大型火电厂钢结构主厂房弹塑性地震反应分析.pdf

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第39卷第4期四川建筑科学研究2013年8月SichuanBuildingSciencel95大型火电厂钢结构主厂房弹塑性地震反应分析梁炯丰，一，杨泽平，彭修宁。，王俭宝(1．东华理工大学建筑工程学院，江西南昌330013；2．西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安710055；3．广西大学土木建筑工程学院，广西南宁530004)摘要：为了研究大型火电厂钢框排架主厂房的变形能力、薄弱部位、受力机理及其破坏机制，采用弹塑性时程分析方法对其抗震性能进行了研究。计算结果表明：主厂房横向框排架和纵向框架一支撑结构存在较多的薄弱部位，计算分析应采用考虑扭转效应的空间模型。关键词：框排架结构；大型火电厂；弹塑性地震反应中图分类号：TU271．1文献标志码：A文章编号：1008—1933(2013)04—195一o5Elasticearthquakeresponseanalysisofsteelframe-bentstructuresoflargethermalpowerplantmainbuildingsLIANGJiongfeng，YANGZeping，PENGXiuning，WANGJianbao(1．CollegeofArchitectureEngineering，EastChinaInstituteofTechnology，Nanchang330013，China；2．ColegeofCivilEngineering，Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology，Xi’an710055，China；3．ColegeofCivilEngineeringandArchitecture，GuangxiUniversity，Nanning530004，China)Abstract：Thedynamicelastic—plasticanalysismethodisusedtostudythedeformation，weakparts，loadingcapacityandfailuremechanismsofsteelframe．bentstructuresoflargethermalpowerplantmainbuildings．TheresultsshowthattherearemuchweakpartsinthehorizontMflame-bentandlongitudinalframe·supposingstructures．whichmustbestrengthenedwhendesigned．Thespacemodelshouldbeusedtoconsidertheefectoftorsioninstructuralcalculationandanalysis．Keywords：frame-bentstructure；largethermalpowerplant；elastic-plasticseismicresponse计规范、抗震设计规范对火电厂主厂房的抗震设计^U-刖■‘-吾-～还缺乏针对性，尚不能完全反应出火电厂主厂房抗大型火力发电厂框排架结构主厂房是重要的生震设计的特殊性。为此，本课题组在已完成的大型命线工程，对该类结构的抗震性能研究具有重要的火电厂钢框架异型节点的受力性能研究基础上J，理论意义和实际应用价值。钢结构因具有布置灵以某大型火电厂钢框排架主厂房为原型，建立有限活、易于工艺要求配合、自重轻、强度高、施工快、抗元模型，对其进行了弹塑性时程分析，以了解这类具震性能好等优点，正逐渐成为我国大型火电厂主厂有结构体系复杂、刚度不匀、荷载质量分布多样等特房的主要结构形式，尤其成为在抗震设防区建造大点的大型复杂钢结构主厂房的抗震性能。型火电厂的首选形式¨。然而，由于生产工艺布置需要，火电厂钢结构主厂房同样存在钢筋混凝土结1工程概况构主厂房所存在的整体结构布置复杂、刚度不均匀、某1000MW级钢结构火电厂主厂房按工艺要荷载质量分布多样、抗侧移刚度不均匀等问题，从而求，采用煤仓间、除氧间和汽机房相连的框排架结导致抗震性能较差，这就给大型火电厂钢结构主厂构，主厂房结构模型、结构剖面和平面布置分别如图房的设计提出了新的要求。而中国现有的钢结构设1—3所示。煤仓间共5层，标高分别为2013"1、23．5m、37．7m、49．5m、56．5In，其中37．71TI处设置煤收稿日期：2012-06-29斗梁；除氧间共5层，标高分别为l1．6m、20m、28作者简介：梁炯丰(1980一)，男，广西梧州人，讲师，博士，主要从事组合结构与结构抗震研究。I'll、37．7m、49．5m，其中37．7m处设置除氧器，其基金项目：国家自然科学基金(50978217。51168002)；中国博士后科余各层布置高低压加热器。①、②轴之间的边跨屋学基金(20080440814)E—mall：jiongfengl08@126．COIn顶标高为69m，运行层标高为20m，吊车梁底标高 196四川建筑科学研究第39卷为28．56rfl。部分主要受力构件截面尺寸见表1，钢0．70kN／m，地面粗糙度为B类。材采用Q345B钢。工程设计使用年限为5O年，建一筑结构安全等级为二级，乙类抗震设防，抗震设防烈56500度为8度(0．20g)，设计地震分组为第一组，场地类49．500别为Ⅱ类，框排架抗震等级为一级。基本风压为＼37．70o28000235002O00O±l01600000同IFI14000100008500l20500l50图1结构模型图2结构典型剖面Fig．1StructuremodelFig．2TypicalsketchofthestructureD列柱-_■'_I}IC列柱一Ir-_F-—-—-_JI-——卜-_一一-_1卜一Il．0上’上’上，1B列柱一{I——一_{卜_一—卜——一I卜一一一}_一-‘．ili．平台柱1}1●．i上上-。IfI}jl平台柱fIIu1l．ili，——一卜一一—●●--_●-●-●_■■■I95001OOO01000010000．1000010000l0000100001000010000【10000图3结构平面布置Fig．3Layoutoftheplane表1主要受力构件截面尺寸TablelSectionsizeofthemainmembers构件截面尺寸(高×宽×翼缘壁厚×腹板壁厚)1400×700×40×60(A列柱)1800×900x40×60(B列柱)1000×1000×60×60(箱形)(C、D列柱)柱1200x700~40~60(A列柱)1300×600~40x6O(B歹U柱)1Ooox800×60×60(箱形)(C、D列柱)煤斗梁1800×800x40×60(箱形)支撑1：'351x12／P351×16／I"299x10／Hw450×300×20g30／Hw600×450×25×35(注：P表示合金钢管。)楼板厚度100由于受工艺的要求，该结构存在体型收进、质量对其进行了适当的简化：和刚度分布严重不均匀、承载力不连续、楼板大面积1)考虑汽机房屋架对结构动力反应影响较小，开洞、错层、梁柱截面尺寸差异较大、强梁弱柱异型将其简化为一轴力杆，并认为其与排架铰接；节点较多等特点，为此本文利用有限元软件ANSYS2)采用刚性楼板假定；建立有限元模型时分别采用三维空间梁单元、桁架3)双梁通过主从节点约束实现。单元、板单元模拟原型结构的梁柱、支撑及楼板，并根据结构构件的受力特点，分别对梁、柱、支撑 2013No．4梁炯丰，等：大型火电厂钢结构主厂房弹塑性地震反应分析197设置弯曲塑性铰、压弯塑性铰、轴力塑性铰，骨架曲构弹塑性的受力状态，尤其是结构薄弱部位集中了线均为FEMA类型6；分析中对梁、柱、支撑的钢材地震动大部分输入能量，引起了该部分部位变形集采用双线性随动强化模型，认为所有焊缝连接和高中，从而可能提前破坏；强螺栓连接与钢材等强刚接，采用VonMises屈服准4)结构)，向框排架结构的位移响应远大于则及相关流动准则来判断钢材屈服；恢复力模型采向，表明该方向刚度较弱，建议设计该类结构时适当用双线性模型。多布置支撑，以增强其抗侧刚度。采用Elcentrol波进行结构的弹塑性时程分析，并且该地震波水平分量中加速度峰值较大的一条沿结构横向输入，峰值较小的一条沿结构纵向输人，地震动持续时间为10S，其分析工况分别为：7度中震A"／z"薹6毒0(150ga1)、8度中震(2ooga1)、8度大震(400ga1)和015030045060075002004006008001000楼层位移／mm楼层位移／mm9度大震(620ga1)。(a)J向地震作用下(b)y向地震作用下2计算结果与分析图5楼层位移Fig．5Floordisplacement2．1加速度响应图4给出了加速度反应与楼层高度的关系，由2．2．2层间位移图4可见，在相同地震强度的作用下，y向的地震响图6为结构的层间位移角曲线，从图6可知：应强于向，其原因为两个方向的结构动力特性存1)在相同强度的地震作用下，结构、Y方向的在差异所致。从图4中还可看出，随着地震强度的层间位移角曲线形状相差较大，结构由于质量、刚度提高，结构进人塑性阶段，并不断发展，产生弹塑性分布复杂，造成薄弱部位较多。向最大层间位移变形，结构刚度不断降低，结构的加速度响应也随之角主要出现在底层、第二层及煤斗层；Y向最大层间衰减。位移角主要出现在底层、第二层及顶层。底部两层层问位移角较大其主要原因为结构底层柱子不等长、结构错层造成平扭藕联振动，使得该部位变形较大，成为薄弱环节；煤斗层层间位移角较大时由于该层煤斗梁刚度较大，柱子截面缩进较多，造成刚度不均匀引起；而Y向顶层层间位移角较大是由于结构动力放大系数动力放大系数局部突出造成“鞭梢效应”所导致。(a)向地震作用下(b)y向地震作用下2)在7度中震、8度中震、8度大震、9度大震的图4动力放大系数Fig．4Dynamicalmagnificationfactor地震作用下，结构向的最大层间位移角分别为：1／198、1／114、1／64、1／33；y向结构在上述各地震作2．2位移反应用下的最大层间位移角分别为：1／202、1／93、1／46、2．2．1楼层位移1／25，说明结构具有良好的变形能力。图5所示为结构的楼层位移曲线，从图5中可看出：1)在相同强度的地震作用下，结构的、y方向位移曲线形状有所不同，但基本均为剪切型变形为主；层间位移角／rad层间位移角／rad2)在相同强度的地震作用下，Y方向的楼层(a)向地震作用下(b)向地震作用下位移曲线均不平滑，表明结构两个方向的质量、刚度图6层问位移角沿楼层分布不均匀；Fig．6Inter-storeydriftrotation3)随着地震作用强度的增大，结构的楼层位移曲线形状稍有变化，结构位移增长的速率随着结构2．2．3扭转位移进入塑性而变缓慢；同时由于结构不规则加大了结图7为不同强度的地震波作用下，结构绕、 198四川建筑科学研究第39卷轴的最大扭转角随高度的变化曲线。从图7中可看扩散；则框架柱首先在底部产生塑性变形，然后塑性出，结构、y方向的最大扭转角随着地震强度的不变形区沿高度向上发展。此外，弹塑性时程分析表断加大而增大，绕轴的最大扭转角在结构上部增明，结构两个方向框架柱构件出现塑性铰较少，这表长幅度大于结构下部，而绕)，轴的最大扭转角则在明结构在两个方向具有足够的抗震承载力，能抵抗结构下部增长速率较快，表明随着地震强度的不断住8度罕遇地震的作用。增大及结构塑性的发展，结构的扭转效应不断增大，同时结构上、下部结构扭转效应变化并不一致，其主■1—]_1—可要原因为结构的刚度、质量分布并不一致所致。(a)@轴结构塑性铰分布(b)⑦轴结构塑性铰分布扭转角／rad扭转角／rad图9塑性铰分布(a】结构绕X轴扭转角(b)结构绕Y轴扭转角Fig．9Plastichingedistribution图7扭转角Fig．7Torsionalangle2．5框排架协同工作图10为排架柱承担的剪力比。图l0表明，随2．3地震作用着地震作用的增加，排架承担横向地震作用的比例图8为不同强度的地震波作用下，结构、Y向不断上升，而其承担纵向地震作用的比例不断下降，的楼层剪力相差悬殊，其主要原因为结构、Y方向表明排架刚度衰减慢于框架；横向排架柱承担剪力的刚度相差较大，向的楼层剪力远大于向的楼比曲线较纵向不规则，反映了横向框排架结构刚度、层剪力。这表明，向的框架一支撑结构刚度大，承质量分布的不规则性。随着地震强度的不断增大，载力高，尤其是支撑起到了较强的抗侧力作用。从横向排架柱承担最大地震作用的轴线位置有所改图8中还可看出，结构在煤斗层(37．7m)楼层剪力变，而纵向改变幅度不大。可见，随着地震作用的增较大，其主要原因为该层煤斗梁刚度较大，使得相邻大，框架和排架之间的塑性内力重分布有所体现，排楼层刚度、质量与局部楼层刚度、质量大小相差悬架承担的地震作用在框排架中较大，框排架结构中殊。排架结构可承担第二道防线的作用。一▲一7窿中震一▲一7度中震02000004000o0楼层剪力／kN楼层剪力／kN(a)向地震作用下(b)向地震作用下轴线号轴线号(a)排架柱承担横向剪力比(b)排架柱承担纵向剪力比图8层剪力图1O排架柱承担剪力比Fig．8Inter—storeyshearforceFig．10Shearofbentframecolumn2．4塑性铰分布3结论图9为原型结构在8度设防烈度罕遇地震作用下的⑥轴和⑦轴结构塑性铰分布。考察两个方向的1)主厂房结构在8度罕遇地震作用下，能够满塑性变形规律，可发现支撑和框架梁首先产生塑性足现行规范“大震不倒”的设计标准。但厂房横、纵变形，随后是下层柱底及中下层柱端产生塑性铰。方向刚度相差较大，使得结构扭转效应较显著。支撑塑性铰首先出现在中下层，随后不断往上发展；2)主厂房结构质量、刚度分布不均，主要表现框架梁首先发生在楼层中部，然后出铰范围向周边为楼层错层、煤斗梁刚度较大以及框架柱、梁的变截 2013No．4粱炯丰，等：大型火电厂钢结构主厂房弹塑性地震反应分析199面，使得结构薄弱层部位较多，因此，对于薄弱层的[2]彭修宁，薛建阳，刘祖强，等．刚性钢框架异型节点性能及设计方法[J]．土木建筑与环境工程，2010，32(3)：22-26．设计要特别予以重视。[3]薛建阳，刘祖强，彭修宁，等．钢结构异型节点受力性能及非线3)支撑和框架梁首先产生塑性变形，随后是下性有限元分析[J]．西安建筑科技大学学报，2010，42(5)：609．层柱底及中下层柱端产生塑性铰，结构的两个方向613．框架柱构件出现塑性铰较少，可抵抗8度地震作用。[4]薛建阳，胡宗波，彭修宁，等．钢结构箱形柱与梁异型节点破坏机理的试验研究[J]．建筑结构学报，2010(Supp1．I)：50-54．4)主厂房结构的变形以剪切变形为主。在、Y[5]薛建阳，刘祖强，胡宗波，等．钢框架异型节点核心区的受剪机向地震作用下，结构的层间位移角曲线形状和层剪理及承载力计算[J]．地震工程与工程振动，2010，30(5)：37—力差异较大，且存在多处拐点，其主要原因为刚度沿41．竖向分布不均匀。[6]GB50011—2O1O建筑抗震设计规范[s]．5)随着地震作用的增大，框架和排架之间的塑[7]FederalEmergencyManagementAgency，BuildingSeismicSafe-tyCouncil[S]．性内力重分布有所体现，排架承担的地震作用在框[8]NEHRPGuidelinesfortheSeismicRehabilitationofBuildings．FE．排架中较大，框排架结构中排架结构可承担第二道MA-273，1997．防线的作用。[9]GuptaB，Kunn~hSK．Adaptivespectra-basedpushoverprocedureforseismicevaluationofstructures[J]．EarthquakeSoect~，2000，参考文献：16(2)：367~91．[10]KaravasilisTL，Maximu1Jmdisplacem1e；ntprofilesforthep、eJrform-1J[1]张文元，于海丰，张耀春，等．大型火电厂钢结构主厂房铰接中Rncebasedseismicdesignofplanesteelmomentresistingflames心支撑框架体系的振动台试验研究[J]．建筑结构学报，2009，[J]．EngineringStructurea，2006，28：9-22．30(3)：11—19．(上接第189页)谭军，解恒燕，李忠民．绥芬河青云市场套(扩)建工程结构设计方法与施工措施研究[J]．土木工程学报，2006(11)：68．土柱一型钢混凝土梁形成的框架抗震试验，采用有限76．元计算方法，实施了水平低周反复荷载作用下，两榀傅传国，娄宇．预应力型钢混凝土结构试验研究及工程应用H型钢混凝土组合梁一角钢混凝土柱两榀框架的滞[M]．北京：科学出版社，2007．回抗震性能模拟与分析。赵鸿铁．钢与混凝土组合结构[M]．北京：科学出版社，2001．2)该数值模拟结果与试验结果吻合较好，表明刘铁．套建增层框架结构房屋设计与施工方法研究及实践本文采用的恢复力模型能够适用于此类框架的抗震[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学。2006．Parl(YJ，ReinhomAMandKunnathSK．IDARC：inelasticdam—性能分析。ageanalysisofreinforcedconcreteframe-shear-wallstructures参考文献：[R]。TechnicalReport．No．NCEER-87-00008，StateUNIV．ofNewYork，1987．郑文忠．套建增层预应力钢骨混凝土框架弹塑性地震反应分王琨，郑文忠．套建增层预应力钢骨混凝土框架弹塑性地震析[J]．地震工程与工程振动，2008，28(4)：91．105．反应分析[j]．地震工程与工程振动，2008，28(4)：94．105．[2]薛伟辰，杨枫，苏旭霖，等．预应力钢骨混凝土梁低周反复荷计静．套建增层预应力钢骨混凝土框架抗震性能与设计方载试验研究[J]．哈尔滨工业大学学报，2007，39(8)：1187．法研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008．1190．