杨 佳 项金志 李 峰

(中铁二院工程集团有限公司, 成都 610031)

浅谈电气化铁路牵引变电架构及基础抗震设计

杨 佳 项金志 李 峰

(中铁二院工程集团有限公司, 成都 610031)

由于电气化铁路领域牵引变电架构及基础在抗震设计方面缺乏系统的理论研究，未形成完善的设计方法和步骤，影响了电气化铁路领域牵引变电架构的可靠性设计和技术体系发展。文章通过工程应用现状以及地震波特点，结合牵引变电架构自身特点，分析了高地震环境下牵引变电架构及基础适应性；整理和对比分析了国内外相关抗震设计规范，制定出高地震环境下牵引变电架构及基础的抗震设计原则及措施；结合工程抗震以及电气化铁路设计的特点，系统地提出牵引变电架构及基础的设计步骤；同时，结合工程实际提出了高地震环境下牵引变电架构及基础系列抗震、减震及隔震措施等。

牵引变电架构； 基础； 规范； 抗震设计； 减震及隔震

随着全球进入新一轮的地震活跃期，地震对人类的影响越来越大，我国是一个幅员辽阔、多地震的国家，近几年发生的汶川、舟曲和玉树等多次强震，造成了不可估量的生命、财产损失。

世界各国对地震以及抗震设计一直都在不断的研究，我国根据历次地震经验教训，逐渐形成了多种、多行业的抗震设计规范、规程。电气化铁路系统是一个有别于其他领域的特殊行业，功能性和技术性都有其独特性，对牵引变电架构及基础在抗震设计研究方面非常少，主要如下：

(1)对于牵引变电架构的抗震设计，目前都是参照房屋建筑和电力设施进行抗震设计，缺乏适合自身系统的规范、标准。

(2)对于牵引变电架构的抗震设计，缺乏系统的理论依据和指导，如地震设防烈度、地震作用计算方法、地震作用参数取值以及荷载效应计算等方面，都没有系统性、合理性的规定。

(3)缺少牵引变电架构甚至电气化铁路系统的地震资料、震害资料，未系统的展开分析、调查，没有充分的总结经验教训，使得牵引变电机构的抗震设计研究停滞不前。

(4)在实际工程抗震设计中，设计文件仅交代抗震设计设防烈度等一些简单术语，缺少应有的抗震作用计算、抗震措施或抗震构造措施等，工程缺少系统的抗震设计。

因此，本文结合国内外抗震设计情况，针对目前我国电气化铁路牵引变电架构、设备支架及设备基础等抗震设计技术进行论述。

1 牵引变电架构及基础

牵引变电架构是电气化铁路变电所室外导线、设备的主要支持结构的统称，主要包括：进线架构、中间架构、终端架构和设备支架。它是根据变电所的电压等级、规模、设备布置、施工运行条件以及当地的气象条件等来确定的。

1.1 牵引变电架构及设备支架

牵引变电架构按其用途分类，架构分进线架构、中间架构和终端架构等，单杆或双杆设备支架等；牵引变电站架构按材料分为钢结构和混凝土结构；按结构型式分：支柱有角钢格构式、环形等径式、人字柱及设置拉线等型式；横梁有格构式和非格构式。

(1)在电气化铁路领域，牵引变电架构主要采用格构式角钢架构和预应力环形截面钢筋混凝土柱架构。

预应力环形截面钢筋混凝土柱架构，一般由预应力环形等径支柱和轻型圆钢管横梁组成，用于变电所电压等级较低，承受荷载不大，且设计使用年限要求不高的变电所，该种结构的架构施工重量大，不易运输，但一次性投资较低。

格构式角钢架构，一般由矩形断面格构式支柱和矩形断面格构式钢梁或轻型圆钢管横梁组成，用于变电所电压等级较高，承受荷载交大的变电所，该种结构的变电架构加工、运输方便，自重轻，易于防腐，焊接型格构式角钢架构安装简单，但投资较混凝土架构更高。

(2)变电所内的设备支架主要有采用环形等径预应力混凝土支架、格构式角钢支架和H型钢支架。

环形等径预应力混凝土支架结构，由混凝土和钢筋组成，其加工制造较复杂，重量大，不易运输，造价与格构式角钢支架相比节省不明显。

格构式角钢支架结构，是由角钢组成的矩形断面格构式柱，热浸镀锌易于防腐，生产加工、运输等都较方便。

H型钢支架结构，由H型钢加工而成，在高速铁路系统中，与接触网系统H型钢柱协调一致，整体美观性强，但是H型钢结构有强弱轴之分，截面抵抗矩大小跟方向有较大关系，且承受扭矩荷载差。

1．2 变电架构及设备支架基础

变电架构基础型式的设计和选择，应综合考虑场坪地质情况、作用在基础上的荷载大小和类型、施工运输条件、工程造价以及美观等因素，满足结构的可靠、稳定性。

在电气化铁路系统中，根据牵引变电结构特点，牵引变电架构及设备支架基础一般采用两种型式：当采用格构式钢柱时，一般采用现场开挖混凝土浇筑基础；当采用环形等径混凝土支柱时，一般采用插入式杯型基础；基础均采用素混凝土，基础内一般可不配置钢筋。

2 抗震设计规范

目前，在电气抗震设计方面，国外主要有美国、欧洲、日本进行了系列研究，形成如美国变电站抗震设计推荐实施规程(IEEE Std693)、欧洲EN系列标准、日本电气设备抗震设计指南(JEAG 5003)等。

我国已经颁布实施了多部抗震设计规范，如：GB 50223-2008《建筑工程抗震设防分类标准》、GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》和GB 50260-1996《电力设施抗震设计规范》等。这些规范对工程抗震设计的各方面都提出了详细的要求，如表1所示。

表1 抗震设计规范表

3 抗震设计原则

3.1 抗震设防类别

(1)GB 50223-2008《建筑工程抗震设防分类标准》规定了在铁路建筑中，各种等级铁路的行车调度、运转、通信、信号、供电、供水建筑，以及特大型站和最高聚集人数很多的大型站的客运候车楼，抗震设防类别应划为重点设防类。

(2)GB 50223-2008《建筑工程抗震设防分类标准》相关条文进一步解释在铁路系统的建筑中，需要提高设防标准的建筑主要是五所一室和人员密集的候车室。

(3)GB 50223-2013《电力设施抗震设计规范》规定了变电站所有架构、设备支架为标准设防类，简称丙类。

综上，对电气化铁路牵引变电架构基础的抗震设防类别无专门的明确规定，因此，在充分考虑电气化铁路牵引供电系统的安全性、经济性等基础上，牵引供电系统中的变电架构建议采用标准设防类(丙类)。

3.2 抗震设防烈度

电气化铁路工程所在地区可能遭受的地震影响程度，应用相应于抗震设防烈度的地震动峰值加速度和地震动反应谱特征周期来表述，如表2所示。

表2 抗震设防烈度参数表

在牵引变电架构的抗震设计时，变电架构、基础的抗震设防烈度应根据GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》以及现行《中国地震烈度区划图》规定的基本地震烈度进行取值计算。

3.3 场地类别

建筑场地按照现行国家标准GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》可分为有利、不利和危险地段，如表3所示。

表3 不同地段类别的划分表

场地地质勘察应在勘察报告中划分为对变电架构、基础有利、不利和危险的地段，并应提供变电架构、基础的场地覆盖层厚度、图层剪切波速和岩土地震稳定性评价。在牵引变电架构抗震设计时，工程地勘专业或地质专业应该直接向牵引变电专业提供相应区段的场地类别，牵引变电专业据此展开变电架构的抗震设计。

3.4 设防标准

变电所架构及基础抗震设防类别为标准设防类(丙类)，应按本地区抗震设防烈度确定其抗震措施和地震作用。

(1)GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》第3.1.2条规定：“抗震设防烈度为6度时，除本规范有具体规定外，对乙、丙、丁类的建筑可不进行地震作用计算。”

(2)GB 50223-2013《电力设施抗震设计规范》第7.6.11条规定：“抗震设防烈度小于或等于8度，Ⅰ、Ⅱ类场地的构支架及其地基基础可不进行截面抗震验算。”

(3)GB 50135-2006《高耸结构设计规范》第4.4.3条规定：“小于或等于8度，Ⅰ、Ⅱ类场地的不带塔楼的钢塔架及其地基基础可不进行抗震验算。”

综上可知，下列变电站架构及基础可不进行截面抗震验算，而仅需满足抗震构造要求。

(1)6度，在任何类场地的架构、设备杆及其地基基础。

(2)小于或等于8度，Ⅰ、Ⅱ类场地的架构、设备杆及其地基基础。

因此，在牵引变电架构及基础的抗震设计时，其设防标准如表4所示。

表4 牵引变电架构抗震设防标准表

表中“×”表示不考虑地震作用

3.5 抗震措施

(1)牵引变电架构

牵引变电构架柱宜采用A字形钢管柱、角钢或钢管格构式柱，220 kV及以下电压等级的构架柱也可采用A字形钢筋混凝土环形杆和钢管混凝土柱等结构形式，构架梁宜采用单钢管梁、三角形或矩形断面格构式钢梁等结构形式。

(2)牵引变电架构基础

变电架构基础和设备杆基础抗宜采用现浇结构。需要设置部分装配式构件时，应使其与周围构件有可靠的连接。地下钢筋混凝土框架结构构件的最小尺寸应不低于同类地面结构构件的规定。

在进行电气设备的支架设计时，要使基础和支架的自震频率与设备本体的自震频率分开，支架的自震频率应为设备自震频率的3倍以上，避免设备支架与电气设备发生共振。

设备基础和设备支架的自震频率应避开地震波的频率范围0.5～10 Hz，且距离越远越好，一般应使设备基础和支架的自震频率大于15 Hz，防止因基础、支架与地震发生共振而产生动力反应。

混凝土结构构件的纵向受力钢筋的抗震锚固长度修正系数，对一、二级抗震等级取1.15，对三级抗震取1.05，对四级抗震等级取1.00。

4 抗震设计计算

4.1 计算方法

抗震设计的基本目标是防止建筑倒塌，保证地震后建筑物的使用功能。正如“小震不坏、中震可修、大震不倒”。地震对建筑物的作用效应与地震烈度的大小、震中距、场地条件、结构本身的动力特性(自振周期、阻尼)、时间历程等有关。现今比较成熟的计算地震力的方法有底部剪力法、振型分解反应谱法和时程分析法。

变电构架进行截面抗震验算时，其计算简图可与静力分析简图取得一致，尚应按两个水平主轴方向分别进行验算。牵引变电架构高度不超过30 m，且以剪切变形为主的结构和近似于单质点体系的变电所结构(含基础地面以上部分)，可采用底部剪力法等简化方法。

4.2 地震荷载组合

地震作用效应与其他荷载效应组合时，应计入下列各项作用：①恒载；②导线、绝缘子串和金具重等设备荷载；③正常运行时的最大导线张力；④按《建筑抗震设计规范》的规定同时计入的风荷载作用效应；⑤对高型或半高型布置的构架，尚应考虑通道活荷载1.0 kN/m2。

GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》荷载效应组合是针对房屋建筑结构的荷载，对于牵引变电所架构、基础的荷载组合只能起到一个指导作用，GB 50260-2013《电力设施抗震设计规范》荷载组合增加了导线张力，更能贴切反映出变电所架构导线张力对结构的影响，对于变电所架构、基础荷载组合效应更加适用。

各种规范标准规定的地震荷载组合荷载分项系数对比情况如表5所示。

表5 地震荷载组合荷载分项系数对比表

据上表，《建筑结构荷载规范》中恒载分项系数一般情况应取1.35。经对比分析后，偏于安全考虑，牵引变电架构抗震设计时宜采用GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》中规定的恒载分项系数。

因此，牵引变电架构抗震设计时，各种荷载分项系数取值参考如表6所示。

表6 地震荷载分项系数取值表

综上所述，GB 50260-2013《电力设施抗震设计规范》和GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》在一些系数的取值、计算公式上存在差异，由于牵引变电架构和设备支架水平荷载较大的性质，建议在进行牵引供电架构和设备支架的抗震设计时，应遵循GB 50260-2013《电力设施抗震设计规范》，而GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》以及其他规范、规程应作为设计参考。

同时，牵引变电架构基础应考虑抗倾覆计算，因此，建议牵引变电架构基础设计应主要遵循DL/T 5219-2005《架空送电线路基础设计技术规定》，GB 50007-2012《建筑地基基础设计规范》、GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》及其他规范、规程应作为设计参考。

4.3 抗震设计步骤

牵引变电架构抗震设计流程如图1所示。

图1 牵引变电架构抗震设计流程示意图

5 减震与隔震设计

隔震和消能减震是建筑结构减轻地震灾害的有效手段，其中，隔震技术属于抗震设计中的主动控制技术，设置隔震层，可直接减少输入上部结构的地震能量，从而满足特殊使用功能的要求。而消能减震技术属于抗震设计中的被动控制技术，地震能量首先输入结构，然后再由消能器吸收或消耗。

(1)减震措施可分为装设隔震器和减震器。常用的减震器包括橡胶阻尼器、阻尼垫和剪弯型、拉压型、剪切型等铅合金减震器以及其他减震装置。应根据电气没备的结构特点、使用要求、自振周期及场地类别等，选择相适用的减震或隔震措施。

(2)冬季环境温度低于-15℃地区，应选用具有耐低温性能的橡胶阻尼器。

(3)隔震器和减震器应满足强度和位移要求。

(4)隔震器或减震器宜设置在支架或电气设备与基础、建筑物及构筑物的连接处。采用减振或隔震措施时，不应影响电气设备的正常使用功能。

(5)在电气设备的底座与设备支架(或设备基础)之间，装设阻尼器等减震阻尼装置。在国外，如法国、日本等国家的部分电气设备也是采用减震、阻尼装置作为抗震措施之一。减震阻尼装置的作用主要是改变本体的自震频率，使电气设备体系的自震频率避开安装地点场地的地震波频率，避免或减少共振。同时，还能够加大体系的阻尼比，减少设备体系动力反应放大系数，降低设备根部的应力，从而达到提高抗震能力的目的。

6 结论

随着我国抗震设计技术的发展，以及大量地震区输变电、铁路等工程的建设，我们已经具备了大量的抗震技术理论知识和工程应用，但是对于电气化铁路领域的抗震技术研究和应用尚在起步阶段，而且由于地震的不确定，以及各行业间的差异，使得我国各种抗震规范间仍还存在不一致、矛盾的地方。

随着川藏和滇藏等铁路即将建设，电气化铁路将覆盖更多的高烈度地震区，部分区段甚至达到9度及以上地震区，因此，我们不仅应在思想意识上引起高度重视，在抗震设计技术的研究方面，也应立即展开相应的抗震研究，尽快制定和完善适合于电气化铁路系统的抗震设计技术体系。

[1] GB 50223-2008 建筑工程抗震设防分类标准[S]. GB 50223-2008Standard for classification of seismic protection of building constructions[S].

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(编辑：苏玲梅)

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

杨佳(1980-)，男，高级工程师。

1674—8247(2016)06—0038—06

U224

A