支撑电气设备结构系统多维地震耦合响应及监控方法研究

Aiming at the main characteristics of strong earthquake-induced damages of the braced electrical equipment structures, through the on-site measurement, theoretical analysis, and model tests, the weak parts of braced electrical equipment structures, failure mechanism, failure criterion and primary failure mode are researched involving the consideration of the soil-foundation-braced structure-electrical equipment interaction under the multi-dimension earthquake; the performance-based analysis theory and engineering optimization design method of the coupling response are put forward for the electrical equipment subject to the multi-dimension earthquake; taking the piezoelectric patches and SMA as the core elements, combined with the prototype tests or model tests, the photovoltaic power active or semi-active composite control system and the corresponding integrated technology are investigated, which are suitable for monitoring and controlling the response of the supporting electrical equipment structures during the multi-dimension earthquake; the integrated mechanical model and calculation model of multi-dimension intelligent seismic mitigation are also researched by the utilization of the piezoelectric patches and SMA based control system; the seismic control mechanism and regularity are investigated as well; thereby, the new optimized seismic mitigation strategy and engineering application method of the braced electrical equipment structures are proposed, which can realize a long-term precautionary protection and life-cycle control, and can provide the theoretical and technological support for the safe operation of the electrical equipment structures. The research of this project will not only find great significance in theory but will enjoy a wide engineering application.

针对典型支撑电气设备结构系统强震破坏的主要特点，采用现场实测、理论分析和真型或模型试验等方法，研究考虑地基-基础-支撑结构-电气设备共同作用时，支撑电气设备结构系统在多维强震激励下的薄弱部位、破坏机理、失效判定准则和首要失效模式等，提出基于性能的支撑电气设备结构系统多维地震耦合响应分析理论和工程优化设计方法；以压电堆或形状记忆合金为核心元件，通过真型或模型试验，研究适合支撑电器设备结构系统多维地震响应监控的光伏电主动或半主动复合控制系统以及相应的集成技术，应用压电堆或形状记忆合金光伏电主动或半主动复合控制系统进行支撑电气设备结构系统多维智能减震监控一体化的力学分析和计算模型，探讨其减震监控机理和规律，提出新的支撑电气设备结构系统优化减震监控策略和工程应用方法，实现长期预防性保护和全寿命监控，为确保电气设备结构系统的安全运营提供理论和技术支撑。项目的研究具有重要的科学意义，工程应用前景广阔。

4年多来，项目组紧密跟踪国内外前沿，与生产、设计、研究和使用单位等密切合作，以我国西北地区地质条件为背景，在对重要支撑电气设备结构系统调查分析基础上，采用现场调研、理论分析和模型试验等方法，针对干式空心电抗器、避雷器、耦合电容器、“Y型”/“T型”/“I型”瓷柱式高压断路器等支撑电气设备结构系统功能、安装、构造、材料和地震破坏的主要特点，研究了考虑地基-基础-支撑结构-电气设备共同工作时，设备结构系统在复杂地震激励下的地震响应特点和主要破坏规律，相应的地震破坏薄弱部位和脆性断裂机理，系统失效判定准则和主要倒塌模式等，建议了一些新的支撑电气设备结构系统的设计和构造方法。同时，以SMA和压电堆为核心元件，研发了2种光伏电SMA-压电半主动复合减震装置和3种SMA被动减震装置，建立了相应的力学分析和计算模型，提出了在不影响设备使用功能前提下的减震控制方案和工程实现方法，并研究了相应的集成技术以及集成后的一体化力学分析模型，探讨了集成后一体化的减震机理和一般规律。接着，综合已有算法和结构减震特点，提出了自适应免疫记忆克隆算法和基于Kalman滤波器的趋近律离散变结构控制方法以及基于线性矩阵不等式的鲁棒非脆弱H∞控制方法，并进行了系统的局部优化监控和整体优化监控以及两者的耦合作用机理分析。最后，分别设计制作了1个相似比为1:2的干式空心电抗器试验模型，2个相似比为1:5的“Y型”六氟化硫瓷柱式断路器试验模型，2个相似比为1：4.5的LW15A-363/Y“T型”和1个相似比为1：4.5的LW11-252/Q“I型”瓷柱式高压断路器试验模型，进行了无控和有控时多种地震工况下，试验模型结构系统的模拟地震振动台试验，研究了各种工况下试验模型结构系统在无控和有控时，系统整体与关键部位的地震响应特点和主要变化规律，并进行了相应的有限元时程分析，探讨了减震机理，检验了减震效果，总结了减震规律，得出了一些具有创新意义的研究结论和设计构造建议，为工程应用提供了理论和技术依据。