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第 3 9卷第 4期 2 0 1 3年 8月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e l 9 5 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3 3 0 0 1 3 ; 2 . 西安建筑科技大学土木工程学院, 陕西 西安7 1 0 0 5 5 ; 3 . 广西大学土木建筑工程学院, 广西 南宁5 3 0 0 0 4 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 T U 2 7 1 . 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 81 9 3 3 2 0 1 3 0 41 9 5一o 5 El a s t i c e a r t hq ua k e r e s p o n s e a n a l y s i s o f s t e e l f r a me - be n t s t r uc t u r e s o f l a r g e t h e r ma l p o we r p l a n t ma i n b u i l d i n g s L I ANG J i o n g f e n g , Y AN G Z e p i n g , P E NG Xi u n i n g , WANG J i a n b a o 1 . C o l l e g e o f A r c h i t e c t u r e E n g i n e e r i n g , E a s t C h i n a I n s t i t u t e of T e c h n o l o g y , N a n c h a n g 3 3 0 0 1 3 , C h i n a ; 2 . C o ll e g e o f C i v i l E n gi n e e r i n g , X i ’ a n U n i v e r s i t y o f A r c h i t e c t u r e and T e c h n o l o gy , X i ’ a n 7 1 0 0 5 5 , C h i n a ; 3 . C o ll e g e of C i vi l E n gi n e e r i n g and A r c h i t e c t u r e , G u a n g x i U n i v e rs i t y , N a n n i n g 5 3 0 0 0 4, C h i n a Ab s t r a c t T h e d y n a mi c e l a s t i c p l a s t i c a n a l y s i s me t h o d i s u s e d t o s t u d y t h e d e f o r ma t i o n, we a k p a r t s , l o a d i n g c a p a c i t y a n d f a i l u r e me c h a n i s ms o f s t e e l f r a me . b e n t s t r u c t u r e s o f l a r g e t h e rm a l p o we r p l a n t ma i n b u i l d i n g s . Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e re a r e mu c h w e a k p a r t s i n t h e h o ri z o n t M fl a me - b e n t a n d l o n gi t u d i n a l f r a m e s u p p o s i n g s t ruc t u r e s . w h i c h m u s t b e s t r e n g t h e n e d w h e n d e s i g n e d . T h e s p a c e m o d e l s h o u l d b e u s e d t o c o n s i d e r t h e e ff e c t of t o rsi o n i n s t r u c t ura l c alc u l a t i o n a n d a n a l y s i s . Ke y wo r d s f r a me - b e n t s t ruc t ure ; l a r g e t h e r mal p o we r p l a n t ; e l ast i c - p l ast i c s e i s mi c r e s p o n s e - ■ ‘- - ~ U 刖 吾 大型火力发电厂框排架结构主厂房是重要的生 命线工程 , 对该类结构 的抗震性能研究 具有重要 的 理论意义 和实 际应 用价值 。钢结构 因具有 布置灵 活、 易于工艺要求配合 、 自重轻、 强度高、 施工快 、 抗 震性能好等优点 , 正逐渐成 为我 国大型火电厂主厂 房的主要结构形式, 尤其成为在抗震设防区建造大 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 构主厂房所存在的整体结构布置复杂、 刚度不均匀、 荷载质量分布多样、 抗侧移刚度不均匀等问题, 从而 导致抗震性能较差 , 这就给大型火电厂钢结构主厂 房的设计提出了新的要求 。而 中国现有的钢结构设 收稿 日期 2 0 1 2 - 0 6 - 2 9 作者简介 梁炯丰 1 9 8 0一 , 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。 基金项目 国家自然科学基金 5 0 9 7 8 2 1 7 。 5 1 1 6 8 0 0 2 ; 中国博士后科 学基金 2 0 0 8 0 4 4 0 8 1 4 E ma l l j i o n g f e n g l 0 8 1 2 6 . C O I n 计规范、 抗震设计规范对火电厂主厂房的抗震设计 还缺乏针对性 , 尚不能完全反应 出火 电厂主厂房抗 震设计 的特殊性 。为此 , 本课题组在 已完成的大型 火电厂钢框架异型节点 的受力性能研究基础上 J , 以某大型火电厂钢框排架主厂房为原型, 建立有限 元模型 , 对其进行了弹塑性时程分析 , 以了解这类具 有结构体系复杂 、 刚度不匀 、 荷载质量分布多样等特 点的大型复杂钢结构主厂房 的抗震性能。 1 工程概况 某 1 0 0 0 MW级钢结构 火电厂主厂房按工艺要 求 , 采用煤仓间 、 除氧间和汽机房 相连的框排架结 构 , 主厂房结构模型、 结构剖面和平面布置分别如图 1 3 所示。煤仓间共 5层, 标高分别为 2 0 13 “1 、 2 3 . 5 m、 3 7 . 7 m、 4 9 . 5 m 、 5 6 . 5 In , 其中 3 7 . 7 1T I 处设置煤 斗梁; 除氧间共 5 层 , 标高分别为 l 1 . 6 m、 2 0 m、 2 8 Ill 、 3 7 . 7 m 、 4 9 . 5 m, 其中 3 7 . 7 m处设置除氧器, 其 余各层布置高低压加热器。①、 ②轴之间的边跨屋 顶标高为6 9 m, 运行层标高为2 0 m, 吊车梁底标高 1 9 6 四川建筑科学研究 第 3 9卷 为 2 8 . 5 6 r fl 。部分主要受力构件截面尺寸见表 1 , 钢 材采用 Q 3 4 5 B钢。工程设计使用 年限为 5 O年 , 建 筑结构安全等级为二级 , 乙类抗震设防, 抗震设防烈 度为 8度 0 . 2 0 g , 设计地震分组为第一组 , 场地类 别 为 Ⅱ类 , 框 排架抗 震等级 为 一级 。 基 本风 压 为 图 1 结构模型 F i g . 1 S t r u c t u r e m o d e l D列 柱 0 . 7 0 k N / m , 地面粗糙度为 B类。 一 5 6 5 0 0 4 9 . 5 0 0 \ 3 7 . 7 0 o 28 00 0 2 3 5 0 0 2 O 00 O l 1 6 0 0 同 IF 0 000 I 1 4 0 0 0 1 0 0 0 0 8 5 0 0l 2 0 5 0 0 l 5 0 图 2 结构典型剖面 Fi g. 2 Ty pi c a l s ke t c h of t he s t r uc t ur e - _ ■ _ I } I C 列柱 . 上 上 上 , 一 I r- _ F - - -_ J I - 卜- _一一 -_ 1 卜 一 I l 0 ’ ’ 1 B 列 柱 . i l i . 一 { I 一 _{ 卜 _ 一 卜 一I 卜 一 一 一 } _ 一 - ‘ 平台柱 1 } 1 ● . i 上 上 - 。 I f I } j l 平 台 柱 f I I u . i l i , 1 l 一 卜一一 ● ● - - _ ● - ● - ● _ ■ ■ ■ I 9 5 0 0 1 O OO 0 1 0 00 0 1 0 0 0 0 .1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 l 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 【1 0 0 0 0 图 3 结构平面布置 Fi g . 3 La yo u t o f t he pl a ne 表 1 主要 受力构件截面尺寸 Ta b l e l S e c t i o n s i z e o f t h e ma i n m e m b e r s 构件 截面尺寸 高 宽 翼缘 壁厚 腹板壁厚 柱 煤斗梁 支撑 楼板厚度 1 4 0 0 7 0 0 4 0 6 0 A列柱 1 2 0 0 x 7 0 0 4 0 6 0 A列柱 1 8 0 0 9 0 0 x 40 6 0 B列柱 1 3 0 0 6 0 0 4 0 x 6 O B歹 U 柱 1 8 0 0 8 0 0 x 4 0 6 0 箱形 1 0 0 01 0 0 0 6 0 6 0 箱形 C 、 D列柱 1 O o o x8 0 0 6 06 0 箱形 C、 D列柱 1 3 5 1 x1 2 /P 3 5 11 6/I“ 2 9 9 x 1 0/ H w 4 5 0 3 0 02 0 g 3 0 /H w 6 0 04 5 0 2 5 3 5 注 P表示合金钢管。 1 0 0 由于受工艺的要求 , 该结构存在体型收进 、 质量 和刚度分布严重不均匀 、 承载力不连续 、 楼板大面积 开洞 、 错层 、 梁柱截面尺寸差异较大 、 强梁弱柱异型 节点较多等特点 , 为此本文利用有限元软件 A N S Y S 建立有 限元模型时分别采用三维空 间梁单元 、 桁架 单元 、 板单元模拟原 型结构的梁柱 、 支撑及楼板 , 并 对其进行了适 当的简化 1 考虑汽机房屋架对结构动力反应影响较小, 将其简化为一轴力杆 , 并认为其与排架铰接; 2 采用刚性楼板假定 ; 3 双梁通过主从节点约束实现。 根据结构构件的受力特点 , 分别对梁 、 柱 、 支撑 2 0 1 3 N o . 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 1 9 7 设置弯曲塑性铰、 压弯塑性铰 、 轴力塑性铰, 骨架曲 线均为 F E MA类型 6 ; 分析 中对 梁、 柱 、 支撑的钢材 采用双线性随动强化模型 , 认 为所有焊缝连接 和高 强螺栓连接与钢材等强刚接 , 采用 V o n Mi s e s 屈服准 则及相关流动准则来判 断钢 材屈服 ; 恢复力模型采 用双线性模型。 采用 E l c e n t r o l 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 1 0 S , 其分析工况分别为 7度中震 1 5 0 g a 1 、 8度 中震 2 o o g a 1 、 8度大震 4 0 0 g a 1 和 9度大震 6 2 0 g a 1 。 2计算结果与分析 2 . 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 图 4可见 , 在相同地震强度的作用下 , y向的地震响 应强于 向, 其原 因为两个方 向的结构动力特性存 在差异所致 。从图 4中还可看 出, 随着地震强度的 提高 , 结构进人塑性阶段 , 并不断发展 , 产生弹塑性 变形 , 结构刚度不 断降低 , 结构的加速度响应也随之 衰减。 动力放大系数 动力放大系数 a 向地震作用下 b y向地震作用下 图4动力放大 系数 Fi g . 4 Dyna mi c a l mag ni fic at i on f ac t or 2 . 2位 移反 应 2 . 2 . 1楼 层位 移 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; 2 在相 同强度 的地震作用下 , Y方 向的楼层 位移曲线均不平滑 , 表明结构两个方向的质量、 刚度 沿楼层分布不均匀 ; 3 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 进入塑性而变缓慢 ; 同时由于结构不规则加大了结 构弹塑性的受力状态 , 尤其是结构薄弱部位集中了 地震动大部分输入能量 , 引起 了该部分部位变形集 中, 从而可能提前破坏 ; 4 结构 , 向框排架结构 的位移响应远 大于 向, 表明该方向刚度较弱 , 建议设计该类结构时适 当 多布置支撑, 以增强其抗侧刚度。 A“ / z“ 薹6毒0 0 1 5 0 30 0 45 0 6 0 0 7 5 0 楼层位移/ m m a J 向地震作用下 0 20 0 4 0 0 6 00 8 0 0 1 0 00 楼层位移/ mm b y向地震作用下 图 5 楼层位移 Fi g . 5 Fl o or di s pl ac e men t 2. 2. 2层 间位移 图 6为结构 的层间位移角曲线 , 从图 6可知 1 在相同强度的地震作用下 , 结构 、 Y方 向的 层间位移角曲线形状相差较大 , 结构 由于质量、 刚度 分布复杂, 造成薄弱部位较多。 向最大层间位移 角主要出现在底层 、 第二层及煤斗层 ; Y向最大层间 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 局部突出造成“ 鞭梢效应” 所导致。 2 在 7度中震 、 8度中震 、 8度大震 、 9度大震 的 地震作用下 , 结构 向的最大层间位移角分别为 1 / 1 9 8 、 1 / 1 1 4 、 1 / 6 4、 1 / 3 3; y向结构在上述各地震作 用下 的最大层间位移角分别为 1 / 2 0 2 、 1 / 9 3 、 1 / 4 6 、 1 / 2 5 , 说明结构具有 良好的变形能力。 层 间位移 角/ r a d 层 间位 移角/ r a d a 向地震作用下 b 向地震作用下 图 6 层问位移角 Fi g. 6 I n t e r - s t or e y dr i f t r o t ation 2 . 2 . 3扭转位 移 图7为不同强度的地震波作用下, 结构绕 、 1 9 8 四川建筑科学研究 第 3 9卷 轴的最大扭转角随高度的变化 曲线。从图 7中可看 出, 结构 、 y方向的最大扭转角 随着地震强度 的不 断加大而增大 , 绕 轴的最大扭转角在结构 上部增 长幅度大于结构下部 , 而绕 , 轴的最大扭转角则在 结构下部增长速率较快 , 表 明随着地震强度的不断 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 要原因为结构的刚度、 质量分布并不一致所致。 扭转角/ r a d 扭转角/ r a d a 】结构绕X 轴扭转角 b 结构绕Y 轴扭转角 图7 扭转角 Fi g. 7 Tor s i on a l a ng l e 2 . 3地震作用 图 8为不同强度 的地震波作用下 , 结构 、 Y向 的楼层剪力相差悬殊 , 其主要原因为结构 、 Y方 向 的刚度相差较大 , 向的楼层剪力远大于 向的楼 层剪力。这表明 , 向的框架一 支撑结构刚度大 , 承 载力高 , 尤其是支撑起到了较强的抗侧力作用。从 图 8中还可看出, 结构在煤斗层 3 7 . 7 m 楼层剪力 较大 , 其主要原因为该层煤斗梁刚度较大, 使得相邻 楼层刚度、 质 量与局部楼层刚度、 质量大小相差悬 殊 。 0 20 0 0 00 4 00 0 o 0 楼层剪力/ k N a 向地震作用下 楼层剪力/ k N b 向地震作用下 图 8 层剪 力 Fi g . 8 I nt e r s t or e y s he a r f o r c e 2 . 4 塑性铰分布 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 塑性变形规律 , 可发现支撑和框架梁首先产生塑性 变形 , 随后是 下层柱底及 中下层柱端产生塑性 铰。 支撑塑性铰首先出现在 中下层 , 随后不断往上发展 ; 框架梁首先发生在楼层 中部 , 然后出铰范围向周边 扩散 ; 则框架柱首先在底部产生塑性变形 , 然后塑性 变形区沿高度向上发展。此外 , 弹塑性时程分析表 明, 结构两个方向框架柱构件出现塑性铰较少, 这表 明结构在两个方向具有足够的抗震 承载力 , 能抵抗 住 8度罕遇地震的作用。 ■1]_1 可 a 轴结构塑性铰分布 b ⑦轴结构塑性铰分布 图9塑性铰分布 F i g . 9 P l a s t i c h i n g e d i s t r i b u t i o n 2 . 5 框排架协同工作 图 1 0为排架柱承担的剪力 比。图 l 0表明, 随 着地震作用的增加, 排架承担横 向地震作用的比例 不断上升 , 而其承担纵向地震作用 的比例不断下降 , 表明排架刚度衰减慢于框架 ; 横 向排架柱承担剪力 比曲线较纵向不规则 , 反映了横向框排架结构刚度 、 质量分布的不规则性。随着地震强度 的不断增大 , 横 向排架柱承担最大地震作用 的轴线 位置有所改 变, 而纵向改变幅度不大 。可见 , 随着地震作用的增 大, 框架和排架之间的塑性内力重分布有所体现 , 排 架承担的地震作用在框排架中较大 , 框排架结构中 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 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 1 O 排 架柱承担剪力 比 Fi g . 1 0 S h e a r o f b e n t f r a me c o l u m n 3 结 论 1 主厂房结构在 8度罕遇地震作用下 , 能够满 足现行规范“ 大震不倒 ” 的设计标准 。但厂房横、 纵 方向刚度相差较大, 使得结构扭转效应较显著。 2 主厂房结构质量 、 刚度分布不均 , 主要表现 为楼层错层 、 煤斗梁刚度较大以及框架柱 、 梁的变截 2 0 1 3 N o . 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 1 9 9 面 , 使得结构薄弱层部位较多 , 因此 , 对于薄弱层 的 设计要特别予 以重视。 3 支撑和框架梁首先产生塑性变形 , 随后是下 层柱底及 中下层柱 端产 生塑性铰 , 结构 的两个方 向 框架柱构件出现塑性铰较少 , 可抵抗 8度地震作用。 4 主厂房结构 的变形 以剪切变形为主 。在 、 Y 向地震作用下 , 结构 的层 间位移角曲线形状和层剪 力差异较大, 且存在多处拐点 , 其主要原因为刚度沿 竖向分布不均匀 。 5 随着地震作用 的增大 , 框架和排架之 间的塑 性内力重分布有所体现 , 排架承担 的地震作用在框 排架中较大, 框排架结构 中排架结构可承担第二道 防线的作用。 参 考 文 献 [ 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 心支撑框架体系的振动台试验研究[ J ] . 建筑结构学报, 2 0 0 9 , 3 0 3 1 1 1 9 . [ 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, 2 0 1 0 , 3 2 3 2 2 - 2 6 . [ 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 性有限元分析[ J ] . 西安建筑科技大学学报, 2 0 1 0 , 4 2 5 6 0 9 . 6 1 3. [ 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, 2 0 1 0 S u p p 1 . I 5 0 - 5 4 . [ 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 理及承载力计算[ J ] . 地震工程与工程振动, 2 0 1 0 , 3 0 5 3 7 4 1 . [ 6 ] G B 5 0 0 1 1 2 O 1 O 建筑抗震设计规范[ s ] . [ 7 ] F e d e r al E m e r g e n c y M a n a g e m e n t A g e n c y , B u i l d i n g S e i s m i c S a f e - t y C o u n c i l [ S ] . [ 8 ] N E H R P G u i d e l i n e s f o r t h e S e i s m i c R e h a b i l it a t i o n o f B u i l d i n g s . F E . MA- 2 7 3, 1 9 9 7. [ 9 ] G u p t a B , K u n n h S K . A d a p t i v e s p e c t r a - b a s e d p u s h o v e r p r o c e d u r e f o r s e i s m i c e v a l u a t i o n o f s t r u c t u res [ J ] . E a r t h q u a k e S o e c t , 2 0 0 0, 1 6 2 3 6 7 9 1 . [ 1 0 ]K a r a v a s i l i s T L , M a x i m u m d i s p l a c e m e n t p r o fi l e s f o r t h e p e rf o r m - R n c e b a s e d s e i s mi c d e s i g n o f p l a n e s t e e l mo me n t r e s i s t i n g fl a me s [ J ] . E n g i n eer i n g S t r u c t u re a , 2 0 0 6 , 2 8 9 - 2 2 . 上接第 1 8 9页 土柱一 型钢混凝土梁形成的框架抗震试验 , 采用有限 元计算方法 , 实施 了水平低周反复荷载作用下 , 两榀 H型钢混凝土组合梁一 角钢混凝土柱两榀框架的滞 回抗震性能模拟与分析。 2 该数值模拟结果与试验结果吻合较好 , 表 明 本文采用 的恢复力模型能够适用于此类框架的抗震 性能分析。 参 考 文 献 [ 2 ] 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 析[ J ] . 地震工程与工程振动, 2 0 0 8 , 2 8 4 9 1 . 1 0 5 . 薛伟辰, 杨枫, 苏旭霖, 等. 预应力钢骨混凝土梁低周反复荷 载试验研究[ J ] . 哈尔滨工业大学学报, 2 0 0 7 , 3 9 8 1 1 8 7 . 1 1 9 0. 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 , 2 0 0 6 1 1 6 8 . 7 6. 傅传国, 娄宇. 预应力型钢混凝土结构试验研究及工程应用 [ M] . 北京 科学出版社, 2 0 0 7 . 赵鸿铁. 钢与混凝土组合结构[ M] . 北京 科学出版社, 2 0 0 1 . 刘铁. 套建 增层 框架结 构房屋设计 与施 工方 法研究及 实践 [ D ] . 哈尔滨 哈尔滨工业大学。 2 0 0 6 . P a r l Y J , Re i n h o m A M and Ku n n a t h S K. 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