步的分析。求这里主要列举猫一组以澡9愈度罕遇谁强震条件毙下的宰智能隔震数值页模拟结果，选屿用沫Kob谊e乡波作为输入，锯将地面运动加趁速度峰值调幅蛾到勺6.2ms质-2量。将广位移响应时程迟的对比列在洁图临3描之中，即图法3a提为两种不同控烦制算法的括智能隔震与被枪动隔震的肃隔震层位移响搂应，箩图酷3b厕为被动乏隔震、愿智能赢隔震怎体系的上部结犹构底层位移响优应与非当隔震女结构底层位移葡响应的铜对比。由营图中膏可以看出，在草强震作用下，慧智能势隔震央结构的隔震层礼位移响应比厨被动隔震的对惹应值要小很多队，季上部结构层间冶位移响应略有烛上升，且残余额位移较爬被动隔震的对赛应值要大一些祸，后者是由于锅上部结构选取肉了退化型模型魄，并且只在台隔震层质点上帖设置了智能阻醉尼器茄所致崖。戴许多震害实例龙表明，引起叮建筑物内高灵东敏设备损坏的个主要因素株是上部结构绝县对加速度。包由于本文所讨扁论的算例工程学中，建筑的二粉层楼面上放置较了较为重要的园精密仪器设备珠，该质点的绝瞒对加速度是减职震控制效果一土个主要评判指联标。被动安隔震、甚智能惩隔震兼和非窝隔震版结构二层楼面饮绝对加速度对重比防列在削图耀4位之中。萄由图可见，棒被动华隔震在优绝对加速度很峰值响应方面更同样有优势。樱但若将担被动亮隔震包结构六的棒隔震层位移响欢应狂限制在与物智能秀隔震处于同一满水平，研绝对加速度响辛应就处于劣势仇[17]磨。图4不同控制方法的二层楼面绝对加速度图3不同控制方法的位移对比遍将同一地震激忌励下，不同控尖制方法的响应部峰值对比列在泛表尚8种中，也可以获面得与上述时程匠响应类似的规朗律。由表中可趁以看出，在牢9如度罕遇地震峡作用下，非隔笋震结构底层的芬位移峰值响应慈已经接近偿9cm冻，这个层间位匠移值大致是这捞个结构层间抗蔑倒塌能力极限寨状态弃[8]位；被动隔震结表构的隔震层位兽移响应嘉11.9cm罢。但此时，智箭能隔震结构的贺隔震层位移响细应只有爆7cm激，采用炕本文作者提出位的控制算法，稀智能隔震结构从上部结构层间笛位移响应隶不超过副图4不同控制方法的二层楼面绝对加速度图3不同控制方法的位移对比表8输入Kobe波时的最大响应对比表8输入Kobe波时的最大响应对比层/质点号码层间位移（m）绝对加速度（ms-2）被动隔震智能隔震非隔震被动隔震智能隔震非隔震b0.1190.074-2.6182.849-10.0120.0440.0882.0043.6675.51720.0070.0080.0123.3964.1627.222栗作者还分析对隆比了几种不同猫控制算法的控证制效果罚[2]暴。结果表明，布比较合理的症智能邪隔震倦控制方式，应历该是在控制系服统启动的初期诚，施加更强一迈些的控制力。蛮在动力响应衰酱减的阶段，当袜系统不需要控睁制力输入时，植就根据最优控愿制算法的需要烤关闭智能阻尼株器，这样能更帆有效地抑制系嚷统中的吓地震绝能量积累，从诚而可以更有效插地控制爪上部结构赏峰值奥响应。如果采绪用的是在整个妥控制时段上控陪制力的效峰值比较均匀轨的策略，就会糟引发戴上部结构响应浙上升幅度增大称。梯应当指出的是泪，对于本工程浴，由于建筑层阶数不多，设备凑的质量相对比锡较集中地设置私在底俭层，结构的刚驴性有较大的优句势。担被动隔震结构撞的隔震层位移渣响应不是很突蝇出，从控制系润统造价的角度结来看，对该工香程采用被动隔快震仍有较大的戒优势。如果上敲部结构的仪器乏设备价格非常图昂贵，且发生候高烈度地震的器概率较高时，显采用挎智能赤隔震的优势才翠能充分显现。结论恢1托）．数值仿真则结果表明，采避用本文智能隔荷震控制算法，朽上部结构盖层间位移和绝次对加速度响应骨比被动斥隔震体系的相威应值有所上升删，但总的增加菜量不是很大，杆智能隔震枣带来的好处是匙减小了啦橡胶支座失稳爆的风险，在强饰震作用下保护谷建筑内部高灵摸敏设备的综合业优势更加突出厚。剥2拒）．拖本工程的建筑饮层数不多，设唱备的质量相对板比较集中地设培置在底层，采付用垫被动隔震的也恋有相当理想的赞响应特性。参考文献搜李杰。复杂生沾命线工程系统摸的地震分析与腔行为控制翁[第R牲]抛.横艳中国科学基金饥，夫1999,明(6):3摆35-338格.以郭恩栋，王东委升，陆鸣等踢.皱制青新交界乡8.1嫌级地震生命线撤工程震害衰[J]跟.恨事地震工程与工扁程振动，孟200布2节，镰22(3):辅77-81敏李宏男，柳春座光模.推殊生命线工程系稍统减灾研究趋转势与展望释[J]狼.遮切大连理工大学己学报，太200做5脾，皱45(6):胞931-9悲36绳孙绍平，韩阳墓.鼓疑生命线地震工悔程研究评述朱[J]肥.咽武土木工程学里报扬,2003雁,36(5足):97-驰104.蛛Spence耕r,Jr.醉,BF,虑Johnso洽n,EA急andRa府mallo,宇JC.仿赴“婶Smar葬t棚”洞Isola分tionf们orSei允smicC搅ontrol归汁[J]昂.暗其JSMEI矿nterna拣tional皂Journ袍al角,圾Speci惕alIss榜ueon馅Fronti穴ersof志Motio具nand猴Vibrat炸ionCo袋ntrol唯,Seri秧esC,备2000引,币43饮(蛾3夹):源704-7允1琴1每.葡欧进萍，关新挂春烫.漆派磁流变耗能器沉性能的试验研辅究兆[J]播.染循地震工程与工衰程振夜动怎,199百9及，熊19(4):巩76猾-春81列李江，何玉盈敖蝴.欠焰隔震和半主动踏控制组成的结应构振动混合控蜘制体系分析灭[越C狐]得.猛年第十届全国结遣构工程会议论歉文索集星,2001颠,Vol抬3:13持-禽17.产瞿伟廉，吕明早云，李学冬安群.时秘屋阴盖孟M背R则智能隔震系统便对升船结构顶躁部厂房地震鞭膨稍效应的模糊惑控饺制察.党辩地震工程与工礼程振卸动颤.2002竿,22(3块):129蝶-岁137.棍陈海泉，李忠管献，李延犯涛燃.跟棋应用形状记忆压合金的高层建各筑结构智能隔喜震挖.逐糖天津大学学情报供(沉自然科学与工掠程技术坊版咽)钻，它2002,耽(6):7个61葡-丛765.寇Barbat渣,卸TT炎and扩蛇Wen,Y穷K.艳Rando止mvibr茄ation秒ofhys郑tereti外cdegr崇ading溜system青s.J目Eng.墓Mech.围Div.粮,ASCE凳.107(颈EM6):1般069-10帜87,19铺81扇李桂青调，蚀仅曹宏，李秋胜雅，霍疗达得.壁淋结构动力可靠斯性理论及其应劫用摸[M躁]妇.谷拔北京：地震出搅版社去，屡1993.掌欧进萍，王光跨远闹.家抢结构随机振销动宜[M谣]挪.唐搅北京：高等教屑育出版社竟，菊1998.恋Yang,许J.N.,棍Li,Z.承and龄Liu有,初S.C.旨Stabl己econt毕roller鲁sfor竟instan造taneou扇sopti追malco弟ntrol驴[J]齿