楊 佳 項金志 李 峰

(中鐵二院工程集團有限公司, 成都 610031)

淺談電氣化鐵路牽引變電架構(gòu)及基礎(chǔ)抗震設(shè)計

楊 佳 項金志 李 峰

(中鐵二院工程集團有限公司, 成都 610031)

由于電氣化鐵路領(lǐng)域牽引變電架構(gòu)及基礎(chǔ)在抗震設(shè)計方面缺乏系統(tǒng)的理論研究，未形成完善的設(shè)計方法和步驟，影響了電氣化鐵路領(lǐng)域牽引變電架構(gòu)的可靠性設(shè)計和技術(shù)體系發(fā)展。文章通過工程應(yīng)用現(xiàn)狀以及地震波特點，結(jié)合牽引變電架構(gòu)自身特點，分析了高地震環(huán)境下牽引變電架構(gòu)及基礎(chǔ)適應(yīng)性；整理和對比分析了國內(nèi)外相關(guān)抗震設(shè)計規(guī)范，制定出高地震環(huán)境下牽引變電架構(gòu)及基礎(chǔ)的抗震設(shè)計原則及措施；結(jié)合工程抗震以及電氣化鐵路設(shè)計的特點，系統(tǒng)地提出牽引變電架構(gòu)及基礎(chǔ)的設(shè)計步驟；同時，結(jié)合工程實際提出了高地震環(huán)境下牽引變電架構(gòu)及基礎(chǔ)系列抗震、減震及隔震措施等。

牽引變電架構(gòu)； 基礎(chǔ)； 規(guī)范； 抗震設(shè)計； 減震及隔震

隨著全球進入新一輪的地震活躍期，地震對人類的影響越來越大，我國是一個幅員遼闊、多地震的國家，近幾年發(fā)生的汶川、舟曲和玉樹等多次強震，造成了不可估量的生命、財產(chǎn)損失。

世界各國對地震以及抗震設(shè)計一直都在不斷的研究，我國根據(jù)歷次地震經(jīng)驗教訓，逐漸形成了多種、多行業(yè)的抗震設(shè)計規(guī)范、規(guī)程。電氣化鐵路系統(tǒng)是一個有別于其他領(lǐng)域的特殊行業(yè)，功能性和技術(shù)性都有其獨特性，對牽引變電架構(gòu)及基礎(chǔ)在抗震設(shè)計研究方面非常少，主要如下：

(1)對于牽引變電架構(gòu)的抗震設(shè)計，目前都是參照房屋建筑和電力設(shè)施進行抗震設(shè)計，缺乏適合自身系統(tǒng)的規(guī)范、標準。

(2)對于牽引變電架構(gòu)的抗震設(shè)計，缺乏系統(tǒng)的理論依據(jù)和指導，如地震設(shè)防烈度、地震作用計算方法、地震作用參數(shù)取值以及荷載效應(yīng)計算等方面，都沒有系統(tǒng)性、合理性的規(guī)定。

(3)缺少牽引變電架構(gòu)甚至電氣化鐵路系統(tǒng)的地震資料、震害資料，未系統(tǒng)的展開分析、調(diào)查，沒有充分的總結(jié)經(jīng)驗教訓，使得牽引變電機構(gòu)的抗震設(shè)計研究停滯不前。

(4)在實際工程抗震設(shè)計中，設(shè)計文件僅交代抗震設(shè)計設(shè)防烈度等一些簡單術(shù)語，缺少應(yīng)有的抗震作用計算、抗震措施或抗震構(gòu)造措施等，工程缺少系統(tǒng)的抗震設(shè)計。

因此，本文結(jié)合國內(nèi)外抗震設(shè)計情況，針對目前我國電氣化鐵路牽引變電架構(gòu)、設(shè)備支架及設(shè)備基礎(chǔ)等抗震設(shè)計技術(shù)進行論述。

1 牽引變電架構(gòu)及基礎(chǔ)

牽引變電架構(gòu)是電氣化鐵路變電所室外導線、設(shè)備的主要支持結(jié)構(gòu)的統(tǒng)稱，主要包括：進線架構(gòu)、中間架構(gòu)、終端架構(gòu)和設(shè)備支架。它是根據(jù)變電所的電壓等級、規(guī)模、設(shè)備布置、施工運行條件以及當?shù)氐臍庀髼l件等來確定的。

1.1 牽引變電架構(gòu)及設(shè)備支架

牽引變電架構(gòu)按其用途分類，架構(gòu)分進線架構(gòu)、中間架構(gòu)和終端架構(gòu)等，單桿或雙桿設(shè)備支架等；牽引變電站架構(gòu)按材料分為鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)；按結(jié)構(gòu)型式分：支柱有角鋼格構(gòu)式、環(huán)形等徑式、人字柱及設(shè)置拉線等型式；橫梁有格構(gòu)式和非格構(gòu)式。

(1)在電氣化鐵路領(lǐng)域，牽引變電架構(gòu)主要采用格構(gòu)式角鋼架構(gòu)和預應(yīng)力環(huán)形截面鋼筋混凝土柱架構(gòu)。

預應(yīng)力環(huán)形截面鋼筋混凝土柱架構(gòu)，一般由預應(yīng)力環(huán)形等徑支柱和輕型圓鋼管橫梁組成，用于變電所電壓等級較低，承受荷載不大，且設(shè)計使用年限要求不高的變電所，該種結(jié)構(gòu)的架構(gòu)施工重量大，不易運輸，但一次性投資較低。

格構(gòu)式角鋼架構(gòu)，一般由矩形斷面格構(gòu)式支柱和矩形斷面格構(gòu)式鋼梁或輕型圓鋼管橫梁組成，用于變電所電壓等級較高，承受荷載交大的變電所，該種結(jié)構(gòu)的變電架構(gòu)加工、運輸方便，自重輕，易于防腐，焊接型格構(gòu)式角鋼架構(gòu)安裝簡單，但投資較混凝土架構(gòu)更高。

(2)變電所內(nèi)的設(shè)備支架主要有采用環(huán)形等徑預應(yīng)力混凝土支架、格構(gòu)式角鋼支架和H型鋼支架。

環(huán)形等徑預應(yīng)力混凝土支架結(jié)構(gòu)，由混凝土和鋼筋組成，其加工制造較復雜，重量大，不易運輸，造價與格構(gòu)式角鋼支架相比節(jié)省不明顯。

格構(gòu)式角鋼支架結(jié)構(gòu)，是由角鋼組成的矩形斷面格構(gòu)式柱，熱浸鍍鋅易于防腐，生產(chǎn)加工、運輸?shù)榷驾^方便。

H型鋼支架結(jié)構(gòu)，由H型鋼加工而成，在高速鐵路系統(tǒng)中，與接觸網(wǎng)系統(tǒng)H型鋼柱協(xié)調(diào)一致，整體美觀性強，但是H型鋼結(jié)構(gòu)有強弱軸之分，截面抵抗矩大小跟方向有較大關(guān)系，且承受扭矩荷載差。

1．2 變電架構(gòu)及設(shè)備支架基礎(chǔ)

變電架構(gòu)基礎(chǔ)型式的設(shè)計和選擇，應(yīng)綜合考慮場坪地質(zhì)情況、作用在基礎(chǔ)上的荷載大小和類型、施工運輸條件、工程造價以及美觀等因素，滿足結(jié)構(gòu)的可靠、穩(wěn)定性。

在電氣化鐵路系統(tǒng)中，根據(jù)牽引變電結(jié)構(gòu)特點，牽引變電架構(gòu)及設(shè)備支架基礎(chǔ)一般采用兩種型式：當采用格構(gòu)式鋼柱時，一般采用現(xiàn)場開挖混凝土澆筑基礎(chǔ)；當采用環(huán)形等徑混凝土支柱時，一般采用插入式杯型基礎(chǔ)；基礎(chǔ)均采用素混凝土，基礎(chǔ)內(nèi)一般可不配置鋼筋。

2 抗震設(shè)計規(guī)范

目前，在電氣抗震設(shè)計方面，國外主要有美國、歐洲、日本進行了系列研究，形成如美國變電站抗震設(shè)計推薦實施規(guī)程(IEEE Std693)、歐洲EN系列標準、日本電氣設(shè)備抗震設(shè)計指南(JEAG 5003)等。

我國已經(jīng)頒布實施了多部抗震設(shè)計規(guī)范，如：GB 50223-2008《建筑工程抗震設(shè)防分類標準》、GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》和GB 50260-1996《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》等。這些規(guī)范對工程抗震設(shè)計的各方面都提出了詳細的要求，如表1所示。

表1 抗震設(shè)計規(guī)范表

3 抗震設(shè)計原則

3.1 抗震設(shè)防類別

(1)GB 50223-2008《建筑工程抗震設(shè)防分類標準》規(guī)定了在鐵路建筑中，各種等級鐵路的行車調(diào)度、運轉(zhuǎn)、通信、信號、供電、供水建筑，以及特大型站和最高聚集人數(shù)很多的大型站的客運候車樓，抗震設(shè)防類別應(yīng)劃為重點設(shè)防類。

(2)GB 50223-2008《建筑工程抗震設(shè)防分類標準》相關(guān)條文進一步解釋在鐵路系統(tǒng)的建筑中，需要提高設(shè)防標準的建筑主要是五所一室和人員密集的候車室。

(3)GB 50223-2013《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定了變電站所有架構(gòu)、設(shè)備支架為標準設(shè)防類，簡稱丙類。

綜上，對電氣化鐵路牽引變電架構(gòu)基礎(chǔ)的抗震設(shè)防類別無專門的明確規(guī)定，因此，在充分考慮電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的安全性、經(jīng)濟性等基礎(chǔ)上，牽引供電系統(tǒng)中的變電架構(gòu)建議采用標準設(shè)防類(丙類)。

3.2 抗震設(shè)防烈度

電氣化鐵路工程所在地區(qū)可能遭受的地震影響程度，應(yīng)用相應(yīng)于抗震設(shè)防烈度的地震動峰值加速度和地震動反應(yīng)譜特征周期來表述，如表2所示。

表2 抗震設(shè)防烈度參數(shù)表

在牽引變電架構(gòu)的抗震設(shè)計時，變電架構(gòu)、基礎(chǔ)的抗震設(shè)防烈度應(yīng)根據(jù)GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》以及現(xiàn)行《中國地震烈度區(qū)劃圖》規(guī)定的基本地震烈度進行取值計算。

3.3 場地類別

建筑場地按照現(xiàn)行國家標準GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》可分為有利、不利和危險地段，如表3所示。

表3 不同地段類別的劃分表

場地地質(zhì)勘察應(yīng)在勘察報告中劃分為對變電架構(gòu)、基礎(chǔ)有利、不利和危險的地段，并應(yīng)提供變電架構(gòu)、基礎(chǔ)的場地覆蓋層厚度、圖層剪切波速和巖土地震穩(wěn)定性評價。在牽引變電架構(gòu)抗震設(shè)計時，工程地勘專業(yè)或地質(zhì)專業(yè)應(yīng)該直接向牽引變電專業(yè)提供相應(yīng)區(qū)段的場地類別，牽引變電專業(yè)據(jù)此展開變電架構(gòu)的抗震設(shè)計。

3.4 設(shè)防標準

變電所架構(gòu)及基礎(chǔ)抗震設(shè)防類別為標準設(shè)防類(丙類)，應(yīng)按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度確定其抗震措施和地震作用。

(1)GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第3.1.2條規(guī)定：“抗震設(shè)防烈度為6度時，除本規(guī)范有具體規(guī)定外，對乙、丙、丁類的建筑可不進行地震作用計算?！?/p>

(2)GB 50223-2013《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》第7.6.11條規(guī)定：“抗震設(shè)防烈度小于或等于8度，Ⅰ、Ⅱ類場地的構(gòu)支架及其地基基礎(chǔ)可不進行截面抗震驗算?！?/p>

(3)GB 50135-2006《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》第4.4.3條規(guī)定：“小于或等于8度，Ⅰ、Ⅱ類場地的不帶塔樓的鋼塔架及其地基基礎(chǔ)可不進行抗震驗算?！?/p>

綜上可知，下列變電站架構(gòu)及基礎(chǔ)可不進行截面抗震驗算，而僅需滿足抗震構(gòu)造要求。

(1)6度，在任何類場地的架構(gòu)、設(shè)備桿及其地基基礎(chǔ)。

(2)小于或等于8度，Ⅰ、Ⅱ類場地的架構(gòu)、設(shè)備桿及其地基基礎(chǔ)。

因此，在牽引變電架構(gòu)及基礎(chǔ)的抗震設(shè)計時，其設(shè)防標準如表4所示。

表4 牽引變電架構(gòu)抗震設(shè)防標準表

表中“×”表示不考慮地震作用

3.5 抗震措施

(1)牽引變電架構(gòu)

牽引變電構(gòu)架柱宜采用A字形鋼管柱、角鋼或鋼管格構(gòu)式柱，220 kV及以下電壓等級的構(gòu)架柱也可采用A字形鋼筋混凝土環(huán)形桿和鋼管混凝土柱等結(jié)構(gòu)形式，構(gòu)架梁宜采用單鋼管梁、三角形或矩形斷面格構(gòu)式鋼梁等結(jié)構(gòu)形式。

(2)牽引變電架構(gòu)基礎(chǔ)

變電架構(gòu)基礎(chǔ)和設(shè)備桿基礎(chǔ)抗宜采用現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。需要設(shè)置部分裝配式構(gòu)件時，應(yīng)使其與周圍構(gòu)件有可靠的連接。地下鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最小尺寸應(yīng)不低于同類地面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的規(guī)定。

在進行電氣設(shè)備的支架設(shè)計時，要使基礎(chǔ)和支架的自震頻率與設(shè)備本體的自震頻率分開，支架的自震頻率應(yīng)為設(shè)備自震頻率的3倍以上，避免設(shè)備支架與電氣設(shè)備發(fā)生共振。

設(shè)備基礎(chǔ)和設(shè)備支架的自震頻率應(yīng)避開地震波的頻率范圍0.5～10 Hz，且距離越遠越好，一般應(yīng)使設(shè)備基礎(chǔ)和支架的自震頻率大于15 Hz，防止因基礎(chǔ)、支架與地震發(fā)生共振而產(chǎn)生動力反應(yīng)。

混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的縱向受力鋼筋的抗震錨固長度修正系數(shù)，對一、二級抗震等級取1.15，對三級抗震取1.05，對四級抗震等級取1.00。

4 抗震設(shè)計計算

4.1 計算方法

抗震設(shè)計的基本目標是防止建筑倒塌，保證地震后建筑物的使用功能。正如“小震不壞、中震可修、大震不倒”。地震對建筑物的作用效應(yīng)與地震烈度的大小、震中距、場地條件、結(jié)構(gòu)本身的動力特性(自振周期、阻尼)、時間歷程等有關(guān)。現(xiàn)今比較成熟的計算地震力的方法有底部剪力法、振型分解反應(yīng)譜法和時程分析法。

變電構(gòu)架進行截面抗震驗算時，其計算簡圖可與靜力分析簡圖取得一致，尚應(yīng)按兩個水平主軸方向分別進行驗算。牽引變電架構(gòu)高度不超過30 m，且以剪切變形為主的結(jié)構(gòu)和近似于單質(zhì)點體系的變電所結(jié)構(gòu)(含基礎(chǔ)地面以上部分)，可采用底部剪力法等簡化方法。

4.2 地震荷載組合

地震作用效應(yīng)與其他荷載效應(yīng)組合時，應(yīng)計入下列各項作用：①恒載；②導線、絕緣子串和金具重等設(shè)備荷載；③正常運行時的最大導線張力；④按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定同時計入的風荷載作用效應(yīng)；⑤對高型或半高型布置的構(gòu)架，尚應(yīng)考慮通道活荷載1.0 kN/m2。

GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》荷載效應(yīng)組合是針對房屋建筑結(jié)構(gòu)的荷載，對于牽引變電所架構(gòu)、基礎(chǔ)的荷載組合只能起到一個指導作用，GB 50260-2013《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》荷載組合增加了導線張力，更能貼切反映出變電所架構(gòu)導線張力對結(jié)構(gòu)的影響，對于變電所架構(gòu)、基礎(chǔ)荷載組合效應(yīng)更加適用。

各種規(guī)范標準規(guī)定的地震荷載組合荷載分項系數(shù)對比情況如表5所示。

表5 地震荷載組合荷載分項系數(shù)對比表

據(jù)上表，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中恒載分項系數(shù)一般情況應(yīng)取1.35。經(jīng)對比分析后，偏于安全考慮，牽引變電架構(gòu)抗震設(shè)計時宜采用GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中規(guī)定的恒載分項系數(shù)。

因此，牽引變電架構(gòu)抗震設(shè)計時，各種荷載分項系數(shù)取值參考如表6所示。

表6 地震荷載分項系數(shù)取值表

綜上所述，GB 50260-2013《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》和GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》在一些系數(shù)的取值、計算公式上存在差異，由于牽引變電架構(gòu)和設(shè)備支架水平荷載較大的性質(zhì)，建議在進行牽引供電架構(gòu)和設(shè)備支架的抗震設(shè)計時，應(yīng)遵循GB 50260-2013《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》，而GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》以及其他規(guī)范、規(guī)程應(yīng)作為設(shè)計參考。

同時，牽引變電架構(gòu)基礎(chǔ)應(yīng)考慮抗傾覆計算，因此，建議牽引變電架構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)主要遵循DL/T 5219-2005《架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》，GB 50007-2012《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》、GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》及其他規(guī)范、規(guī)程應(yīng)作為設(shè)計參考。

4.3 抗震設(shè)計步驟

牽引變電架構(gòu)抗震設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 牽引變電架構(gòu)抗震設(shè)計流程示意圖

5 減震與隔震設(shè)計

隔震和消能減震是建筑結(jié)構(gòu)減輕地震災害的有效手段，其中，隔震技術(shù)屬于抗震設(shè)計中的主動控制技術(shù)，設(shè)置隔震層，可直接減少輸入上部結(jié)構(gòu)的地震能量，從而滿足特殊使用功能的要求。而消能減震技術(shù)屬于抗震設(shè)計中的被動控制技術(shù)，地震能量首先輸入結(jié)構(gòu)，然后再由消能器吸收或消耗。

(1)減震措施可分為裝設(shè)隔震器和減震器。常用的減震器包括橡膠阻尼器、阻尼墊和剪彎型、拉壓型、剪切型等鉛合金減震器以及其他減震裝置。應(yīng)根據(jù)電氣沒備的結(jié)構(gòu)特點、使用要求、自振周期及場地類別等，選擇相適用的減震或隔震措施。

(2)冬季環(huán)境溫度低于-15℃地區(qū)，應(yīng)選用具有耐低溫性能的橡膠阻尼器。

(3)隔震器和減震器應(yīng)滿足強度和位移要求。

(4)隔震器或減震器宜設(shè)置在支架或電氣設(shè)備與基礎(chǔ)、建筑物及構(gòu)筑物的連接處。采用減振或隔震措施時，不應(yīng)影響電氣設(shè)備的正常使用功能。

(5)在電氣設(shè)備的底座與設(shè)備支架(或設(shè)備基礎(chǔ))之間，裝設(shè)阻尼器等減震阻尼裝置。在國外，如法國、日本等國家的部分電氣設(shè)備也是采用減震、阻尼裝置作為抗震措施之一。減震阻尼裝置的作用主要是改變本體的自震頻率，使電氣設(shè)備體系的自震頻率避開安裝地點場地的地震波頻率，避免或減少共振。同時，還能夠加大體系的阻尼比，減少設(shè)備體系動力反應(yīng)放大系數(shù)，降低設(shè)備根部的應(yīng)力，從而達到提高抗震能力的目的。

6 結(jié)論

隨著我國抗震設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，以及大量地震區(qū)輸變電、鐵路等工程的建設(shè)，我們已經(jīng)具備了大量的抗震技術(shù)理論知識和工程應(yīng)用，但是對于電氣化鐵路領(lǐng)域的抗震技術(shù)研究和應(yīng)用尚在起步階段，而且由于地震的不確定，以及各行業(yè)間的差異，使得我國各種抗震規(guī)范間仍還存在不一致、矛盾的地方。

隨著川藏和滇藏等鐵路即將建設(shè)，電氣化鐵路將覆蓋更多的高烈度地震區(qū)，部分區(qū)段甚至達到9度及以上地震區(qū)，因此，我們不僅應(yīng)在思想意識上引起高度重視，在抗震設(shè)計技術(shù)的研究方面，也應(yīng)立即展開相應(yīng)的抗震研究，盡快制定和完善適合于電氣化鐵路系統(tǒng)的抗震設(shè)計技術(shù)體系。

[1] GB 50223-2008 建筑工程抗震設(shè)防分類標準[S]. GB 50223-2008Standard for classification of seismic protection of building constructions[S].

[2] GB 50011-2010 建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S]. GB 50011-2010Code for seismic design of buildings[S].

[3] GB 50260-2013 電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范[S]. GB 50260-2013 Code for seismic design of electrical installations[S].

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(編輯：蘇玲梅)

Discussion of Electrification Railway Traction Substation Structure and Foundation anti-seismic Design

YANG Jia XIANG Jinzhi LI Feng

(China Railway Eryuan Engineering Group Co.，Ltd.， Chengdu 610031， China)

There is no systematic research about the electrification railway traction substation structure and foundation anti-seismic design, and the complete design method and procedures are not finished, which affects the reliability design and technology system development of electrification railway traction substation structure. The adaptability of the traction substation structure and foundation under high seismic environment are analyzed according to the traction substation structure characteristics and the project application status and the seismic wave characteristics. After collating and contrastively analyzing anti-earthquake design code domestic and overseas, the anti-earthquake design principle and measures are established for traction substation structure and foundation under high seismic environment. Based on the anti-seismic design and electrification railway design characteristics, design procedures of traction substation structure and foundation are raised systematically. Meanwhile, the anti-seismic, shock-absorbing and seismic-isolation measures are raised according to the project practice.

traction substation structure；foundation; code；anti-seismic design；shock-absorbing and seismic-isolation

2016-05-13

楊佳(1980-)，男，高級工程師。

1674—8247(2016)06—0038—06

U224

A