组合式自复位剪切铅耗能器的力学性能模拟与应用

地震来袭时保持电力供应

高压变电站是现代生活的隐形脊梁，默默分配电能以保证我们的照明、医院和数据中心持续运行。然而，变电站场内许多高大、包瓷的设备在地震中却出人意料地脆弱。本文介绍了一种新型机械“减震器”——组合式自复位剪切铅耗能器（ASSLD），旨在帮助此类设备经受强烈震动、消散有害能量，并在震动结束后自行回正，从而加速恢复供电。

为何高耸电气设备易受损

在变电站中，像瓷质避雷器和变压器等设备常安装在细长支架上，高度可达数米。它们的瓷壳在日常工况下很坚固，但在侧向剧烈晃动时容易开裂。现有的防护措施——例如橡胶支座、钢丝绳阻尼器和调谐质量块——可以降低作用力，但各有缺陷。有些会显著增加顶部的摆动，从而拉伸连接导线；有些则依赖复杂的液压部件或难以改造的重质量。广泛使用的剪切铅耗能器虽然能吸收大量能量，但在大地震后常常会使设备保持倾斜，因为它缺乏内置的“自复位”能力。

一种能回中位的全新耗能器

ASSLD 的设计旨在解决能量吸收与自复位之间的权衡。装入钢壳内的是绕中心杆叠放的软金属铅环。在震动过程中，设备相对于支撑架发生位移，使装置处于拉压状态。位移使铅环发生剪切，将地震能转化为无害的热量；而由超弹性形状记忆合金（SMA）制成的中心杆则像强劲的弹簧一样拉伸，在运动结束后将系统拉回原位。多层同心铅环共同分担荷载，可在工厂精确制造，避免现场铸铅的混乱，并提高长期可靠性。

对材料与机理的检验

研究者首先对构成自复位核心的 SMA 杆进行了表征。在受控的往复拉压实验中，这些杆表现出超弹性材料特有的“旗形”响应：它们可承受几个百分点的应变，消散适量能量，并能恢复大部分原始长度。尽管它们单独的能量消散能力有限，但其回弹能力（恢复率常高于80%）使其成为铅环的理想搭档：铅环擅长吸能却不易回位。对组装后的铅环耗能器的独立试验量化了环长和配置如何影响力学、刚度和能量消散的稳定性，从而指导了最终 ASSLD 的几何设计。

从台架试验到数值模型

随后，完整的 ASSLD 装置在强力试验机上进行循环加载试验，揭示了随位移增大时的行为。组合系统既表现出强劲的能量消散，又具备部分自复位能力，其等效阻尼比单独 SMA 杆约增大一倍，残余位移也远小于纯铅耗能器。为预测更多情形下的性能，作者在 ABAQUS 有限元平台上建立了详细的计算模型。他们通过嵌入特殊弹性“细丝”来改进现有 SMA 模型，以更好地捕捉拉压不对称性以及材料在循环载荷后的复位能力。虽然模型对某些低应力效应仍作了理想化处理，但在地震常见的中等到大变形范围内，其结果与试验在工程精度上吻合良好。

保护真实避雷器的示范

为了评估新耗能器在实际中的作用，团队对一台500 kV 避雷器——一个顶部带金属配件的高瓷柱——与其钢支架进行了数值模拟，分别考虑是否在基座周围安装 ASSLD 单元。他们用九个地震记录进行激励，包括规范化的设计地震以及历史地震记录（如 El Centro 和 Landers 地震）。安装 ASSLD 后，瓷体受力显著降低，设备顶部的峰值加速度减少约13%到38%，提高了在强震下本可能不足的安全裕度。在大多数情况下，顶部的侧向位移也约减小了11%，但在少数窄带人工波形下，额外的柔性反而略微增加了摆动，这表明没有任何耗能装置能在所有可能的地面运动形态下都取得一致的正面效果。

对未来电网的意义

对于非专业读者来说，关键结论是 ASSLD 类似于关键电网设备的智能减震器：它在吸收大量地震能量的同时，尽力在震后将设备拉回垂直位置。与传统装置相比，它可提供约最高45%的额外能量消散和显著更好的回中能力，这有助于减少损伤、缩短检修时间并加快震后恢复。尽管其确切性能受温度和当地地震频谱影响，此项工作为构建更具韧性的变电站、在地动时更好地保障供电连续性指明了清晰方向。

引用: Liu, H., Chen, Q., Gao, Y. et al. Mechanical performance simulation and application of assembled self-centring shear lead damper. Sci Rep 16, 12683 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38631-3

关键词: 隔震减震, 形状记忆合金耗能器, 变电站安全, 避雷器保护, 耗能装置