CN114354113A - 一种基于土-结构相互作用的变压器抗震试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于土‑结构相互作用的变压器抗震试验装置及方法，包括多层规则平面框架、活动连接件和支撑件；所述多层规则平面框架由下至上叠合在一起；所述多层规则平面框架中相邻两层之间通过活动连接件连接；所述支撑件设置于所述多层规则平面框架的立面上；被测的试件放置于所述多层规则平面框架内；所述多层规则平面框架设置于振动台上。本发明将被测试件放置于设置在振动台上的多层规则平面框架内，对振动台施加设定的地震波，从而得到考虑土‑结构相互作用时变压器类设备在地震作用下的动力响应，为实际工程及相关设计提供指导。
Description
技术领域
本发明涉及电网防灾减灾技术领域，具体涉及一种基于土-结构相互作用的变压器抗震试验装置及方法。
背景技术
震害调研显示，电气设备尤其是陶瓷材料构成的电气设备在地震作用下具有较高的易损性。变压器类设备具有体积和重量大等特点，且套管多由陶瓷材料组成，在地震作用下承受较大的地震力，易造成变压器套管损坏或使设备产生较大的位移而丧失电气功能。
在电网防灾减灾领域，受制于研究条件或者出于对研究问题的简化处理，对变压器类设备的抗震研究多是将设备与模拟地震振动台进行刚性连接，并未考虑土体对变压器的抗震影响。实际地震过程中，电气设备的地基基础不可避免的会发生变形，对上部结构的振动产生影响，这种对上部结构的自振特性、应力及位移的影响还鲜有研究。一般来说，土体的存在往往会改变输入地震波的频谱特性，有可能在一定程度上对变压器类设备的地震响应起到放大作用。因此为了提高变压器类设备的抗震性能及设备抗震设计水平，应把变压器类设备与地基基础作为一个整体的开放体系，而不是单独把设备当作一个封闭的与地基介质之间没有任何能量交换的系统，有必要建立基于土-结构动力相互作用的地震模拟振动台试验方法，为实际工程及相关设计提供指导。
发明内容
为了解决变压器类设备振动台抗震试验存在的上述问题，本发明提出了一种基于土-结构相互作用的变压器抗震试验装置，包括：多层规则平面框架、活动连接件和支撑件；
所述多层规则平面框架由下至上叠合在一起；
所述多层规则平面框架中相邻两层之间通过活动连接件连接；
所述支撑件设置于所述多层规则平面框架的立面上；
被测的试件放置于所述多层规则平面框架内；
所述多层规则平面框架设置于振动台上。
优选的，所述活动连接件包括滚珠或轴承。
优选的，所述支撑件包括立柱。
优选的，所述支撑件还包括横梁，所述横梁设置在所述立柱之间。
优选的，所述支撑件还包括斜柱，所述斜柱设置在所述立柱之间。
优选的，所述多层规则平面框架材料包括钢材或铝材。
优选的，所述多层规则平面框架形状包括矩形或圆形。
优选的，所述多层规则平面框架的高度根据振动台的承载能力以及模拟的场地类别确定。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种应用所述的基于土-结构相互作用的变压器抗震试验装置的试验方法，包括：
设计和制作被测变压器的缩比模型；
将所述缩比模型放置于设置在振动台上的多层规则平面框架内；
对整个测试系统进行调试；
对所述振动台施加设定的地震波，由所述多层规则平面框架通过活动连接件发生相对运动来模拟实际地震场地的边界条件，获得在考虑土-结构相互作用时变压器类设备在地震作用下的动力响应。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的一种基于土-结构相互作用的变压器抗震试验装置，包括：多层规则平面框架、活动连接件和支撑件；所述多层规则平面框架由下至上叠合在一起；所述多层规则平面框架中相邻两层之间通过活动连接件连接；所述支撑件设置于所述多层规则平面框架的立面上；被测的试件放置于所述多层规则平面框架内；所述多层规则平面框架设置于振动台上。本发明通过在多层规则平面框架之间设置活动连接件，使框架可以产生相对运动，从而模拟实际地震场地的边界条件。通过设计和制作被测变压器的缩比模型，将模型放置于设置在振动台上的多层规则平面框架内，由所述多层规则平面框架通过活动连接件发生相对运动来模拟实际地震场地的边界条件，获得在考虑土-结构相互作用时变压器类设备在地震作用下的动力响应，为实际工程及相关设计提供了指导。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于土-结构相互作用的变压器抗震试验装置示意图；
图2为本发明实施例提供的土箱结构尺寸示意图；
图3为本发明实施例提供的不同场地类别下变压器高压套管加速度对比示意图；
图4为本发明实施例提供的标准地震影响系数曲线。
图中：1、立柱；2、框架；3、底板；4、吊装孔；5、限位装置；6、斜柱；7、加劲肋。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图对本发明的内容做进一步的说明。
实施例1
以下对本发明实施例提供的试验装置进行进一步的说明。
为了合理的模拟实际地基，模型地基在平面上应取得足够大，但限于振动台承载能力，一般将模型地基置于一个有限的空间即土箱中，由此增加了人工边界。为了使得试验结果真实有效，应尽量减小边界效应的影响，消除地震波在边界反射形成的反射波对试验结果的影响，由此使土箱的土体边界条件接近实际地震动场地的边界条件。因此土箱的设计应满足如下要求：
a)应尽可能减小边界效应对研究对象的影响；
b)土箱在振动方向上的剪切刚度尽量小，箱壁材料的刚度和厚度应满足一定的要求，以防止或控制土体的弯曲变形等现象；
c)土箱的尺寸、容积等参数应满足振动台设备台面尺寸和承载能力的要求；
d)土箱应实现框架在振动方向(剪切方向)上的无摩擦滑动；
e)土箱的设计应综合考虑变压器模型重量、振动台大小、框架层间摩擦力、强度、稳定性和成本等因素，组装及拆卸方便。
本发明提供了一种基于土-结构相互作用的变压器抗震试验装置，包括：多层规则平面框架、活动连接件和支撑件；
所述多层规则平面框架由下至上叠合在一起；
所述多层规则平面框架中相邻两层之间通过活动连接件连接；
所述支撑件设置于所述多层规则平面框架的立面上；
被测的试件放置于所述多层规则平面框架内；
多层规则平面框架设置于振动台上。
活动连接件包括滚珠或轴承。
支撑件包括立柱。
支撑件还包括横梁，所述横梁设置在所述立柱之间。
支撑件还包括斜柱，所述斜柱设置在所述立柱之间。
多层规则平面框架材料包括钢材或铝材。
多层规则平面框架形状包括矩形或圆形。
多层规则平面框架的高度根据振动台的承载能力以及模拟的场地类别确定。
下面结合本变压器抗震试验装置对变压器进行模拟试验：
本实施例的试验装置基于上述要求制作，如图1所示，包括立柱1、规则平面框架、活动连接件、横梁4、斜柱6、加劲肋7。这里将规则平面框架简称为框架2，框架2为中空的规则矩形框架，多个框架2水平层叠在一起。上下相邻的框架2之间为活动连接件，可使各层框架2之间产生相对滑动。框架2呈矩形，其中长边上设有限位装置5，限位装置5上端为凸起，下端为凹槽，且凸起的宽度小于凹槽的宽度。下层框架2上的限位装置5的凸起位于上层框架2上的限位装置5的凹槽内，由此限制框架2不会滑出。框架2两侧由多个立柱1支撑，立柱1竖直固定在底板3上。相邻立柱1之间固定有斜柱6和横梁4。斜柱6两两交叉固定在立柱1之间，以增强纵向稳定性，横梁水平固定在立柱1之间。立柱1的底部固定有加劲肋7。
框架2的两侧短边上固定有吊装孔4，便于试验时将框架2吊装叠放至指定位置。
框架2之间的活动连接件可以是滚珠或轴承等，在本实施例中在相邻框架2之间放置滚柱，使各层框架2在一定范围内可以相对滑动。
如图2所示，这里将由框架2、活动连接件、横梁4、斜柱6、加劲肋7构成的箱体称为土箱，本实施例中土箱的尺寸、容积等参数应满足振动台设备台面尺寸和承载能力的要求，土箱的整体高度根据振动台的承载能力以及模拟的场地类别确定。
土箱的材质可以为钢材或铝材，在本实施例中，土箱选用钢材制作。
实施例2：
一种应用上述实施例中提到的基于土-结构相互作用的变压器抗震试验装置的试验方法，包括：
设计和制作被测变压器的缩比模型；
将所述缩比模型放置于设置在振动台上的多层规则平面框架内；
对整个测试系统进行调试；
根据试验要求对所述振动台施加地震波，由所述多层规则平面框架通过活动连接件发生相对运动来模拟实际地震场地的边界条件，获得在考虑土-结构相互作用时变压器类设备在地震作用下的动力响应。下面结合具体实施例对本方案做详细介绍。
一、不同场地条件类别的模拟：
1)场地类别
场地类别是场地条件的基本表征。场地土的刚度和场地覆盖层厚度是影响地表振动的主要因素；土层剪切波速可反应土体刚度。场地类别根据以上两个因素可以划分为I，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ四类场地土，见表2所示。
表2场地覆盖层厚度(单位：m)
2)土体几何尺寸相似比
试验中土体力学参数宜与原型变压器所在场地的地基参数保持一致；土体几何尺寸相似比与特高压变压器几何尺寸相似比宜保持一致，即土体的深度与地基深度的比例与模型的几何尺寸比例一致。
3)场地类别的模拟
由于土体参数与原型变压器类设备的地基参数(剪切波速)一致，因此场地类别就由土体覆盖层厚度单一控制，可采用控制土箱内土层厚度的方式去模拟不同场地类别。由表2及剪切波速可知场地覆盖层的厚度要求，选取满足场地类别条件的覆盖层厚度，按土体几何尺寸相似比，计算得到模型试验中的土层厚度，通过这一方法可以实现对不同场地类别的模拟。
二、试验方法
某1000kV特高压变压器，变压器箱体原型尺寸为：长11.5m,宽4.2m,高5.0m，由钢板制成，重量高达520吨。高压套管从箱体侧壁伸出，中、低压套管及中性点套管位于箱体上部。
试验时选择与原型变压器相同的材料，制作变压器模型及与模型连接的混凝土基础底板。为模拟实际地基，有效消除边界效应，制作了多层框架之间可相对滑动的模型土箱。试验时将模型及基础底板放置在包含土体的土箱中，如图1所示，振动台以上依次为：底板3、含有土体的土箱、土体上方埋置的混凝土基础底板、与基础底板固定连接的变压器模型。对振动台输入设定的地震波，得到了在考虑土-结构相互作用时的变压器类设备的地震响应。
(1)模型的设计与制作
当具备原型试验条件时应该优先选用原型试件，试验条件受限时，可采用缩比模型试件。缩比模型各部分材料宜与原型材料相同，并根据试验目的，使模型与原型在几何、物理、构造、力学特性、边界条件等主要方面满足相似条件。还应综合考虑模型的加工制作难度及试验安装、加载、测量的要求。
在满足振动台承载能力的基础上，模型的缩尺比例尺寸应不小于1/4。用于固定试件模型的连接件应满足安装要求，并具有足够的刚度，避免因增加连接件而改变试件的自振特性。
模型的相似系数按表1确定，具体应该满足如下要求：
a)试件宜与原型结构的弹性模量相同。
b)当试件与原型结构在具有同样重力加速度效应的情况下进行试验时，相似系数按照表1中弹塑性模型的相似关系确定；实际试验采用人工质量模拟弹塑性模型时，人工模拟质量的等效密度的相似系数按式(1)(2)确定；受振动台试验能力限制时，可采用实用弹塑性模型。
式中：ρ1m-人工模拟质量施加在材料上的密度；
ρ0m-试件材料的密度；
ρp-原型结构材料的密度。
c)对于忽略重力加速度影响的试件和只涉及弹性范围工作的弹性试件，可按表1中忽略重力效应的弹性模型的相似系数确定相似关系。
表1不同类型模型的相似关系表
在本实施例中，试验时变压器各部件均处于弹性状态，依据忽略重力效应的弹性模型，采用1/4的几何相似比，选择与原型相同的材料制作变压器模型试件，模型其他各参数的相似比由表1可得。
(2)将模型放置于设置在振动台上的多层规则平面框架内。
在进行刚性地基抗震试验时，特高压变压器模型可直接放置在振动台台面上，用孔径与振动台相匹配的螺栓杆连接模型与振动台。在本发明的技术方案中，模型与振动台之间采用基于土-结构动力相互作用的连接。
如图1所示，将模型及基础底板放置在包含土体的土箱中，振动台以上依次为：底板3、含有土体的土箱、土体上方埋置的混凝土基础底板、与基础底板固定连接的变压器模型。模型的安装按JGJ 101相关要求。
变压器基础的设计按相似关系设计。本实施例中的基础底板为混凝土底板，混凝土强度等级，配筋率等参数应与实际保持一致。基础底板与变压器通过螺栓连接。
如果需安装隔震装置，隔震装置在水平方向应与变压器长轴以及短轴边缘保持至少50mm距离。隔震装置通过螺栓与基础底板连接。
(3)对整个测试系统进行调试
在本实施例中，需要测量模型的加速度、速度、位移和应变等主要参数的动态反应。按照GB/T 13540的相关要求，加速度、位移测点优先布置在模型套管的顶部等加速度和变形反应大的部位；在特高压变压器箱体的适当部位(升高座-箱体连接处，箱体顶板中心，箱体侧壁中心)布置加速度传感器。在基础底板上布置加速度计。电阻应变片布置在套管的根部等受力较大部位。
在本实施例中，采用接触式位移计量测试变形，安装位移计的仪表架固定于台面或基坑外的地面上，仪表架具有一定的刚度。在实际操作中，如果安装接触式位移计有困难时，可用加速度或速度积分获得位移。
根据试验要求选择并安装、连接仪器，对整个测试系统进行调试，合理设置检测参数。
结合试验要求输入白噪声，白噪声峰值控制在0.05g～0.08g，测试设备的自振频率、振型、阻尼比等。
(4)对所述振动台施加设定的地震波，由所述多层规则平面框架通过活动连接件发生相对运动来模拟实际地震场地的边界条件，获得在考虑土-结构相互作用时变压器类设备在地震作用下的动力响应。
地震模拟振动台应能够同时输入水平向和竖向地震，并根据需要输出各种模拟地震波，在本实施例中，按JGJ 101的要求选用能对地震波具有迭代功能的有数控装置的模拟地震振动台。
1)地震动波形输入
试验可采用实际强震记录或人工合成地震动时程作为地震动输入。输入地震动时程不应少于三条，其中至少应有一条人工合成地震动时程。
采用人工合成地震动时程试验时，台面实际输出时程波对应的地震影响系数曲线应包络地震影响系数曲线，两者误差宜在-5％～+10％之间，时程的总持续时间不应少于30s，其中强震动部分不应小于6s。
当需进行竖向地震作用的时程试验时，地面运动最大竖向加速度可取最大水平加速度的80％。
2)地震动输入参数
电气设备的抗震设防烈度或地震动参数应根据现行国家标准GB 18306的有关规定确定。对按有关规定做过地震安全性评价的工程场地，可按批准的抗震设防设计地震动参数或相应烈度进行抗震设防。重要高压电气设备可按抗震设防烈度提高1度或按50年超越概率2％的设计地震动参数进行抗震设防。抗震设防烈度与设计基本地震加速度和提高1度后的设防地震加速度的对应关系应符合表3的规定。
表3抗震设防烈度与设计基本地震加速度值的对应关系
| 抗震设防烈度 | 6 | 7 | 7 | 8 | 8 |
| 设计基本地震加速度/g | 0.05 | 0.10 | 0.15 | 0.20 | 0.30 |
| 设防地震加速度/g | 0.10 | 0.20 | 0.30 | 0.40 | 0.50 |
按已知的地震动参数的要求构造地震影响系数曲线，按照与地震影响系数曲线对应的地震加速度反应谱合成用于台面输入的人工地震波。
如图4所示的标准地震影响系数曲线，图4中各形状参数符合下列规定：
a)水平段，周期小于0.03s的区段。
b)直线上升段，自0.03s至0.1s的区段。
c)水平段，自0.1s至0.9s的区段。
d)曲线下降段，自0.9s至4.0s的区段。
e)直线下降段，自4.0s至6.0s区段。
f)周期大于6.0s的结构所采用的地震影响系数应专门研究。
g)地震影响系数曲线按公式(3)～公式(6)表达：
式中：
α——地震影响系数，按GB 50260的规定取值；
αmax——地震影响系数最大值，按GB 50260的规定取值；
T——结构自振周期；
ξ——结构阻尼比，对于电气设备，应采用结构的实际阻尼比，若实际阻尼比未知，建议取值最大不超过2％，并应符合GB 50260的要求；
γ——曲线下降段的衰减指数；
η1——直线下降段的下降斜率调整系数，当计算值小于0时，取为0；
η2——阻尼调整系数，当计算值小于0.55时，取为0.55。
结合试验要求输入地震动时程进行试验，采集数据并保存。如图3所示，根据测试结果对不同场地类别下变压器高压套管加速度进行了对比。
试验的全过程以录像作动态记录，对于特高压变压器模型主要部位的损坏情况拍摄照片和写实记录。
3)试验中设备最大应力的确定
地震作用下套管最大应力σmax根据试验过程中测定的设备危险断面处最大应变εmax和由厂家提供的弹性模量按公式(7)计算得到：
式中：
aE——地震台试验过程中输入的地震加速度峰值；
aEH——地震台试验过程中实测台面的地震加速度峰值。
4)抗震性能评判
荷载作用产生的套管和绝缘子总应力应按下式验算：
式中：σtot为考虑土-结构相互作用地震作用下产生的总应力(Pa)；σv为设备或材料的破坏应力值(Pa)；k为荷载作用下设备的安全系数，在地震短时荷载作用下，对于瓷质类电气设备取1.67。
本实施例从模型的设计与制作、土体边界条件的模拟、不同场地类别的模拟、模型与振动台的连接、模拟振动台试验流程等方面建立了基于土-结构相互作用的变压器类设备振动台抗震试验方法，实现了利用振动台试验模拟在考虑土-结构相互作用时变压器类设备在地震作用下的动力响应。通过量纲推导，提出了大型变压器类设备缩比例模型地震模拟振动台试验过程中模型的设计原则，并提出了土体边界条件的模拟方法，提出了不同场地类别模拟的方法以及变压器类设备与地震模拟振动台的连接方法，建立了振动台试验方法涉及的相关测试流程、地震动输入、最大应力的测定等步骤，并提出了在考虑土-结构相互作用工况下变压器类设备瓷质套管的抗震性能评判准则，为基于土-结构相互作用的变压器类设备的抗震性能优化、抗震设计、抗震评估提供了技术支撑。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。
Claims (9)
1.一种基于土-结构相互作用的变压器抗震试验装置，其特征在于，包括：多层规则平面框架、活动连接件和支撑件；
所述多层规则平面框架由下至上叠合在一起；
所述多层规则平面框架中相邻两层之间通过活动连接件连接；
所述支撑件设置于所述多层规则平面框架的立面上；
被测的试件放置于所述多层规则平面框架内；
所述多层规则平面框架设置于振动台上。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述活动连接件包括滚珠或轴承。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述支撑件包括立柱。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述支撑件还包括横梁，所述横梁设置在所述立柱之间。
5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述支撑件还包括斜柱，所述斜柱设置在所述立柱之间。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多层规则平面框架材料包括钢材或铝材。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多层规则平面框架形状包括矩形或圆形。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多层规则平面框架的高度根据振动台的承载能力以及模拟的场地类别确定。
9.一种应用如权利要求1-8任一所述的基于土-结构相互作用的变压器抗震试验装置的试验方法，其特征在于，包括：
设计和制作被测变压器的缩比模型；
将所述缩比模型放置于设置在振动台上的多层规则平面框架内；
对整个测试系统进行调试；
根据试验要求对所述振动台施加地震波，由所述多层规则平面框架通过活动连接件发生相对运动来模拟实际地震场地的边界条件，获得在考虑土-结构相互作用时变压器类设备在地震作用下的动力响应。
Priority Applications (1)
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| CN202111466375.3A CN114354113A (zh) | 2021-12-03 | 2021-12-03 | 一种基于土-结构相互作用的变压器抗震试验装置及方法 |
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| CN202111466375.3A CN114354113A (zh) | 2021-12-03 | 2021-12-03 | 一种基于土-结构相互作用的变压器抗震试验装置及方法 |
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| CN114354113A true CN114354113A (zh) | 2022-04-15 |
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Family Applications (1)
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| CN202111466375.3A Pending CN114354113A (zh) | 2021-12-03 | 2021-12-03 | 一种基于土-结构相互作用的变压器抗震试验装置及方法 |
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2021
- 2021-12-03 CN CN202111466375.3A patent/CN114354113A/zh active Pending
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