火电厂直接空冷结构体系抗震计算分析.pdf

4 2 低温建筑技术 2 0 1 3年第 2期 总第 1 7 6期 火 电厂直接空冷结构体 系抗震计算分析 豆攀乔 ， 宋俞成 1 ．西北电力设计院 ． 西安7 1 0 0 7 5； 2 ．西安建筑科技大学 。 西安7 1 0 0 5 5 【 摘要】 火力发电厂直接空冷结构体系是随着空冷工艺出现而形成的新型工业建筑， 结构组成及其受力 性能复杂， 其抗震计算分析是结构设计的关键问题。建立了直接空冷结构体系有限元计算模型， 通过模态计算分 析了结构的动力特性。按照抗震规范要求进行了单向地震作用反应谱分析和双向地震作用结构响应计算 ， 并采 用时程分析计算了结构的地震内力和变形。进行了非线性时程分析， 分析了结构的破坏过程和破坏模式。抗震 计算分析表明， 直接空冷结构体系扭转效应突出， 大震作用下易形成柱铰破坏机制。 【 关键词】 直接空冷结构体系； 抗震 ； 时程分析； 火力发电厂 【 中图分类号】 T U 3 1 1 ． 3 。 T U 3 5 2 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 3 0 2 0 0 4 2 0 4 我 国富煤缺水 的三北地 区 ， 火力 发 电厂 为了满足 节能减排的要求， 缓解水资源生态需求 ， 通常采用空 冷凝汽设备进行冷却。和传统的湿冷技术相 比， 空冷 技术能节约水资源 7 0 ％以上 。空冷凝汽器设备的 主要支承系统是直接空冷结构体系， 该结构组成和受 力情况复杂。一直以来， 国内的空冷市场由国外公司 占据， 其性能保证完全由外方主导。为了实现空冷系 统设计国产化， 并使拟建的直接空冷结构体系与我国 规范的可靠度水准一致， 需要深入分析直接空冷结构 体系 的结构 性 能 ， 并 进 行 切实 可 行 的 结构 性 能 改善 引。 1 结构形式与组成 直接空冷 结构体系通 常是 由钢 筋混凝 土管柱 、 空 间钢桁架以及 A型架支承的空冷凝汽器设备三部分 组成的混合结构， 如图 1所示。这种结构形式取决于 结构和工艺的双重要求 。要使其汽具有足够的冷 却风场， 结构中的钢筋混凝土管柱高度达到 3 0～ 4 0 m， 同时周围不能采用围护结构， 钢桁架平台以上要采用 挡风墙； 为使结构体系抗侧移刚度满足设计的要求， 估算所得钢筋混凝土管柱的直径为 4 m左右， 壁的厚 度为 2 5 0～ 5 0 0 m m 。要支承数万吨的设备 ， 钢桁架的 高度至少 5 m。由此组成的结构形式质量和刚度分布 【 基金项目】 陕西省教育厅 自 然科学专项 1 2 J K 0 9 2 1 o● o0● oo ●o o● oo● oo● oo ● 0o● oo ●0o ● 00● oo ●o o● o0◆ 00● o0 ●00 ◆ 0 o ● 00● o0 ●oo ● oo● oo ● 0o● 0o● 00 ●o 0● 00● 0O● oo ● o0● oO◆ oo● 00 ● 00● 00● 0o ． 0q● o0 ●o0 ●0 o● 00 ●00 ● o0． 。口● 0o ● 0 形式 ， 增加视觉和美观效 果 ； 斜腿 固接 时 ， 结构超静 定 次数增 多 ， 结构整体性 和刚度均增 大。温 度和基础 变 位对结构后期运营阶段有很大的影响 。结合该实 际工程对结构考虑整体温度变化 2 0 度 ， 斜腿单侧竖向 变位5 m m， 斜腿在铰接和固接支撑情况下结构内力见 表 4 。 对比表 4中结构主要断面内力可以看出 边跨跨 中和中跨支点处 由恒载引起的弯矩在斜腿铰接情况 相比固接情况下较大， 中跨跨中和斜腿顶端处较小 ； 斜腿 固接情况下 温度 对整 个结 构 的影响相 比铰 接情 况下增大更为明显 ； 斜腿铰接情况下中跨支点弯矩比 固接下小， 斜腿顶端的弯矩大。斜腿的支撑情况必须 合理选择， 使结构的受力更合理。 3结语 通过温变、 基础变位和斜腿的支撑情况对结构 内 力影响的比较， 中小跨径的斜腿刚构桥孔数和跨径增 大时， 结构超静定次数越多， 温变和基础变位对结构 的内力影响就越大， 在进行结构计算时尤其要注意主 梁与斜腿连接处， 截面配筋必须适当加强。下部基础 地质情况较好时可以考虑将斜 腿与基础 铰接 ， 若下 部 地质不太好， 可将斜腿与基础固接以增加整体刚度， 斜腿固接时， 在斜腿内部张拉预应力钢束对斜腿截面 验算 和控制裂缝有很 大的优势 。 参考文献 [ 1 ] 李健 ， 边伟 ， 刘 重宵 ．斜腿 刚构 桥在跨 线桥 中 的应 用 [ J ] ． 公 路 ， 2 0 0 9 ， 1 0 1 7 2 1 ． [ 2 ] 石宜乐 ．斜腿刚构式桥温度应力分析[ J ] ． 福建建筑， 2 0 0 6 5 1 6 01 6 3 ． [ 3 ] 刘效尧， 徐岳．梁桥 第二版 [ M] ． 北京 人民交通出版社 ， 2 0 1 1 3 5 13 5 3 ． [ 4 ] 杨军猛， 郭俊峰 ． 斜腿刚构桥受力特性研究[ J ] ． 交通科技， 2 0 1 1 ， 1 1 31 6 ． 【 收稿 日期】 2 0 1 21 O一 3 O [ 作者简介] 廖运河 1 9 8 7一 ， 男， 四川达州人 ， 硕士研究生， 研究方向 桥梁可靠度与优化设计。 豆攀乔等 火电厂直接空冷结构体系抗震计算分析 4 3 极不均匀 ， 下柔上刚， 空冷凝汽器设备与支撑结构动 力相互作用显著 ， 不能忽略。 A 型 空 钢筋混凝土管柱 设 结 a 透视图 2动力特性分析 2 ． 1 建模 b 剖面图 图1 直接空冷结构体系 管 a 结构一 设备耦合计算模型 b 仅考虑结构 的计算模型 图2 有限元计 算模型 采用 S A P 2 0 0 0 V 1 4 ． 0版进行建模计算。混凝土采 用 C 4 0 ， 钢材采用 Q 2 3 5 新版 S A P 2 0 0 0里集成了现行 混凝土规范， 材料可直接选用 。钢桁架、 管柱、 A型 架、 分配管都采用框架单元； 空冷凝汽器管柬简化为壳 单元 ， 所有钢构件材料使用 Q 2 3 5 ， 壳的厚度统一等效 为4 5 m m。除了钢桁架和管柱 的连接使用铰接外； 其 它所有连接都采用刚接。有限元计算模型共有框架 单元 4 6 9 0 个 ， 壳单元 5 1 2个 ， 节点2 0 0 6个， 如图2 a 所示。 目前 ， 绝大多数结构工程师在设计直接空冷结构 体系时，都仅考虑空冷平 台以下的结构部分，而上 部只是简化为荷载 A型架荷载由设备厂提供 ， 计算 模型如图2 b 所示。空冷平台以上空冷凝汽器部分 高达 1 4 m左右， 其 刚度对结构动力特性有显著影响， 将其完全简化为荷载进行动力分析是不尽合理的 。 2 ． 2 模态分析 模态分析根据不同的质量工况。工况一 只考虑结 构和 A型架自重 ； 工况二 考虑直接空冷结构体系恒荷 载； S I 2 况三 按照抗震规范 ， 使用 1 ． 0恒荷载 0 ． 5 雪 荷载 活荷载 作为重力荷载代表值进行计算； 对于这 三种计算工况 ， 结构的前三阶振型相似， 如图 3所示。 三种计算工况的结构振动频率见表 1 所示 。 表 1 结构振动频率 H z 振型组合方法来考虑振型耦合作用。模态计算 表明， 图3 a 、 b 所示 的两种计算模型， 前三阶振型 基本一致， 后续振型有所改变。前三阶振型的振动频 率差异大致在5 ％ 一1 0 ％左右。 3反应谱分析 文 中工程所在地 的抗震设 防烈度 为 8度 ， 场地 类 别为 Ⅱ类， 设计基本地震加速度为0 ． 2 0 g ， 设计地震分 组为第一组 。反应谱分析时， 2种振型组合得到的 结果详见表2 。根据计算结果 ， 采用 S R S S 振型组合方 法对于扭转出现在第一振型的结构， 可能得到的结果 不安全。 a 一 阶振型 扭转 b二 阶振型 x 向平动 图3 模型前三阶振型 一 c三阶振型 y 向平动 低温建筑技术 2 0 1 3年第 2期 总第 1 7 6期 我国现行抗震规范规定双向水平地震作用的扭 转效应 ， 可按下列公式中的较大值确定 。 ．s ／ s 0 ． 8 5 S 1 S E k J o ． 8 5 S S 2 我国学者通过对强震记录的统计分析， 发现两个 方向地震作用出现峰值统计上的具有相关性， 通过引 入相关性比例系数来考虑这种相关性。这一 比例系 数取为 1 0 ． 8 5 。 表 2 S R S S法与 C Q C法的对比 按照式 1 、 2 两种地震作用方向的组合方式， 主要计算结果见表 3 。 表 3 双 向地震作用效应计算结果 根据以上结果， 作者认为， 应该按照两种方式进 行反应谱分析计算， 一是考虑双 向地震作用， 分别得 到两个方向的地震作用最大值； 二是按照抗震规范提 供的双向地震作用方向组合方式， 求得其作用效应。 4时程分析 4 ． 1 线性时程分析 按两频率段方法选择 了三条地震波 ， 即兰州波 、 E l C e n t r o 波 、 及一条 由 T a f t 波改 造的人 工波 。将三 条地震波峰值加速度调为 7 0 g a l ， 如图4所示。 时程分析的计算结果及与反应谱分析的对 比见 表 4所示。从表 4 可 知 ， 采用 时程分析法 ， 各地震波分 析结果是有一定的离散性的； 比照反应谱分析结果可 得， 单条地震 波的基底 剪力不小 于反应 谱结果 的 6 0 ％；三条地震波的平均基底剪力与反应谱计算结果 1 2 O o o 8 0 o O z 4 0 O 0 妄 。 基 一4 0 0 0 8 0 0 0 一 l 2 0 o 0 Us a 基底剪力 的比值为0 ． 9 5 ， 满足现行抗震规范要求的8 5 ％。 图4 地震波 表 4 反应谱分析与时程分析的对 比 注 表中 的比 例是 指反应谱分析引 起的 基底剪力与时程分析结 果的比 值 4 ． 2 非线性时程分析 4 ． 2 ． 1 塑性铰发展 在峰值加速度为4 0 0 c m ／ s 的 E 1 一C e n t r o 波作用 下， 在 t 1 ． 3 6 s 时， 在管柱的底部同时出现了塑性铰， 此后 ， 塑性铰一直 处于屈 服状态 ， 全 过程 中 A型架 和 钢桁架均未出现塑性铰。 把 E 1 一C e n t r o 波的峰值加速度调为 8 0 0 c m ／ s 进 行加载。t 0 ． 7 8 s 时， 靠近排气管道的第 1排柱的柱 底塑性铰开始屈服 ； t 0 ． 8 0 s 时 ， 塑性铰发展 到了第 2 排 的柱 ； 在 t 1 ． 1 8 s 时 ， 全部 4排柱 上 均 出现 了塑性 铰。当t 1 ． 6 4 s 时， 塑性铰的能力水平达到了直接使 用状态 ， t 4 ． 4 6 s 时， 塑性铰的能力水平达到了生命 安全状态 。 从塑性铰发展过程 和时程分析 的结果来 看 ， 直接 空冷结 构 比较 容易形成 柱铰破 坏 的破 坏机制 ， 同时， 靠近排气管的一侧的混凝土管柱更不安全， 应该更要 重视。 4 ． 2 ． 2内力及变形 吕 壶 X 静 图5 弹塑性时程分析基底反力 U s b 基底弯矩 豆攀乔等 火电厂直接空冷结构体系抗震计算分析 4 5 2 0 0 茸 0 吕 蠢一 2 0 0 一4 00 6 0 O 一8 o0 2 o 0 目0 蠢 -一2伽00 6 0 0 8 0 0 s 一 4 0 o g a l 8 0 0 g a l a 柱头位移 日 ‘。。 4 0 0 g a l ‘ ‘8 0 0 g t c 顶部位移 8 鑫4 。 -8 B 4 餐0 嚣 - _ 4 8 I ⋯⋯⋯ ． i t j 二 ⋯ 1 件 I -| - -- I ⋯ ⋯ l - l 茸 二 _-l ⋯ ⋯ ⋯ 一 f ／ s ‘ 。。 4 00 g a l - - -8 0 0 g a l b 柱头加速度 ⋯⋯一 瓣勰 _ 二 |-。 -f ． 辩 卓 鼍 l f ， 图6 弹塑性时程分析位移和加速度 时程 在峰值加速度 4 0 0 c m ／ s 和 8 0 0 c m ／ s 的 E l C e n t r o波作用下结构的基底剪力和最大位移见表 5所 示。 向基底剪力及 l ， 向弯矩如图 5所示。由图5可 知， 虽然和弹性时程分析相比， 峰值加速度有了较大 的提高， 但是基底剪力及弯矩并没有相应的提高很 多。显然， 这是因为结构进入了弹塑性阶段。由于直 接空冷结构体系在结构上只具有单道抗震防线， 因而 也大致可以从图 5上判断出结构的承载力。从图5上 还可以看出， 在地面加速度作用下结构的基底剪力和 弯矩出现了若干个峰值 ， 并在每个峰值处保持一段时 间 ， 这也是结构 的塑性性 能造成 的。 表 5 弹塑性时程分析基底反力及位移 从图 6可以看出， 在峰值加速度为 4 0 0 c m ／ s 和 8 0 0 c m ／ s 的 E 1 一C e n t r 波作用下柱头和设备顶部的位 移反应和加速性时程分析中结构的位移反应和加速 度反应提高很快 ， 从 4 0 0 c m ／ s 到8 0 0 c m ／ s ， 结构和设 备的位移均有较大的增加 ， 这主要是因为结构通过塑 性变形来耗散地震能量 造成 的。 5结语 1 直接空冷结构体系沿竖 向质量和刚度分布 严重不均匀； 地震破坏主要集 中在柱底和柱头与钢桁 架连接节点处； 在强震作用下， 钢筋混凝土管柱的柱 目 。。’。 4 0 0 g a 。 8 0 0 g a l d顶部加速度 底一般会出现塑性铰， 结构 的破坏机制是柱铰破坏 机制。 2 直接空冷结构体系的主要振动模态是扭转。 3 直接空冷结构体系地震反应谱分析计算， 要按照抗震规范要求计算双向地震作用效应。 4 建议对直接空冷结构体系采用时程分析法 进行抗震补充计算。 5 非线性时程分析表明， 靠近排气管一侧的 管柱更容易遭受地震震害。 参考 文献 [ 1 ] N D e k k e r ，P V e n t e r ， A P a r t o o k ． D i r e c t a i r c o o l e d c o n d e n s e r s u p - p o r t p l a tf o r m a t M a t i m b a P o w e r S t a t i o n[ J ] ． T h e C i v il E n g i n e e ri n g i n S o u t h A fr i c a ， 1 9 8 7， 2 9 7 2 7 7- 2 7 9 ． [ 2 ] 白国良， 朱丽华， 赵春莲， 等 ． 火力发电厂空冷平台研究现状 及展望[ J ] ． 哈尔滨工业大学学报， 2 0 0 7 ， 3 9 5 3 8 5 4 2 ． [ 3 ] 朱丽华， 白国良， 李晓文 ， 赵春莲， 李红星．基于主子系统耦合 效应的直接空冷结构体系抗震性能研究[ J ] ． 土木工程学报． 2 0 0 9， 4 2 2 1 1 1 7 ． [ 4 ] 朱丽华． 基于主子系统耦合效应的直接空冷结构体系地震响 应与破坏机理研究[ D ] ． 西安 西安建筑科技大学， 2 0 0 8 ． [ 5 ] 杨溥， 李英民， 赖明． 结构时程分析法输入地震波的选择控制 指标[ J ] ． 土木工程学报， 2 0 0 0 ， 3 3 6 3 3 3 7 ． [ 6 ] G B 5 0 0 1 1 2 0 1 0 ， 建筑结构抗震设计规范[ s ] ． 【 收稿 日 期] 2 0 1 2 1 1 0 9 [ 作者简介】 豆攀乔 1 9 7 9一 ， 女， 陕西成阳人， 工程师， 硕士， 从 事火力发 电厂结构设计。