地震及次生火灾灾害链作用下地下变电站的抗灾机制研究

Power system is the core of lifeline system, whose ability to prevent natural disasters is the foundation in resisting disasters. As the most important part of power system, underground substation plays the complex behavior under natural disasters such as earthquake and fire that that of common substations. The currently studies about the performance of seismic and fire resistance of underground substation at home and abroad are still at the beginning. The theoretical analysis, experimental research, numerical simulation methods are used in this project. The dynamic properties failure mechanism, other key parts of the seismic performance of underground substation, and the high temperature properties of earthquake damaged RC column will be studied. First, the 3-d finite element model involving the interaction of soil-structure-electrical equipments of underground substations is established. Then the seismic response of the underground substation is analyzed by simulation and shaking table test to reveal the failure mechanism. Furthermore, the damage law of post-earthquake column is summarized and the fire resistance calculation model is built to evaluate the fire resistance limit values. Finally, the comprehensive disaster design method of underground substation under earthquake and fire disasters is established. The research project will further improve the performance of disaster theory and design methods of lifeline system, which has important theoretical significance for the lifeline engineering prevention and mitigation.

电力系统是生命线系统的核心，其防御自然灾害的能力是整个生命线系统防灾的基础。地下变电站作为电力系统的重要组成部分，在遭受地震及火灾等灾害后的抗灾性能较常规变电站更加复杂，目前国内外相关研究还处于起步阶段。本项目采用理论分析、试验研究、数值模拟相结合的方法，围绕地下变电站的动力特性、破坏机理等抗震性能问题及次生火灾作用后关键构件的高温性能进行系统研究。首先建立考虑土体-主厂房结构-电气设备相互作用的地下变电站动力分析模型，进行该结构体系地震反应的数值模拟及振动台试验研究，揭示强震作用下地下变电站的破坏机理；继而总结震损混凝土柱的损伤规律，建立地震次生火灾作用下震损柱的耐火性能计算模型，评估其耐火极限并确定目标限值；最终建立地震-次生火灾灾害链作用下地下变电站的综合抗灾设计方法。本项目研究成果将进一步完善我国生命线工程的抗灾性能理论及设计方法，对生命线工程防灾减灾具有重要的理论意义和工程价值。

地下变电站作为电力系统的重要组成部分，其空间相对狭小，缺少自然通风和采光条件，湿度及温度均较高，一旦发生地震破坏，易引发次生火灾继而丧失供电功能，将对变电站主体结构及周边建筑物的安全性造成严重影响，这不仅给电力部门造成严重损失，也给消防、供水、通讯等其它部门的正常工作造成极大困难，严重影响救援及灾后重建的顺利开展。随着地下变电站快速发展呈现出来的新特点以及建造于高烈度地震区的不可避免性，确保地下变电站在强震作用下的抗震可靠性以及提升地震次生火灾作用下关键构件的高温/耐火性能成为亟待解决的重要课题。本课题以地下变电站主厂房结构-电气设备系统为主要研究对象，首先开展了考虑土体-主厂房结构-电气设备相互作用的地下变电站地震反应分析，重点研究相互作用下的共同工作效应对整个结构体系动力性能及抗震性能的影响，根据数值分析结果和振动台试验结果，揭示了地下变电站地震损伤机理及其损伤演化规律，从而完善了地下变电站的动力分析模型和数值模拟分析方法。其次进行了地下变电站震损混凝土柱在高温作用下的耐火性能研究，通过足尺震损混凝土柱的明火试验和数值模拟分析，揭示了混凝土剥落、裂缝、残余变形等几何损伤因素对混凝土柱火灾行为及耐火性能的影响规律，并建立了地下变电站震损混凝土柱的损伤指标与其耐火极限之间的定量关系；继而评估了地下变电站的抗震性能及震损混凝土柱的耐火极限，提出了震损混凝土柱在地震次生火灾作用下的目标耐火极限的建议值；最终建立了地震-次生火灾灾害链作用下地下变电站的抗灾设计方法。本项目取得了较丰硕的研究成果，为我国生命线工程的抗震性能理论及设计方法的完善提供了重要依据，具有重要的科学意义和工程应用价值。