浅谈变电站构筑物的抗震

摘要：简单地分析了变电站构筑物地震受力状态，探讨如何优化变电站构筑物的抗震设计。

关键词：变电站构筑物；抗震

随着我囯经济的日益增长，变电站的数量也不断增加。作为电力系统中重要的点，变电站的安全就显得尤为重要。发生地震时，变电站的主体建筑物如果破坏将造成重大的损失，而辅助构筑物的损坏无疑会加重损失及引发次生灾害。本文就变电站构筑物的抗震计算及抗震措施做一次简单的探讨。

一、消防水池

消防水池是消防中最重要的一环，若消防水池丧失功能，将直接影响次生灾害（如火灾）的扑灭而导致严重的经济损失。消防水池按埋深一般分为地上、半地下和地下三类，其中半地下式消防水池较为常见，本文就半地下式消防水池及其附件展开讨论。

消防水池的抗震设计可参考《构筑物抗震设计规范》（GB50191-2012）第十八章浓缩池的规定，除了满足相应的抗震措施要求外，半地下消防水池在抗震设防烈度9度及以上时应采用下式验算池壁受力[1]：

由上式可以看出，池壁动液压力是池壁高度的二次方，池壁底端弯矩是池壁高度的三次方，因此，降低池壁高度可以有效地减少地震时池壁的受力。

半地下式消防水池池壁的地震作用计算除了计入结构等效重力荷载产生的水平地震作用和动液压力作用，尚应计入动土压力作用：

由上式可以看出，消防水池埋置深度越深，池壁受动土压力越大；相应地，土受池壁压力越大。结合动液压力的计算式，池壁受力状态为：壁内受均匀液压力，壁外受部分土压力，池壁埋地部分受内外相对作用力，而地上部分只受内壁动液压力。因此池壁地上部分的水平配筋应适当加强。同理，池壁弯矩最大值不产生于底端，考虑水池顶板的水平地震力和土的侧向约束，池壁的地上部分反而是弯矩的高值区，计算时宜考虑该区域弯矩最值并对配筋进行验算。

综上所述，减小池壁高度可以有效减小地震时池壁受力，然而实际设计中受场地等因素影响消防水池占地面积不可能很大，在无法降低较多池壁高度的情况下，可以考虑适当加大水池的埋置深度，利用池壁内外受力平衡达到最优效果。

在设计中受力（强度）计算一直是工程师注重的内容，位移（刚度）计算往往被忽视，这里的位移包含以下两种情况：一是池壁本身完好，但因位移过大（甚至倾覆）导致水池或连接附件（如抽水管）失去功能；二是消防水池与周侧土发生较大的相对位移，四周如为硬底化地面就会产生裂缝。为达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防水准，设计时应考虑因位移产生的破坏。针对第一种情况，验算地基土承载力时应考虑水池最不利地震效应，如果地基土为饱和砂土或饱和粉土，还需进行液化判别，除此之外还应验算地基土的受冲击荷载时的沉降量；水池附件与水池的连接宜采用软连接，如无法满足则可以在连接件的另一端采用软连接。针对第二种情况，计算时可将周侧土假设为弹性支座，且支座位移不可复原，土的压缩模量即可视为土的刚度，池壁的动土压力视为支座反力，计算得到的最大位移发生在地面池壁与土交界处；若水池四周地面为硬底化地面，池壁与地面间宜设伸缩缝，内填柔性物质（如沥青麻丝等）。

二、主变防火墙

当主变间的防火间距不满足消防要求时应设置防火墙，防火墙应比主变高一米以上，致使防火墙的高厚比很低。防火墙一般为独立设置，可视为悬臂结构，平面内（平行于墙方向）刚度较高，平面外（垂直于墙方向）刚度较低。按两个正交方向水平地震力作用计算时（假设其中一个方向正好与墙面平行），平面内可按剪力墙模型计算，平面外可考虑按悬挑板模型计算。

防火墙非受力构件，活载一般只考虑检修荷载，参与地震力计算的主要为恒载。防火墙结构常见的为两种形式：一种为全钢筋混凝土，一种为框架结构内填充砌体（灰砂砖或轻质砖）。第一种形式平面内水平地震力全部由整体防火墙承担，一般情况下构造即可满足要求；平面外因为防火墙自重和高度大，采用底部剪力法计算如下[2]：

由上式可以看出，高度是影响水平地震力和弯矩的最大因素，而且随着高度的增加，结构底端弯矩迅速增大。第二种形式防火墙与第一种形式类似，但由于结构体大部分为填充砌体，如果填充物为轻质砌体的话，重力荷载要小很多，水平地震力和弯矩值同时也处于相对较低的水平。

不同形式的防火墙因自重不同导致地震效应不同，需要验算的部位也不同。第一种形式结构底端弯矩值较大，需进行结构抗倾覆验算，验算部位为平面外基础边缘，防止地基土剪切破坏导致整体倾覆。这种情况下，加大基础面积可以减小边缘地基土受力，但现实中主变间距很小，无法提供足够位置做基础；另外一种有效的解决方法是在防火墙顶端设置连梁，将几榀防火墙连接到一起形成一个整体结构，此时单榀防火墙基础的边缘土压力会大大降低，防火墙顶端位移也可以控制在一个很小的范围。主变构架横梁如果设置在防火墙上时也可起到相同的作用，但必须保证钢横梁有足够的刚度，而混凝土横梁则需要验算连接点的弯矩，否则可能发生节点破坏。

第二种形式防火墙受地震力较小，高度未超过一定值时可不做验算。其由两种材料组合而成，因此设计时应考虑结构的整体性。混凝土框架应有足够的刚度，因此要求梁跨度不宜太大，中部可适当增加柱子以减少梁跨度；混凝土框架与填充砌体间应有可靠连接，防止砌体倒塌破坏，可配置拉结筋等方式来增强连接。

三、消防小室、围墙、电缆沟、女儿墙

此类结构的特点为均为砌体结构，且非主要受力结构，一般情况下满足构造要求即可，同时也能达到整体性的要求。除了设置构造柱外，圈梁（压顶）也能很好地增强结构整体性，另外，选择强度较高的砂浆也有助于增强砌块与砌块间的连接。

四、结语

变电站构筑物一般受外力荷载较小，因自重而产生的地震效应占大部分，结构的倾覆和结构的连接破坏需引起重视，构造措施为首要满足条件。

参考文献：

[1] GB50191-2012构筑物抗震设计规范

[2] GB50011-2010 建筑抗震设计规范