Seismic Isolation Design and Effectiveness Analysis of Prefabricated Cabins in Modular Substations
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摘要: 变电站属于生命线工程，某模块化变电站的一次设备预制舱底部设有钢构架，舱内设备单列布置，有必要研究并提升这种带钢构架预制舱结构及设备的抗震性能。首先，采用有限元软件ABAQUS进行地震作用下非隔震结构的非线性时程分析；然后，对该工程进行隔震设计并对比了隔震结构和非隔震结构的地震响应；最后，考虑钢构架刚度和隔震支座位置2个因素，在隔震结构的基础上进行参数化分析。结果表明，相较于非隔震结构，经设计的隔震结构延长了结构基本周期，在地震作用下具有较好的加速度和位移控制效果；针对本文选取的研究对象，钢构架截面采用H140结构会通过钢构架变形耗散地震能量，隔震支座不能充分发挥作用；相比于隔震支座布置于柱顶结构，布置于柱底结构具有更好的设备加速度和舱体位移控制效果，然而隔震支座会出现拉力。因此，建议此类结构隔震设计时，隔震支座的下部钢构架应具备一定刚度（当构架上部舱体重量为25 t时，底部构架刚度建议不小于
3615 kN/m），隔震支座位置需综合考虑隔震支座受力和隔震效果。Abstract: Substations are considered as lifeline infrastructure, and modular substations feature a steel frame at the base of the prefabricated cabin for primary equipment, with equipment arranged in a single row inside the cabin. The seismic performance of both the steel-framed prefabricated cabin structure and the equipment within it needs thorough investigation and improvement. In this study, a nonlinear time-history analysis of the non-isolated structure under seismic loading was conducted using the finite element software ABAQUS. Following this, a seismic isolation design was implemented, and the seismic responses of both isolated and non-isolated structures were compared. Additionally, a parametric analysis was performed on the isolated structure, considering factors such as steel frame stiffness and the location of the seismic isolation bearings. The results indicate that the seismic isolation design effectively extends the fundamental period of the structure and provides improved control of both acceleration and displacement during seismic events, compared to the non-isolated structure. For the structure analyzed in this paper, a steel frame with an H140 cross-section dissipates seismic energy primarily through deformation, limiting the effectiveness of the isolation bearings. Furthermore, seismic isolation bearings positioned at the bottom of the column demonstrate better control over equipment acceleration and cabin displacement compared to those placed at the top. However, tensile forces may develop in the isolation bearings at the bottom. Therefore, it is recommended that the steel frame at the base of the isolation bearing have adequate stiffness (with a suggested stiffness of no less than 3 615 kN/m when the upper compartment weighs 25 tons). Additionally, the position of the isolation bearings should be selected carefully, considering both the forces acting on the bearings and their impact on the overall seismic isolation performance of the structure. -
引言
盘谷寺-新乡断裂位于一条重要的岩石圈构造带（邓起东等，1980；张培震，1999）、布格重力异常梯度带和航磁正负异常分界带上（刘尧兴等，2001），其西起太行山南麓克井盆地以西的山区，向东经交地、盘谷寺、河口、仙神口、柏山，进入平原地区后呈隐伏状态，过朱村，再向东延伸，直至新乡市郎公庙，全长约200 km。刘尧兴等（2001）根据野外地质及地球物理资料，大致以柏山、高村为界，将该断裂分为西、中、东3段。物探资料显示，盘谷寺-新乡断裂以大高村为枢纽点，西段、中段断层南倾，控制济源盆地北边界；东段断层北倾，为武陟隆起和修武凹陷的分界断裂（邓小娟等，2018）。物探资料揭示的剖面上，断裂呈负花状构造特征，具有走滑兼具正断性质。向东延伸的新乡-商丘断裂亦是北华北和南华北地块重要的边界断裂（张培震，1999；张岳桥等，2003a），明显分割了其两侧不同优势方位的构造线发育，断裂以北区域构造线呈NE—NNE向，以右旋走滑运动为主，断裂以南区域构造线整体呈NW—NWW向，以左旋走滑运动为主（张岳桥等，2003a；张扬等，2021）。在盘谷寺-新乡断裂附近，曾发生1587年修武东5.5级地震和修武东6.0级地震、1979年修武4.0级地震、1989年修武3.5级地震和2009年修武3.6级地震，这些地震可能与盘谷寺-新乡断裂及其北侧的凤凰岭断裂的活动有关。为研究盘谷寺-新乡断裂的第四纪活动性，河南省地震局依托河南省构造探查项目在盘谷寺-新乡断裂中、东段开展了大量浅层人工地震勘探，在综合对比分析临近钻孔地层年代划分和石油物探剖面资料基础上，本文对盘谷寺-新乡断裂的空间分布、最新活动时代、分段性特征进行了系统研究，为该地区地震危险性评价提供基础资料和重要依据。
1. 区域地震地质特征
研究区位于太行山南麓与华北平原过渡地带的豫中差异沉降区，大地构造上属于华北地台，其结晶基底为太古宙-古元古代变质岩系，之上堆积中、新元古代、古生代沉积盖层，新生代发生裂陷作用，发育伸展构造，局部地区沉积厚度达数千米①（图1）。研究区西北部为太行山隆起区，以盘谷寺-新乡-商丘断裂为界，东北部为汤阴地堑和内黄凸起，南部为济源-开封凹陷。区内主要控制凹凸格局、盆地沉积与剥蚀的断层为盘谷寺-新乡断裂、凤凰岭断裂、武陟断裂等（图2），在盘谷寺-新乡断裂与武陟断裂之间发育次级的武陟凸起，北部凤凰岭断裂间发育次级的修武凹陷。新构造时期，研究区整体属于沉降状态，古近系和新近系沉积厚度大于600 m，第四纪沉积厚度0～200 m，离太行山南麓越远，沉积厚度越大。
2. 盘谷寺-新乡断裂典型剖面特征
2.1 西段
盘谷寺-新乡断裂西段位于柏山以西，断层面倾向南，倾角60°～70°（图3）；断裂在盆山边界断续出露，北盘为太古界、古生界上升盘，南盘为济源新生代断陷盆地下降盘，两盘落差由西向东逐渐减小，最大落差可达1500 m（刘尧兴等，2001）。盘谷寺-新乡断裂西段断层地貌特征明显，自西向东依次发育深切侵蚀沟、断层三角面和侵蚀残丘等，出露的断面上发育近水平的擦痕和反阶步，营北地至蟒河口多数南北流向河道在经过断裂处一致出现左旋拐弯，以及洪积扇中心线的左右不对称发育等现象，均指示断裂的水平左旋错动特征（荆智国等，2000；刘尧兴等，2001；张岳桥等，2003b）。
图 3 西段深地震层析剖面解译图②Figure 3. Interpretation map of deep seismic tomography profile in the western segment在活动时代方面，八一水库溢洪道剖面上断层下盘为下古生界泥灰岩，断层破碎带内为强挤压变形的泥质页岩和石英砂岩，断层上盘被错断，地层下部为上新世红土夹砾石层，上部为中更新世黄土，断层未见错动上覆的晚更新世冲洪积砾石层（图4），指示其最新活动时代最早为中更新世（刘尧兴等，2001）。
图 4 八一水库溢洪道地质剖面（刘尧兴等，2001）Figure 4. The geological profile of the spillway of Bayi reservoir（Liu et al, 2001）2.2 中段
本文收集了焦作市活动断层探测有关盘谷寺-新乡断裂中段（柏山-高村段）的4条物探剖面（图5）和1个地质标准钻孔，并选取中段PL2物探剖面（图6）进行分析。
图 5 盘谷寺-新乡断裂中段地震剖面立体展示Figure 5. Stereoscopic display of seismic profile in the middle section of Pangusi-Xinxiang fault
图 6 盘谷寺-新乡断裂中段典型地震剖面（PL2）Figure 6. Typical seismic profile of the middle section of the Pangusi-Xinxiang fault（PL2）PL2时间剖面揭示的反射震相比较丰富，反射能量较强，整个剖面地层特征较为明显。在双程走时1000 ms以上共解译了8组特征明显的反射层，分别标识为T01、T02、Q、TQ、T1、N、T2、TN，其中TQ和TN分别解译为第四纪和新近纪地层的底界。从PL2时间剖面中各地层反射的横向连续性看，FP2-1地层南倾，其可分辨上断点在错断T02界面后继续向上延展，T01以下反射波表现出明显的同相轴扭曲、牵引拖曳、错断现象，具有明显的正断性质。剖面上可分辨的上断点深度为65～70 m（本文时深关系转换均采用ZK3垂直地震剖面测井解译结果），在该深度的垂直断距为3～5 m。
2.3 东段
为厘定盘谷寺-新乡断裂东段最新活动时代，在石油地震探测剖面基础上，河南省构造探查项目、焦作市活动断层探测与地震危险性评价项目、新乡市活动断层探测与地震危险性评价项目在东段部设多条物探剖面（图7）。本文收集并系统分析其中10条浅层地震勘探剖面和2个地质标准孔资料，并选取中段3条典型物探剖面进行分析。
图 7 盘谷寺-新乡断裂东段浅层地震剖面立体展示Figure 7. Stereoscopic display of seismic profile in the eastern segment of Pangusi-Xinxiang faultultPL7、PL11时间剖面揭示的反射震相比较丰富，整个剖面地层特征较为明显（图8、图9）。在双程走时1000 ms以上共解译了4组特征明显的地层反射，分别标识为T01、TQ、T1、TN，其中T01为中、晚更新世的界线，TQ和TN分别解译为第四纪和新近纪的底界。表1为盘谷寺-新乡断裂地震侧线参数，由表中统计的地震时间剖面PL8和典型时间剖面PL12中各地层反射的横向连续性看，盘谷寺-新乡断裂东段北倾，其可分辨上断点在错断T01界面后继续向上延展，剖面上可分辨的上断点深度为64～80 m，在该深度的垂直断距约为2～20 m。
表 1 收集地震测线断层参数Table 1. Collected seismic line fault parameters测线名称 推测上断点埋深/m 上断点断距/m 倾向 推测最新
活动时代PL1 65～70 3～5 S 晚更新世早期 PL2 65～70 3～5 S 晚更新世早期 PL3 65～70 4～6 S 晚更新世早期 PL4 60～65 4～6 S 晚更新世早期 PL5 100～110 4～6 N 中更新世 PL6 72～77 5～7 N 晚更新世早期 PL7 约71 约11 N 晚更新世早期 PL8 约80 约2 N 晚更新世早期 PL9 约64 约18 N 晚更新世早期 PL10 约69 约20 N 晚更新世早期 PL11 约68 约15 N 晚更新世早期 PL12 约140 约8 N 中更新世 PL13 190～200 — 陡直N 早更新世 PL14 190～200 — 陡直N 早更新世 
图 8 盘谷寺-新乡断裂东段典型地震剖面（PL7）Figure 8. Typical seismic profile of the eastern segment of the Pangusi-Xinxiang fault（PL7）
图 9 盘谷寺-新乡断裂东段典型地震剖面（PL11）Figure 9. Typical seismic profile of the eastern segment of the Pangusi-Xinxiang fault（PL11）PL7时间剖面上发育明显的花状构造（图8），新近纪各时期的地层均有明显加厚的现象，断层下盘同相轴扭曲、牵引、错断现象明显，符合正断层特征。PL12时间剖面新近纪地层的明显反射层发育显著背斜形态，PL7、PL11时间剖面断层上盘新近纪地层强反射层、TQ界线同步向上错断，早中更新世（
$\rm Q_P^{1 - 2} $ ）地层在2个剖面上一致减薄，晚更新世（$\rm Q_P^3 $ ）底界T01在2个典型剖面上下错动表现不一。盘谷寺-新乡断裂东段东部的PL14时间剖面同样揭示了上盘下部地层加厚，上部地层减薄，时间剖面上可分辨的上断点深度为190～200 m（图10）。
图 10 盘谷寺-新乡断裂东段典型地震剖面（PL14）Figure 10. Typical seismic profile of the eastern segment of the Pangusi-Xinxiang fault（PL14）3. 地层年代对比分析及断裂第四纪活动性特征
3.1 第四纪地层特征与时深关系
3个地质标准孔ZK1（深度162 m）、ZK2（深度200.57 m）、ZK3（深度195 m）第四纪地层特征如表2所示。
表 2 3个地质标准孔地层划分深度与厚度数据表Table 2. Data sheet of ground layer division depth and thickness of three geological standard holes地层单位 代号 ZK1 ZK2 ZK3 深度/m 厚度/m 深度/m 厚度/m 深度/m 厚度/m 全新统 Qh 4.48 4.48 6.15 6.15 15.30 15.30 上更新统 $\rm Q_P^3 $ 67.50 63.02 63.40 57.25 81.05 65.75 中更新统 $\rm Q_P^2 $ 162.48 （未揭穿） 94.98 175.27 111.87 166.55 85.50 下更新统 $\rm Q_P^1 $ — — 未出露 — 195.65 （未揭穿） — 上新统 N2 — — 200.57（未揭穿） — — — 全新统（Qh）：在焦作李万-新乡朗公庙一带，沉积厚度4.5~15.3 m，自西向东逐渐增厚，以杂色人工填土，褐灰色、灰褐色洪冲积松散状粉砂质黏土、粉砂，褐灰色、黄灰色河漫滩粉砂质黏土、黏土为特征，是一套较为松散的洪冲积相沉积。
上更新统（
$\rm Q_P^3 $ ）：发育较完整时厚度60~90 m，具有河流二元结构特征。河道沉积的岩性主要为黄灰色、褐灰色、灰色粉砂、中细砂、中粗砂为主，河漫滩沉积岩性主要特征为灰黄色、褐黄色、灰黑色黏土、粉砂质黏土、粉砂，含少量钙质结核。在$ \rm Q_P^3 $ 下部和底界3个OSL年龄数据分别为（118.0±10.0）ka、（121.9±12.2）ka、（125.0±10.0）ka。中更新统（
$\rm Q_P^2 $ ）：岩性特征与上更新统比较相似，河流二元结构特征明显，$\rm Q_P^2 $ 的颜色偏黄褐色、灰褐色、紫红色，河漫滩沉积黏土和粉砂与河道沉积细砂、中细砂呈较稳定互层状。河道沉积主要为黄褐色、灰褐色细砂和中细砂为主，河漫滩沉积岩性主要特征为黄褐色、紫红色黏土、粉砂质黏土、粉砂，含少量钙质结核和砾石。ZK3采用垂直地震测深（VSP）测井，地震剖面图中双程反射时间150 ms（层速度1066 m/s）的反射界面深度为81 m，双程反射时间220 ms（层速度1510 m/s）的反射界面深度为166 m，分别对应
$\rm Q_P^3 $ 底界、$\rm Q_P^2 $ 底界，与地层划分存在较好的对应关系，如图11所示。3.2 盘谷寺-新乡断裂第四纪活动性
根据断层出露的剖面特征，盘谷寺-新乡断裂西段最新活动时代为中更新世，活动性质正断，具有左旋走滑特征。荆智国等（2000）对仙神河古河道、阶地的调查研究发现，向盆地方向迁移的次级断裂在全新世仍有活动，表明盘谷寺-新乡断裂西段在中更新世以后逐步向济源盆地迁移发育。中段最新活动时代为晚更新世早期，为南倾正断层，兼具左旋走滑特征。东段最新活动时代为晚更新世早期，从地震测线分布图（图2、图5、图7）和断层参数表可以看出，东段的活动性从中间到两端逐渐降低；其活动特征稍复杂，自新近纪以来经历了正断-走滑的运动过程演变，广泛发育的背形上拱正花状构造，指示其压扭走滑性质；盘谷寺-新乡断裂东段均北倾，倾角向东逐渐变陡，尾端近于直立。
4. 断裂特征
4.1 盘谷寺-新乡断裂运动特征
鉴于中、东段断层倾向变化、断裂活动期次复杂，笔者认为有必要细致剖析中东段的枢纽运动特征，进而帮助认识该断裂的地震危险性。
（1）盘谷寺-新乡断裂中段煤田钻探表明，主干断裂南北两侧落差超过600 m，在朱村一带基岩断距达1000 m以上（刘尧兴等，2001），该段断裂在中生代表现为逆冲性质，新生代为拉张性质，断层位移自西（王褚）向东（高村）枢纽点附近逐渐减小。
（2）盘谷寺-新乡断裂东段在物探时间剖面上普遍发育明显的背形上拱花状构造，发育的次级断裂下陡上缓，属正花压扭性质，断裂的正逆演化过程如下：
新近纪，断裂表现为正断拉张性质，拉张速率逐渐下降，主要表现为：①典型剖面新近纪地层有明显加厚的现象，但向上加厚程度逐渐降低；②断层下盘同相轴扭曲、牵引、错断的现象明显。
早更新世初期—晚更新世，断裂表现为逆冲性质，主要表现为：①物探时间剖面的断裂上盘，新近纪地层发育显著背斜；②断层上盘新近纪地层、第四纪底部界线同步向上错断；③物探时间剖面早中更新世地层一致减薄。推测正花压扭构造的发育时期，即走滑运动强烈期在此阶段。
晚更新世之后以左旋走滑为主，但推测仍具有拉张正断性质，主要表现为①：
$\rm Q_P^3 $ 底部界线典型剖面上下错动表现不一，但上盘以向下运动为主；②除受走滑断裂枢纽运动（邓起东等，2014）影响之外，综合考虑早中更新世（$\rm Q_P^{1 - 2} $ ）地层减薄因素。4.2 区域构造动力学特征
中新世—上新世，华北断陷盆地发生区域热沉降，山西地堑和华北断陷盆地快速形成和发展，研究区经历了从NE-SW到NW-SE方向的张引力应力转换（张岳桥等，2003a）。新生代以后，随着青藏高原剧烈隆升导致华南板块SEE方向侧向挤出，南华北断层表现为左旋走滑的缓冲调节性质。盘谷寺-新乡-商丘断裂作为南、北华北的分界线，笔者推测其不连续发育，在走滑断裂的不同部位形成了 “拉分区”和“挤压隆起区”（邓起东等，2014）。武陟隆起所处的核部可能是盘谷寺-新乡中段向SE延伸的武陟断裂和盘谷寺-新乡东段的挤压阶区所在，不存在所谓的断层倾向反转（邓小娟等，2018）。
盘谷寺-新乡断裂中段的断层位移自西（王褚）向东（高村）枢纽点附近逐渐减小，东段PL5~PL14物探剖面显示的断层位移自东向西逐渐减小，反映出盘谷寺-新乡断裂中东段在高村枢纽点出现的断层位移亏损和衰减，在该挤压阶区附近易形成与之相应的挤压型地震。
5. 结论
（1）盘谷寺-新乡断裂的活动具有明显的分段性。东段最新活动时代为晚更新世早期，在该段内，断裂的垂直断距从中间向两端逐渐减小；中段最新活动时代为晚更新世早期；西段最新活动时代为中更新世，断裂向盆地内部迁移发育。
（2）盘谷寺-新乡断裂东段经历了正断-逆断-正断的演变。新近纪为正断，且正断拉张速率逐渐减小；早更新世初至晚更新世，为逆走滑性质；晚更新世以来，以左旋走滑为主，推测仍具有一定的拉张正断活动。
（3）高村所处的武陟隆起区域推测为盘谷寺-新乡断裂中、东段的挤压阶区，断层位移在此处有亏损和衰减。
致谢 本研究使用了中国地震局地球物理勘探中心焦作、新乡城市活动断层探测资料，在此表示感谢。
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图 6 非隔震结构的1、2阶振型
Figure 6. First-and second-order modes of vibration in non-seismically isolated structure
图 7 地震波PEER RSN 1082作用下非隔震结构时程曲线
Figure 7. Time-distance curves of non-isolated structures under the action of PEER RSN 1082
图 12 隔震结构的1、2阶振型
Figure 12. First-and second-order modes of vibration-isolated structure
图 13 非隔震和隔震结构x方向位移云图
Figure 13. Displacement cloud chart of non-isolation and isolation structures in x direction
图 15 设备最不利点处绝对加速度对比
Figure 15. Comparison of absolute acceleration at the most unfavorable point of equipment
图 16 非隔震和隔震结构PEEQ云图
Figure 16. PEEQ cloud chart of non-isolation and isolation structure
图 18 不同构架截面尺寸下设备峰值加速度响应
Figure 18. Equipment peak acceleration response for different frame section sizes
图 19 不同构架截面尺寸下舱体峰值位移响应
Figure 19. Cabin peak displacement responses for different frame section sizes
图 20 LRB （1）支座下钢柱的剪力-位移曲线
Figure 20. Shear-displacement curves for steel columns under LRB （1） bearing
图 21 LRB （1）支座x方向力-相对位移曲线
Figure 21. Curves of x-direction force - relative displacement for LRB （1） bearing
图 22 不同隔震支座布置方式下设备峰值加速度响应
Figure 22. Equipment peak acceleration responses for different isolation bearing layouts
图 23 不同隔震支座布置方式下舱体峰值位移响应
Figure 23. Cabin peak displacement responses for different isolation bearing layouts
表 1 预制舱结构材料属性
Table 1. Structural material properties of prefabricated cabin
材料 弹性模量
/(N·mm−2)泊松比 屈服强度
/MPa屈服后
刚度比/%密度
/(kg·m−3)Q235 2.1×105 0.3 235 1 7850 设备 2.1×105 0.3 — — 499 
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表 2 地震波基本参数
Table 2. Basic parameters of ground motions
地震动ID（编号） 地震事件 年份 记录台站 震级 PGA/g 时间间隔/s 持时/s PEER RSN 558 （1） Chalfant Valley-02 1986 Zack Brothers Ranch 6.19 0.447 0.005 39.995 PEER RSN 762 （2） Loma Prieta 1989 Fremont - Mission San Jose 6.93 0.127 0.005 39.99 PEER RSN 1082 （3） Northridge-01 1994 Sun Valley - Roscoe Blvd 6.69 0.277 0.01 30.28 PEER RSN 4139 （4） Parkfield-02, CA 2004 PARKFIELD - UPSAR 02 6 0.173 0.005 60 PEER RSN 5797 （5） Iwate 2008 Oomagari Hanazono-cho, Daisen 6.9 0.115 0.01 60 CSMNC RSN 20100 （6） Wenchuan Earthquake 2008 051 FSB 8 0.032 0.005 276 CSMNC RSN 23504 （7） Menyuan Earthquake 2016 063 ZMS 6.4 0.001 0.005 71
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表 3 隔震支座力学参数
Table 3. Mechanical parameters of isolation bearing
型号 有效直径/mm 竖向总刚度/(kN·mm−1) 100%等效水平刚度/(kN·mm−1) 屈服前刚度/(kN·mm−1) 屈服后刚度/(kN·mm−1) 屈服力/kN LNR 200 200 325 288 — — — LRB 200 200 476.8 543 3002 300 10
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表 4 设备最不利点处峰值放大系数αi和峰值加速度减震系数βiso
Table 4. Peak absolute acceleration and peak amplification factor at the most unfavorable point of non-isolation structure
地震动ID 非隔震结构 隔震结构 aPGA/ g aMAX/ g αnon aPGA/ g aMAX/ g αiso βiso/ % PEER RSN 558 （1） 0.4 1.395 3.488 0.4 0.408 1.019 70.791 PEER RSN 762 （2） 0.4 1.372 3.429 0.4 0.532 1.330 61.207 PEER RSN 1082 （3） 0.4 1.700 4.250 0.4 0.535 1.337 68.550 PEER RSN 4139 （4） 0.4 1.695 4.238 0.4 0.490 1.226 71.067 PEER RSN 5797 （5） 0.4 1.257 3.142 0.4 0.525 1.313 58.207 CSMNC RSN 20100 （6） 0.4 1.358 3.394 0.4 0.420 1.049 69.100 CSMNC RSN 23504 （7） 0.4 1.546 3.865 0.4 0.340 0.850 77.998 平均值 0.4 1.475 3.687 0.4 0.464 1.161 68.131
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表 5 参数化模型信息
Table 5. Information of parametric models
模型 钢构架梁柱截面尺寸 隔震支座布置形式 标准 H200 居中布置于柱顶 A H140 居中布置于柱顶 B H400 居中布置于柱顶 C H200 外侧布置于柱顶 D H200 居中布置于柱底
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