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,kbmb,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0.40381.37511.67013.1结构基本周期由于该建筑物外形尺寸及重量均不大，隔震前基本周期均不超过0.5s，表明原结构刚性较好。隔震后的基本周期均小于1.7s，如表3所列。3.2隔震支座压应力隔震支座的压力设计值由1.2×永久荷载标准值+1.4×可变荷载标准值求得。由于该建筑属于乙类建筑，设计压应力控制值取10Mpa。经验算，各隔震支座最大压应力均小于设计压应力控制值。3.3多遇地震时的层间剪力比与水平向减震系数诉在多遇地研震水准下归，分别计愤算结构在管隔震与非监隔震两种根情况下的济层间剪力满，得到在蹦输入不同曾波的情况委下，各层灭层间剪力犯比，分别丽见匙表焰4粱，鉴5疗。最终根宋据平均后畅的最大层侨间剪力比仅，得水平最向两个方厅向的减震妙系数均可询取命0.患5鱼。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泻表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脆a.堆越最大水平六位移和最腾大水平剪纪力表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驱在两个主介轴方向，奇隔震层以保上结构的隶质心与隔宾震层刚度库中心如怖表鸡6办所示。分境别考虑单德向和双向蝶地震作用务的扭转后距，计算出湖隔震支座强的最大水稀平位移，废可见各支拖座均满足喂位移限制鉴要求，如衰表驴7乓表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料b.欢据拉应力紧在罕遇地裤震作用产狂生的倾覆未力矩与上辽部结构重宴力的共同帆作用下，裳验算得所土有隔震支非座上均为弦压力。各办隔震支座古均未出现帅拉应力。奋智能隔震巴的动力分忠析模型新4边.伍1Bou颈c-We织n朗滞变模型悉的基本方被程学在现有的浑被动隔震恭工程的隔则震层部位颗处增加理腹想智能控域制器，构疤成智能隔速震结构。乐设该智能催控制器能堪实时提供箱所需要的咏控制力。谅本文智能俯控制部分喜只探讨结歌构的强震双响应。在汪强震条件档下，赖结构一般白都要发生丢弹塑性变横形，控制垦模型的建本立远比线闭性结构的你难度高。唇然而，正奏是炮在撕“摧大拣震址”恢作用下，箭结构抗震凉成为突出聋问题，最沙需要采取轨减振控制脾措施，保储护结构安巾全。因此斩，针对滞异变模型的盲结构建立绸控制模型仅，工程意暴义更为显惭著。本文间将隔震层搁取为非退欺化的麻Bouc惊-We母n皮模型，绞上部结构唇为退化糊Bouc悦-We泽n慕模型。拨获葵凯环窑(就1概a)脊于怒墨脖填(郊1益b)次,鞋踩语歌(论2斜a)齐，信兽土(丧2站b)法,恩驱,柏偿荐姻逝(跑2爹c)(2d)旧式锹(1~2轨)芝中，动为异n屠+博1初阶的层间矮相对位移千向量，蜓为滞变位斤移向量，翁n孙为剩上部结构赔自由度数覆目绝。聚、慨、驾、舞为隔震层街的葬Bouc侄-We劈n钳模型参数稀；恋、赚、柄、帅为上部结惑构第寺层对应的其退宪化溉Bouc胖-Wen危亩党马屿叶气岸器辽烤慕查覆宴镇阶针描德脆乖中牧青切禾割洗，染桂旬(3a)繁,大律滋(这3b)扭,作(3佣c)凑，切亭特岭婚唇(3d)域“烟大针震握”骗下，输出仇变量仍取述为上部结什构层间相挪对位移和状各质点的清绝对加速选度，故输在出为阀柳不茂袍齿于(4)梁，恼订，徒菜(餐5a)哭，核饰，勺眯害(5b)晴式蜜(5b香)四中，妙为由层间艰相对响应校向绝对响悲应变换的河矩阵，表用达式为歼4志.恭2乘按零滞变廊位移条件克的等效线涂性化烦本文在等桃效线性化冠的基础上寸建立滞变咐结构的控榨制算法。耍经过作者珍比较，选合取了在滞鼻变位移项拍为零的条变件下，建手立次Bouc晋-We膝n慢模型的等木效线性化两表达式。堪该方法首戒先岛由娇Yang浙J忙N查提出，并互用于瞬时恋最优控制所[13]雪。本文引旋用这一等探效线性化碌策略，与挠作者提出蛋的序列最勉优控制思巴想桂相结合瓦[14]斥。添(做6a肯)(6b)计式史(仇3孙)绳中，鸡为略去了奶滞变位移肢项的状态盏向量竞，千搞，显之(7阻)犯这里，发，兆和骡等其余各浊矩阵的表鹅达式分别图同哑式炒(3)~耻(5魄)瓜。慰智能隔震写的控制算关法鸣基于虎式允(6覆)录的楼等效线性睡化辰状态方程些，仿照对窝线性衬智能隔震条结构摸的序列控姥制算法推查导思路，香可得最优仓控制力表蒜达式为航[15]县撞节涨(带8)益，邪合塌随(迫9a)验，另赞勤(冬9b)孟(乒9c)步，丘屋(帜9d)漂，朽老，络任(浮9e)黑式璃(8)~怒(9奉)润中，权重腊矩阵淘和火同样按照冰减缩后的帝维数进行谁定义。掀智能隔震盛数值模拟盛的主要结对果讲本文踩将引用前耳文设计的普某变电站雅主控通信课楼这个鞭实际辟隔震诸工程的还参数询，以一个死代表性的鼻地震波输兆入的响应参时程为例拒，对被动顷及智能迹隔震愚在强震下潮的控制特径性做进一漆步的分析船。趴这里主要要列举一组跨以响9泡度罕遇丽强震条件些下的周智能隔震雀数值模拟课结果，选金用秒Kob蚕e疫波作为输哗入，将地浴面运动加矮速度峰值飘调幅荐到撒6.2m飞s幻-2义。将漏位移响应栏时程的对周比列在庄图危3牛之中，饼图错3碎a堆为两种不阁同控制算拳法的智能纹隔震与被指动隔震的眉隔震层位骡移响应，昌图特3私b哈为被动隔则震、碰智能脆隔震体系奥的上部结昏构底层位疫移响应与架非隔震结肥构底层位编移响应的邮对比。由倍图中可以邮看出，在老强震作用援下，拍智能日隔震结构肾的隔震层烈位移响应箱比被动隔粉震的对应州值要小很奥多，上部串结构层间扣位移响应肢略有上升碧，且残余士位移较被抚动隔震的狂对应值要喘大一些，救后者是由蚕于上部结近构选取了州退化型模惠型，并且伶只在隔震秋层质点上清设置了智插能阻尼器页所致。烂许多震害掉实例表明比，引起建碰筑物内高街灵敏设备奥损坏的主梅要因素是浮上部结构涌绝对加速川度。由于滋本文所讨浸论的算例骡工程中，温建筑的二株层楼面上楼放置了较论为重要的甚精密仪器狂设备，该前质点的绝输对加速度予是减震控逮制效果一新个主要评淡判指标。塔被动隔震叔、脏智能叼隔震和非答隔震结构房二层楼面若绝对加速探度对比列岂在冶图烂4荣之中。拘由图可见列，被动隔忍震在绝对而加速度峰夺值响应方勺面同样有壁优势。但古若将被动乞隔震结构评的隔震层核位移响应娃限制在与刊智能篮隔震处于糖同一水平寨，绝对加御速度响应烘就处于劣筐势拒[17]贱。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朱将同一地驴震激励下斧，不同控真制方法的眯响应峰值穗对比列在诵表丈8竹中，也可台以获得与半上述时程快响应类似叮的规律。章由表中可赵以看出，鹿在厌9棍度罕遇地禾震周作用下，蛇非隔震结棒构底层的宴位移峰值店响应已经宝接监近宵9c签m匹，这个层签间位移值窄大致是这饲个结构层版间抗倒塌洪能力极限石状态想[8]嗓；被动隔趟震结构的洪隔震层位竭移响艰应乒11.9沿c秋m巨。但此时弄，智能隔挪震结构的趣隔震层位翅移响应只西有据7c中m钳，采用本彻文作者提聪出的控制花算法，智争能隔震结佣构上部结总构层间位豆移响应不蜡超雕过份4.4c统m特图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趋作者还分蝶析对比了贞几种不同盆控制算法贺的控制效总果闷[2]轻。结果表促明，比较杆合理的智茧能隔震控族制方式，恋应该是在取控制系统波启动的初暗期，施加俩更强一些宋的控制力颂。在动力轮响应衰减广的阶段，湿当系统不酱需要控制陵力输入时松，就根据艺最优控制猫算法的需祖要关闭智完能阻尼器田，这样能革更有效地板抑制系统该中的光地震筒能量积累淡，从而可疏以更有效片地控制上挪部结构峰拿值响应。港如果采用高的是在整辈个控制时骗段上控制灿力的峰值睁比较均匀立的策略，喉就会引发例上部结构批响应上升触幅度增大衬。探应当指出拥的是，对程于本工程栋，由于建搅筑层数不巧多，设备旗的质量相洒对比较集普中地设置战在底羽层，结构你的刚性有腊较大的优桐势。被动抢隔震结构筹的隔震层掉位移响应脉不是很突炭出，从控枝制系统造薯价的角度客来看，对乓该工程采魔用被动隔咬震仍有较躬大的优势蝶。如果上踩部结构的秤仪器设备知价格非常北昂贵，且丙发生高烈装度地震的蜻概率较高毯时，采用遵智能隔震牌的优势才腿能充分显还现。结论厅1缎）．数值腾仿真结果井表明，采甲用本文智浓能隔震控铁制算法，雹上部结构艳层间位移鸟和绝对加却速度响应惭比被动隔裹震体系的远相应值有猪所上升，闲但总的增射加量不是爷很大，智躺能隔震带盲来的好处炮是减小了蛛橡胶支座谣失稳的风宣险，在强卵震作用下慨保护建筑委内部高灵勇敏设备的兵综合优势桃更加突出飘。屑2歪）．本工磨程的建筑仍层数不多骡，设备的从质量相对纹比较集中橡地设置在芽底层，采惧用被动隔叉震的也有塘相当理想渴的响应特池性。参考文献瓣李杰。复烧杂生命线岗工程系统隐的地震分渣析与行为鞋控制肥[乡R填]威.捆置中国科学男基金爪，森1999驴,(6呢):3碑35-3古38.鸡郭恩栋，葡王东升，铺陆鸣等讯.蛇偿青新交界恳8.1恒阳级地震生半命线工程扛震害闯[J]链.简慈地震工程葬与工程振户动，睡200岂2写，艳22(3卖):7搅7-81警李宏男，叔柳春光余.领城生命线工抚程系统减婶灾研究趋须势与展望取[J]掘.缴饲大连理工菜大学学报汽，虾200工5惰，猫45(6行):9夜31-9伶36斯孙绍平，抢韩阳师.擦崭生命线地陆震工程研冈究评述颤[J]安.举客土木工程仁学华报沸,20军03,榨36(5毫):9况7-10趋4.曾Spen捉cer,偏Jr.雨,BF歉,Jo熟hnso虎n,E兰Aan关dRa盐mall抬o,J陡C.殊鹅“停Smar蚕t涝”休Iso饮lati洪onf呜orS欣eism抵icC侵ontr桌ol钩[J]涂.京JSME敲Int牲erna胜tion君alJ劫ourn月al戏,评Spe萍cial掌Iss填ueo吃nFr足onti表ers夏ofM益otio筑nan驻dVi纠brat种ion玩Cont姓rol恢,Se爸ries谷C,胞2000嘉,瓦43碗(怪3夺):裂704皮-71晒1视.额欧进萍，娱关新南春狗.捐共磁流变耗师能器性能梅的试验研睛究笨[J]击.找拘地震工程纵与工程振游动翁,19慨9酸9便，分19(4盟):7额6冶-想81妇李江，何旱玉令敖座.午燕隔震和半邮主动控制飞组成的结移构振动混膝合控制体劈系分析喂[节C罢]间.妨员第十届全肥国结构工神程会议论惕文辜集我,20除01,据Vol仇3:1羡3劲-熔17.紫瞿伟廉，析吕明云，黄李学樱安镇.缸建屋援盖户M浓R泼智能隔震珠系统对升残船结构顶预部厂房地袍震鞭稍效捆应的模糊炮控晋制卡.则跟地震工程被与工程振盖动熔.20露02,钻22(3油):1垮29霸-较137.仓陈海泉，烤李忠献，酷李延刃涛花.恢容应用形状羡记忆合金炼的高层建伞筑结构智呼能隔陈震陷.钥存天津大学躲学储报赚(炒自然科学赖与工程技垄术努版站)辩，写2002惨,(6汗):7斗61纷-烈765.浅警Barb双at禾,养TT益andW狗en,哗YK.末Ran更dom细vibr比atio已nof厚hys然tere鸭tic蚊degr嫂adin浩gsy弱stem击s.J何Eng鲁.Me梯ch.结Div.舒,A厕SCE.迷107款(EM6柔):10是69-1暗087,炕198足1舒李桂青拔，定往曹宏，李签秋胜，霍糠达琴.肝欧结构动力请可靠性理渠论及其应肆用当[M钱]圾.伯茶北京：地逆震出版社威，务1993估.庙欧进萍，地王光技远膛.于尊结构随机桨振尝动词[M桶]页.间秋北京：高医等教育出挺版社侍，杆1998桃.娱Yang只,J.扑N.,役Li,哭Z.a窝ndL灭iu,壁S.C.绩Sta葡ble跌cont邻roll饼ers尤for角inst姨anta挖neou盼sop寒tima越lco抄ntro叼l代[J]雷.陶Jour杂nal淹of剧Engi吓neer续ing卷