配电楼—电气设备系统的地震反应及减震控制研究

论文摘要

随着国民经济的快速发展,人类的用电需求越来越大,而作为电力网络重要组成部分的变电站配电楼系统,在整个电网中起到了枢纽的作用,是保障电网安全运行的关键环节。国内外众多破坏性地震实例表明,强烈地震对配电楼系统的破坏会引发整个电力系统的破坏,从而导致严重的次生灾害和惨重的经济损失,对国计民生和经济建设影响极大。近些年来,世界各国都加强了对电力系统地震灾害的研究工作,但对配电楼系统的地震反应研究尚欠深入,诸多问题亟待解决。本文首次考虑主体结构-电气设备相互作用,对我国变电站配电楼系统的地震反应进行了深入系统的研究,分析了配电楼系统的动力特性,研究了单向、多维地震动以及近断层地震动影响等不同类型地震动输入情况下配电楼系统的地震反应,进而采用隔震技术进行了配电楼系统的减震控制研究,根据分析结果对现行《建筑抗震设计规范》和《电力设施抗震设计规范》相关条文提出了完善建议。主要研究内容如下:针对国内电力行业常用的两种配电楼系统,建立了考虑主体结构-电气设备相互作用的三维动力分析模型。根据主体结构型式和电气设备摆放特点分析了配电楼系统的动力特性,考察了电气设备与结构楼层质量比等因素对系统自振周期的影响,并与传统结构设计方法所得结果进行对比,得到了配电楼系统的动力特性规律。筛选出Ⅰ～Ⅳ类场地共10条有代表性的实震记录作为地震动输入,采用时程分析法研究了地震动单向、多维输入情况下配电楼系统弹性及弹塑性阶段的地震反应。通过对框架柱底部剪力、柱顶水平位移、柱顶水平加速度以及电气设备水平加速度等地震反应结果的分析,进行了主体结构层间位移角限值及电气设备动力放大系数的修正。首次研究了建造于近断层处配电楼系统的抗震性能,选取了100条近断层地震记录作为地震动输入,对配电楼系统主体结构和电气设备的地震反应及破坏特征进行了分析,结果表明近断层处配电楼系统的地震破坏更大。为了确保配电楼系统的正常使用,采用基础隔震技术对配电楼系统开展了减震控制研究,分析了基础隔震配电楼系统主体结构和电气设备的地震反应。结果表明,采用基础隔震措施能够有效地减小配电楼和电气设备的地震反应,从而为同类生命线工程应用隔震技术提供了重要的借鉴和参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 配电楼系统抗震性能研究的重要性
• 1.1.1 国民经济发展的要求
• 1.1.2 抗震设计规范改进的要求
• 1.1.3 结构设计改进的要求
• 1.2 配电楼系统的特点
• 1.2.1 主体结构的特点
• 1.2.2 电气设备的特点
• 1.3 配电楼系统的震害特点
• 1.3.1 主体结构的震害特点
• 1.3.2 电气设备的震害特点
• 1.4 国内外研究现状
• 1.4.1 国外研究现状
• 1.4.2 国内研究现状
• 1.5 本文研究的主要内容
• 参考文献
• 2 配电楼系统的计算模型及动力分析方法
• 2.1 引言
• 2.2 考虑主—子结构相互作用的简化计算模型
• 2.2.1 串联计算模型
• 2.2.2 层间剪切模型
• 2.3 配电楼系统地震反应方程
• 2.3.1 动力分析模型
• 2.3.2 运动微分方程的建立
• 2.4 动力分析方法
• 2.4.1 时程分析方法
• 2.4.2 弹塑性恢复力模型
• 2.5 小结
• 参考文献
• 3 配电楼系统模态分析
• 3.1 模态分析方法
• 3.2 配电楼系统模态分析
• 3.2.1 PDL1系统模态分析
• 3.2.2 PDL2系统模态分析
• 3.3 小结
• 参考文献
• 4 配电楼系统地震反应分析
• 4.1 输入地震动的选择
• 4.1.1 地震动类型
• 4.1.2 输入地震动的选择
• 4.1.3 输入地震动的调幅
• 4.2 计算模型及参数
• 4.3 PDL1系统的地震反应分析
• 4.3.1 主体结构计算结果
• 4.3.2 电气设备计算结果
• 4.4 PDL2系统的地震反应分析
• 4.4.1 主体结构计算结果
• 4.4.2 电气设备计算结果
• 4.5 小结
• 参考文献
• 5 多维地震动作用下配电楼系统地震反应分析
• 5.1 引言
• 5.2 多维地震动作用下配电楼系统的运动方程
• 5.2.1 运动方程
• 5.2.2 多维地震动输入
• 5.3 多维地震动作用下PDL1系统的地震反应分析
• 5.3.1 主体结构计算结果
• 5.3.2 电气设备计算结果
• 5.4 多维地震动作用下PDL2系统的地震反应分析
• 5.4.1 主体结构计算结果
• 5.4.2 电气设备计算结果
• 5.4.3 不同参数对系统地震反应分析的影响
• 5.6 小结
• 参考文献
• 6 近断层地震动对配电楼系统地震反应的影响
• 6.1 近断层地震动特征
• 6.2 近断层地震动记录
• 6.2.1 台湾集集近断层地震动记录
• 6.2.2 美国北岭近断层地震动记录
• 6.3 计算结果分析
• 6.3.1 主体结构计算结果
• 6.3.2 电气设备计算结果
• 6.4 小结
• 参考文献
• 7 配电楼系统减震控制研究
• 7.1 振动控制方法
• 7.2 隔震支座基本特点
• 7.2.1 隔震支座分类
• 7.2.2 隔震支座的力学模型
• 7.3 配电楼隔震系统分析模型及运动方程
• 7.4 配电楼隔震系统地震反应分析
• 7.4.1 PDL1隔震系统地震反应分析
• 7.4.2 PDL2隔震系统地震反应分析
• 7.5 配电楼隔震系统在近断层地震区的地震反应
• 7.6 小结
• 参考文献
• 8 配电楼系统抗震设计建议
• 8.1 配电楼系统的性能目标
• 8.1.1 抗震性能水平的划分
• 8.1.2 配电楼系统的抗震性能目标建议
• 8.1.3 层间位移角限值的建议
• 8.1.4 角柱内力系数的建议
• 8.1.5 水平向减震系数的建议
• 8.1.6 电气设备动力放大系数的建议
• 8.2 配电楼系统的抗震构造措施建议
• 8.2.1 主体结构的抗震构造措施建议
• 8.2.2 电气设备的抗震构造措施建议
• 8.2.3 隔震层的抗震构造措施建议
• 8.3 小结
• 参考文献
• 9 结论与展望
• 9.1 主要结论
• 9.2 研究展望
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研、获奖情况