CN107386481B - 一种变电站结构刚度增强装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种变电站结构刚度增强装置，该装置主要由竖向耗能支撑体系与楼板支撑体系组成，竖向耗能支撑体系主要由防屈曲支撑、局部防屈曲支撑与金属橡胶阻尼装置组成，楼板支撑体系主要由焊接工字钢组成。该加强支撑体系利用不同的支撑增强结构整体刚度，减轻结构在地震作用下损伤或破坏。其中，竖向耗能支撑可增强结构每层抗侧刚度；楼板支撑增强结构平面刚度，将结构连成整体共同受力。该支撑方案是平面和竖向不规则结构的有效解决措施，同时具有使用功能影响小、施工方便、损益比小等特点，对于不规则的变电站结构有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程防灾减灾领域，具体涉及一种变电站结构刚度增强装置。
背景技术
随着社会经济等方面的发展，人们不再追求简单温饱，更对生活质量提出了更高的要求，如高质量的教育环境、医疗卫生条件等等。其中，电力系统几乎成为各行各业的核心或不可或缺的一部分。在对电力系统要求越来越高的今天，变电站结构在电力系统中位置也日益重要。
目前，变电站结构主流是钢筋混凝土结构，结构工程师在结构抗震设计中常选择通过增加梁柱截面尺寸方式以提高结构抗侧刚度进而增强结构抗震能力。但这种做法的弊端是：结构刚度增加导致结构自振周期减小，自振周期减小又导致地震作用增加，即仅增加梁柱截面尺寸未必减轻结构在地震作用下损害。而且，由于空间布局及使用功能的要求，变电站结构往往表现出以下特点：1)楼面活荷载大，变电站结构配电设备多且重，这些大型设备使结构在使用年限内常年承担非常大的楼面活荷载。在地震作用下，结构可能产生楼板竖向振动甚至竖向倒塌；2)结构不规则，变电站结构通常平面和竖向不规则，在地震作用下易形成薄弱层；3)设备层层高大，变电站结构因使用要求设备层层高很大，有时甚至达10m，考虑到结构刚度会在层中部设置框架梁，但由于缺少楼板约束，该层中部框架梁在地震作用下震害严重，梁端出现大量塑性铰。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提供了一种变电站结构刚度增强装置，具体由以下技术方案实现：
所述变电站结构刚度增强装置，包括竖向耗能支撑与楼板支撑，所述竖向耗能支撑设置于变电站结构一组相邻柱与一组相邻梁围成的竖直区间内，包括四个防屈曲支撑、两个局部防屈曲支撑、金属橡胶阻尼器以及两第一连杆，所述防屈曲支撑的一端分别连接梁柱上，所述两第一连杆水平地平行设置，所述两局部防屈曲支撑竖直地平行设置，第一连杆与局部防屈曲支撑围成一浮动框，所述浮动框的四个顶点分别对应地与防屈曲支撑的另一端连接，所述金属橡胶阻尼器设于所述浮动框内，且与两第一连杆连接；所述楼板支撑设置于变电站结构一水平楼板面的两组梁围成的水平区间内，包括第二连杆与预埋件，所述预埋件设于变电站的梁柱上，所述第二连杆包括浮动连杆与支撑连杆，所述支撑连杆的一端为固定端，所述固定端连接所述预埋件，另一端为活动端，所述浮动连杆的两端与支撑连杆的活动端相连，形成一体式的平面结构。
所述变电站结构刚度增强装置的进一步设计在于，防屈曲支撑与局部防屈曲支撑均包括约束外筒、核心筒以及薄钢管，核心筒设于约束外筒内，所述约束外筒设于薄钢管内，所述核心筒的两端为支撑端，所述支撑端为开设有高强螺栓孔的节点连接板。
所述变电站结构刚度增强装置的进一步设计在于，所述核心筒的截面为十字形。
所述变电站结构刚度增强装置的进一步设计在于，约束外筒设有与核心筒相适配的约束孔，约束外筒采用无粘结作用的纤维填充材料。
所述变电站结构刚度增强装置的进一步设计在于，局部防屈曲支撑在两支撑端一定距离x内设置约束外筒，x不应小于1/5核心筒长度。
所述变电站结构刚度增强装置的进一步设计在于，还包括节点板，防屈曲支撑两支撑端的一端通过所述节点板与局部防屈曲支撑以及第一连杆相连，另一端通过节点板固定在梁柱节点处。
所述变电站结构刚度增强装置的进一步设计在于，防屈曲支撑与局部防屈曲支撑对应的支撑端通过穿接强度螺栓与节点板相连接；第一连杆与节点板通过栓焊连接；所述第一连杆为工字钢，工字钢的腹板两端开设有高强螺栓孔，工字钢通过穿接高强螺栓与对应的节点板连接；所述节点板上开设有高强螺栓孔，在节点板的角焊缝焊接节点处设置劲肋，以保证节点处传力。
所述变电站结构刚度增强装置的进一步设计在于，工字钢翼缘焊接坡口角度控制在30°～45°，工字钢的翼缘通过高强螺栓与金属橡胶阻尼器连接。
所述变电站结构刚度增强装置的进一步设计在于，所述第二连杆为工字钢，所述工字钢采用Q460钢材，腹板间通过高强螺栓连接，翼缘通过焊接与腹板连接。
所述变电站结构刚度增强装置的进一步设计在于，所述金属橡胶阻尼器包括用于承担地震作用下变形的橡胶层、用于约束橡胶层的水平变形的软钢金属层以及两连接钢板，所述软钢金属层与橡胶层交替设置通过硫化黏合，形成阻尼单元，所述阻尼单元连接在两连接钢板之间，所述连接钢板分别固接于两第一连杆上。
本发明的优点如下：
1)竖向耗能支撑和楼板支撑可针对变电站结构特点，减轻变电站结构在地震中破坏。
2)两种支撑结构针对变电站结构平面和竖向不规则问题分工明确，受力简单直接，极大增强结构整体刚度，减小结构在地震下变形。
3)支撑结构能根据抗震设计要求充分发挥其优点，抗震设计要求结构满足小震弹性设计和大震弹塑性设计要求，即小震下结构有足够的刚度减小结构变形，大震下结构能弹塑性变形消耗地震能量。支撑结构的局部防屈曲支撑小震下不屈曲，而大震下发生屈曲失效的特点非常好地满足抗震设计要求。
4)相比于传统的交叉耗能支撑、中心耗能支撑和偏心耗能支撑等支撑形式，本发明的支撑的布置方式不仅能减小支撑长度、提高支撑屈曲强度，而且能更好地发挥支撑、耗能作用。
5)实现竖向抗侧刚度增强与平面刚度增强支撑体系形式统一，同时可根据具体工程要求灵活布置相关阻尼装置。
6)本发明的变电站结构刚度增强装置具有实现方式简单、操作性强、易于施工、成本低、拆装方便等一系列特点。并且，竖向耗能支撑和楼板支撑在增加结构整体刚度同时不会影响结构使用功能。
附图说明
图1为防屈曲金属橡胶阻尼支撑布置方式示意图。
图2为楼板支撑布置方式示意图。
图3为防屈曲支撑立体构造图。
图4为图3所示防屈曲支撑立体构造图的AA剖面图。
图5为局部防屈曲支撑构造图。
图6为图5所示局部防屈曲支撑构造图的AA剖面图。
图7为图5所示局部防屈曲支撑构造图的BB细部大样图。
图8为金属橡胶阻尼器的立体构造图。
图9为工字钢立体图及连接关系图。
图10为楼板支撑中工字钢立体图及连接关系图。
图11为本发明支撑在小震作用下的工作状态示意图。
图12为本发明支撑在大震作用下的工作状态示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请进一步说明。
如图1、图2，本实施例的变电站结构刚度增强装置包括竖向耗能支撑和楼板支撑。竖向耗能支撑设置于变电站结构一组相邻柱100与一组相邻梁101围成的竖直区间内。该竖向耗能支撑主要由四个防屈曲支撑1、两个局部防屈曲支撑 2、金属橡胶阻尼器3以及两第一连杆4组成。防屈曲支撑1的一端分别连接梁柱节点上，两第一连杆4水平地平行设置，两局部防屈曲支撑2竖直地平行设置，第一连杆4与局部防屈曲支撑2围成一浮动框。浮动框的四个顶点分别对应地与防屈曲支撑1的另一端连接。金属橡胶阻尼器3设于浮动框内，且与两第一连杆 4连接。
如图3、图4，防屈曲支撑主要由约束外筒12、核心筒11以及薄钢管13组成。核心筒11设于约束外筒12内，约束外筒12设于薄钢管13内。核心筒11 的两端为支撑端。支撑端为开设有高强螺栓孔15的节点连接板14。防屈曲支撑的支撑核心筒采用十字形截面，十字形截面在轴力作用下极易发生扭转失稳，因此在十字形核心筒外设置约束外筒2，材料为无粘结作用的纤维填充材料，为提高其耐久性，在填充材料外加设薄钢管13，同时还能约束约束外筒的变形。支撑两端连接节点板14开高强螺栓孔15与其他构件连接，支撑连接节点板14通过角焊缝焊接节点板加劲肋16保证节点处传力。
如图5、图6以及图7所示，局部防屈曲支撑主要由约束外筒22、核心筒 21以及薄钢管23组成。核心筒21设于约束外筒22内，约束外筒22设于薄钢管23内。核心筒21的两端为支撑端。支撑端为开设有高强螺栓孔25的节点连接板24。该局部防屈曲支撑的支撑核心筒采用十字形截面，与防屈曲支撑不同的是，局部防屈曲支撑仅在支撑两端一定距离内设置约束外筒22，材料为无粘结作用的纤维填充材料，支撑中部核心筒无约束外筒22。目的是，十字形核心筒在轴力作用下有一定的屈曲强度，但屈曲强度又不至于过大，该支撑在小震下不发生屈曲，大震下屈曲失效退出工作。支撑两端连接节点板24开高强螺栓孔 25与其他构件连接，支撑连接节点板24通过角焊缝焊接节点加劲肋26保证节点处传力。
如图8，金属橡胶阻尼器3主要阻尼单元与连接钢板33，阻尼单元由橡胶垫层31和金属垫层32通过硫化黏合而成，阻尼单元上下连接钢板33，并在其四角开高强螺栓孔34用于和其他构件连接。实际应用中，金属橡胶阻尼器设计选择考虑结构体系、抗震设防烈度、构造等因素，具体原则是，保证金属橡胶阻尼器小震不屈服，大震弹塑性变形耗能以及满足正常使用要求。
本实施例中的变电站结构刚度增强装置还包括节点板5，防屈曲支撑1两支撑端的一端通过节点板5与局部防屈曲支撑2以及第一连杆4相连。另一端通过节点板5固定在梁柱节点处。防屈曲支撑1与局部防屈曲支撑2对应的支撑端通过穿接强度螺栓与节点板5相连接。第一连杆与节点板通过栓焊7连接。
如图9，本实施例的第一连杆4采用工字钢41。工字钢41与节点板5栓焊连接，工字钢腹板与节点板用高强螺栓42连接承担剪力，翼缘与节点板通过对接坡口焊缝43焊接连接承担弯矩，工字钢翼缘焊接坡口44角度控制30°～45°，高强螺栓42用于连接工字钢41和金属橡胶阻尼器3。
本实施例的楼板支撑设置于变电站结构一水平楼板面的两组梁围成的水平区间内，主要由第二连杆9与预埋件10组成。预埋件10设于梁柱上。第二连杆 9由浮动连杆92与支撑连杆91组成。支撑连杆91的一端为固定端，固定端连接预埋件10。支撑连杆91的另一端为活动端。浮动连杆92的两端与支撑连杆 91的活动端相连，形成一体式的平面结构。
进一步的，如图10该楼板支撑体系结构中的第二连杆9均为工字钢96，工字钢96与节点板5栓焊连接，工字钢腹板与节点板用高强螺栓95连接承担剪力，翼缘与节点板焊接连接承担弯矩，工字钢翼缘焊接坡口94角度控制30°～45°。工字钢所选用的材料为Q460钢材，构件间的连接方式为焊接连接，腹板通过高强螺栓连接，翼缘通过焊接连接。在实际施工中，支撑各部分应分块在工厂预制后运输到现场，然后将各模块组装连接，最后整体吊装连接到主结构上。实际中，工字钢的尺寸按照实际受力要求设计，设计内容包括强度、刚度、整体稳定、构件局部稳定等。
图11所示的是支撑在小震作用下的工作状态示意图，防屈曲支撑1、局部防屈曲支撑2和第一连杆4共同作用提供抗侧刚度，金属橡胶阻尼器3几乎不发挥作用。图12所示的是支撑在大震作用下的工作状态示意图，局部防屈曲支撑2未被约束外筒约束的核心筒发生屈曲，此时认为局部防屈曲支撑2失效退出工作，不再提供抗侧刚度，金属橡胶阻尼装置上下两端发生相对位移，阻尼器发生弹塑性变形，防屈曲支撑1、金属橡胶阻尼装置3和工字钢4共同作用提供抗侧刚度并耗散地震能量。由于局部防屈曲支撑失效，支撑刚度减小，大震下整个结构变柔，地震作用也会减小，这对结构抗震非常有利。
本实施例的支撑布置方式主要根据空间尺寸确定，支撑角度应控制在30°～ 60°，保证支撑充分发挥抗侧及耗能作用；支撑构件根据结构实际工况下的受力按照规范相应构件(如轴压、偏压、梁等)设计规定进行设计。
本实施例的变电站结构刚度增强装置竖向耗能支撑装置具备如下优点：竖向耗能支撑和楼板支撑可针对变电站结构特点，减轻变电站结构在地震中破坏。两种支撑结构针对变电站结构平面和竖向不规则问题分工明确，受力简单直接，极大增强结构整体刚度，减小结构在地震下变形。支撑结构能根据抗震设计要求充分发挥其优点，抗震设计要求结构满足小震弹性设计和大震弹塑性设计要求，即小震下结构有足够的刚度减小结构变形，大震下结构能弹塑性变形消耗地震能量。支撑结构的局部防屈曲支撑小震下不屈曲，而大震下发生屈曲失效的特点非常好地满足抗震设计要求。相比于传统的交叉耗能支撑、中心耗能支撑和偏心耗能支撑等支撑形式，本发明的支撑的布置方式不仅能减小支撑长度、提高支撑屈曲强度，而且能更好地发挥支撑、耗能作用。实现竖向抗侧刚度增强与平面刚度增强支撑体系形式统一，同时可根据具体工程要求灵活布置相关阻尼装置。本发明的变电站结构刚度增强装置具有实现方式简单、操作性强、易于施工、成本低、拆装方便等一系列特点。并且，竖向耗能支撑和楼板支撑在增加结构整体刚度同时不会影响结构使用功能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种变电站结构刚度增强装置，其特征在于包括竖向耗能支撑与楼板支撑，所述竖向耗能支撑设置于变电站结构一组相邻柱与一组相邻梁围成的竖直区间内，包括四个防屈曲支撑、两个局部防屈曲支撑、金属橡胶阻尼器以及两第一连杆，所述防屈曲支撑的一端分别连接梁柱上，所述两第一连杆水平地平行设置，所述两局部防屈曲支撑竖直地平行设置，第一连杆与局部防屈曲支撑围成一浮动框，所述浮动框的四个顶点分别对应地与防屈曲支撑的另一端连接，所述金属橡胶阻尼器设于所述浮动框内，且与两第一连杆连接；
所述楼板支撑设置于变电站结构一水平楼板面的两组梁围成的水平区间内，包括第二连杆与预埋件，所述预埋件设于变电站的梁柱上，所述第二连杆包括浮动连杆与支撑连杆，所述支撑连杆的一端为固定端，所述固定端连接所述预埋件，另一端为活动端，所述浮动连杆的两端与支撑连杆的活动端相连，形成一体式的平面结构；
防屈曲支撑与局部防屈曲支撑均包括约束外筒、核心筒以及薄钢管，核心筒设于约束外筒内，所述约束外筒设于薄钢管内，所述核心筒的两端为支撑端，所述支撑端为开设有高强螺栓孔的节点连接板；
局部防屈曲支撑在两支撑端一定距离x内设置约束外筒，x不应小于1/5核心筒长度，并且局部防屈曲支撑中部核心筒无约束外筒。
2.根据权利要求1所述的变电站结构刚度增强装置，其特征在于所述核心筒的截面为十字形。
3.根据权利要求1所述的变电站结构刚度增强装置，其特征在于约束外筒设有与核心筒相适配的约束孔，约束外筒采用无粘结作用的纤维填充材料。
4.根据权利要求1所述的变电站结构刚度增强装置，其特征在于还包括节点板，防屈曲支撑两支撑端的一端通过所述节点板与局部防屈曲支撑以及第一连杆相连，另一端通过节点板固定在梁柱节点处。
5.根据权利要求4所述的变电站结构刚度增强装置，其特征在于防屈曲支撑与局部防屈曲支撑对应的支撑端通过穿接强度螺栓与节点板相连接；第一连杆与节点板通过栓焊连接；所述第一连杆为工字钢，工字钢的腹板两端开设有高强螺栓孔，工字钢通过穿接高强螺栓与对应的节点板连接；所述节点板上开设有高强螺栓孔，在节点板的角焊缝焊接节点处设置劲肋，以保证节点处传力。
6.根据权利要求1所述的变电站结构刚度增强装置，其特征在于工字钢翼缘焊接坡口角度控制在30°～45°，工字钢的翼缘通过高强螺栓与金属橡胶阻尼器连接。
7.根据权利要求1所述的变电站结构刚度增强装置，其特征在于所述第二连杆为工字钢，所述工字钢采用Q460钢材，腹板间通过高强螺栓连接，翼缘通过焊接与腹板连接。
8.根据权利要求1所述的变电站结构刚度增强装置，其特征在于所述金属橡胶阻尼器包括用于承担地震作用下变形的橡胶层、用于约束橡胶层的水平变形的软钢金属层以及两连接钢板，所述软钢金属层与橡胶层交替设置通过硫化黏合，形成阻尼单元，所述阻尼单元连接在两连接钢板之间，所述连接钢板分别固接于两第一连杆上。
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