考虑动力相互作用的变电站数值模拟和损伤评估
摘 要：基于主-子结构动力相互作用机理、隐式动力学数值模拟分析及振动台试验，对考虑主-子结构相互作用的变电站结构体系的抗震性能及破坏模式开展了系统研究，分别从内力、位移、加速度等多方面进行了结构体系的地震反应分析，得到了电气设备与主体结构的相互作用机理及电气设备的动力放大系数，并定量分析了动力特性和地震响应值；提出了主体结构的抗震性能目标；基于位移修正系数法建立了变电站主体结构的层损伤评估模型和整体损伤评估模型，并通过振动台试验验证了所提出损伤评估模型的正确性.研究结果对同类生命线工程和具有复杂设备工业建筑的抗震设计和震损评估具有重要借鉴作用.
关键词：变电站结构体系；动力相互作用；数值模拟；振动台试验；损伤评估模型
中图分类号：TU375.4 文献标志码：A
文章编号：1674—2974（2018）07—0039—09
Abstract： The seismic performance and failure mechanisms of the substation structure system considering dynamic interaction on the main structure and substructure was studied systematically， based on the mechanism of primary-secondary structure dynamic interaction， implicit dynamics numerical simulation analysis and shaking table test. Seismic response of the structure system was analyzed in some aspects such as internal force， displacement and acceleration. This paper obtained the interaction mechanism between the electrical equipment with main structure， the dynamic magnification factor of the electrical equipment and the dynamic property values， and put forward the seismic performance goals of the main structure. Meanwhile， the results based on the displacement revised factor method established the level damage assessment model and the overall damage assessment model， and then proved the correctness of the damage assessment model by shaking table test. These research results have important reference function on seismic design and seismic damage assessment of the similar lifeline engineering and industrial architectures with complex equipment.
Key words： substation structure system；dynamic interaction；numerical simulation；shaking table tests；
damage assessment model
電力系统作为国民经济发展的重要保证，是生命线工程不可或缺的部分，而变电站是改变电压等级、汇集电能的枢纽.目前我国变电站结构的设计没有考虑结构和电气设备的相互作用，仅将设备作为堆聚荷载作用在结构层，但是由于电气设备质量大、体型复杂、布置情况多样，现行设计方法无法保证目前变电站结构具有较高的可靠度和安全性.
结构-设备组合体系是工业系统中常见的结构形式之一，李杰等[1]进行了结构-设备相互作用的振动台试验研究，但由于力学模型过于抽象化，试验结果的实用性受到了较大的限制，不能很好地适用于动力特性复杂的工业结构.文波等[2-4]建立了考虑主厂房-设备相互作用的大型变电站计算模型，以层间位移角作为地震需求参数提出了变电站的破坏等级及抗震性能水平，建立了相应的地震需求曲线得到变电站主厂房地震易损性曲线，为变电站的灾前预测、加固及灾后评估提供了一定的理论依据.本文在此基础上利用振动台模拟地震作用的试验结果验证考虑变电站主厂房与电气设备相互作用的有限元模型，同时定量分析考虑设备动力作用和不考虑其动力作用的结构地震反应差值，研究成果对带有复杂设备的工业建筑抗震设计具有重要借鉴作用.
目前国内外学者针对钢筋混凝土结构构件建立的损伤模型通常采用强度、位移及能量耗散等宏观物理参数来表达[5-10]，如Park等[5]提出了最大位移和累积耗能线性组合的地震损伤模型；郭宗明等[7]在Matlab中建立基于刚度退化和纤维梁柱单元的损伤模型；李忠献等[9]基于地震作用下钢筋混凝土结构的损伤机理提出一种以刚度退化和自由能退化线性组合的钢筋混凝土构件损伤模型.根据上述结构损伤的机理，本文把实际工程地震作用后的层间位移作为控制因素，对有限元分析结果进行修正（有限元模型中非线性材料本构无法真实模拟混凝土和钢筋材料塑性阶段刚度退化和相互作用力改变状态），定量评估楼层损伤，然后进一步采用加权组合法对工业建筑进行整体损伤值的计算，从而达到对整体结构的定量损伤评估.本文提出的基于位移修正系数法的损伤评估方法可以减小有限元非线性模拟分析的误差，对同类生命线工程震损评估具有借鉴作用.