張景瑞,陳 雨,袁國(guó)鋒

(1.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院,陜西西安710055;2.杭州市路橋有限公司,浙江杭州310000)

0 引 言

大型火力發(fā)電廠是重要的生命線工程,應(yīng)有較高的抗震能力,對(duì)該類(lèi)結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行研究具有重要的理論意義和實(shí)際價(jià)值。主廠房傳統(tǒng)三連式布置方式,即汽機(jī)房、除氧間、煤倉(cāng)間順列布置方式,主廠房為框排架結(jié)構(gòu)[1],結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜、空間性能差、力的傳遞路徑不明確[2]、由于錯(cuò)層的存在,短柱與異型節(jié)點(diǎn)常見(jiàn)[3],主廠房結(jié)構(gòu)抗震性能很差[4]。而新的布置方式,即交叉布置方式,主廠房為框、排架結(jié)構(gòu)[5]。

本文以600MW機(jī)組火電廠主廠房鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土框、排架結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,用SAP2000有限元分析軟件分析主廠房的抗震性能指標(biāo),并對(duì)傳統(tǒng)的框排架結(jié)構(gòu)和新的布置方式下的單框、排架結(jié)構(gòu)的相應(yīng)部分的抗震性能進(jìn)行對(duì)比分析。

1 主廠房結(jié)構(gòu)模型

以某電廠為原型,單機(jī)容量為600 MW,采用傳統(tǒng)的三連式布置方式時(shí),主廠房為鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu),并且不設(shè)置柱間支撐以及剪力墻;采用交叉布置方式時(shí),主廠房為鋼筋混凝土框、排架結(jié)構(gòu),同樣也不設(shè)置柱間支撐和剪力墻,形成完全獨(dú)立、互不影響的單排架和單框架結(jié)構(gòu)。對(duì)于兩種布置方式僅主廠房布置方式不同,對(duì)于相應(yīng)的框架部分和排架部分在空間布置,受力情況上是完全相同的。

本工程的設(shè)計(jì)使用年限為50 a,建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí),抗震設(shè)防類(lèi)別為乙類(lèi),設(shè)計(jì)地震分組為第一組,場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi),抗震等級(jí)為Ⅰ級(jí)。建模時(shí)柱子的建模尺寸如表1所示。

表1 各列柱尺寸

采用交叉布置方式時(shí),由于框架部分和排架部分為獨(dú)立體系,互不影響,所以柱子的尺寸和異型情況可采用對(duì)稱(chēng)方式布置,主廠房的柱網(wǎng)布置圖、典型斷面圖如圖1～圖4所示。

圖1 主廠房柱網(wǎng)布置(三連式)

2 有限元分析

考慮到結(jié)構(gòu)形式的復(fù)雜性,在運(yùn)用SAP2000有限元分析軟件進(jìn)行建模分析時(shí),將原型結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化:①將屋架簡(jiǎn)化為一剛性桿件,并認(rèn)為屋架與A、B列柱鉸接;②在質(zhì)量源定義時(shí),定義質(zhì)量來(lái)源為來(lái)自荷載,其中自重、附加恒荷載的系數(shù)為1.0,活荷載的系數(shù)是0.85。

圖2 主廠房橫向典型斷面(三連式)

圖3 主廠房柱網(wǎng)布置(交叉式)

SAP2000采用反應(yīng)譜法進(jìn)行地震反應(yīng)分析。靜力荷載工況使用已定義的靜力荷載工況作為荷載模式,地震烈度選為7度多遇地震。結(jié)構(gòu)的建模和分析都通過(guò)SAP2000來(lái)實(shí)現(xiàn)。建模時(shí),支座采用剛接,主梁與柱的連接方式也選用剛接,而次梁與主梁的連接方式選為兩端鉸接,起點(diǎn)釋放雙向彎矩,終點(diǎn)釋放雙向彎矩和扭矩。

3 主廠房有限元分析結(jié)果

3.1 主廠房層剪力對(duì)比分析

圖5為單向地震作用下的反應(yīng)譜曲線,由圖可見(jiàn),在X方向地震作用下兩種結(jié)構(gòu)形式相應(yīng)部分的層剪力很接近,在Y向地震作用下框排架結(jié)構(gòu)的框架部分和排架部分在底層的層剪力明顯要比框、排架結(jié)構(gòu)的層剪力大,而隨著層高的增加,層剪力趨于相同。

由表2和表3的分析結(jié)果可知,扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)布置方式的影響比對(duì)交叉布置方式的影響要大得多,特別是X方向地震作用下對(duì)兩種布置方式框架部分縱向剪力的影響尤為明顯,此時(shí)傳統(tǒng)布置方式下的框架部分的最大剪力為交叉布置方式最大剪力的22倍,最小剪力為交叉布置方式最小剪力的6.6倍。

圖4 主廠房典型斷面(交叉式)

圖5 不同方向地震作用下結(jié)構(gòu)層剪力分布

表2 地震作用下排架部分層剪力

3.2 主廠房層間位移及層間位移角對(duì)比分析

表3 地震作用下框架部分層剪力

圖6和圖7分別為 X向和Y向地震作用下的層間位移和層間位移角的示意圖,由圖可見(jiàn),在X向地震作用下,框排架結(jié)構(gòu)和框、排架結(jié)構(gòu)的排架部分和框架部分的層間位移都很接近,層間位移曲線中較大的拐點(diǎn)發(fā)生在第3層,在Y向地震作用下,框架部分的層間位移除頂層外,其他各層都很接近,而排架部分的層間位移除底層外,其他各層相差較大。由圖7可見(jiàn),在X向和Y向地震作用下框架部分除頂層外,其他各層的層間位移角都很接近,而對(duì)于排架部分,在兩個(gè)方向地震作用下的層間位移和層間位移角除底層外都相差較大。

在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行反應(yīng)譜分析時(shí),在X向地震作用下,框架部分的最大層間位移和層間位移角都發(fā)生在第1層,排架部分的最大層間位移和層間位移角也發(fā)生在第1層;在Y向地震作用下,框架部分的最大層間位移發(fā)生在第1層,最大層間位移角發(fā)生在第7層,排架部分的最大層間位移發(fā)生在第1層,最大層間位移角發(fā)生在第2層。X和Y向地震作用下,所得的最大層間位移角均小于抗震規(guī)范規(guī)定的彈性層間位移角[1/500]的限值[6],滿足規(guī)范要求。

圖6 不同方向地震作用下結(jié)構(gòu)層間位移

圖7 不同方向地震作用下結(jié)構(gòu)層間位移角

同理,對(duì)7度罕遇地震、8度罕遇地震兩種地震條件進(jìn)行上述分析也可得到與上述結(jié)論相同的結(jié)果,即上述結(jié)論在其他地震條件下也同樣適用。

4 結(jié) 論

(1)傳統(tǒng)的框排架結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜、空間性能差、力的傳遞路徑不明確、由于錯(cuò)層的存在,短柱與異型節(jié)點(diǎn)常見(jiàn);與之相比新的布置方式下結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能都有了改進(jìn),從而抗震性能(包括主廠房的層間剪力、層間位移及層間位移角等)也較傳統(tǒng)的框排架結(jié)構(gòu)要好;

(2)用SAP2000有限元分析軟件對(duì)兩種不同布置形式進(jìn)行建模分析得:在多種地震作用下結(jié)構(gòu)的層間位移角都小于規(guī)范規(guī)定的限值,結(jié)構(gòu)的變形滿足要求。

(3)交叉布置方式與傳統(tǒng)的三連式的布置方式相比,結(jié)構(gòu)布置簡(jiǎn)單;空間性能好;力的傳遞路徑明確,而且沒(méi)有錯(cuò)層的存在,避免了短柱現(xiàn)象的發(fā)生。

(4)用交叉布置方式時(shí),質(zhì)量和剛度分布較傳統(tǒng)的三連式布置方式均勻,扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)交叉布置方式的影響不如對(duì)三連式的布置方式的影響表現(xiàn)得那么強(qiáng)烈。

[1]文良謨.火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的回顧和展望[J].電力建設(shè),1998,(6):18-20,24.

[2]吳濤,白國(guó)良,劉伯權(quán).大型火力發(fā)電廠鋼筋混凝土框排架主廠房結(jié)構(gòu)抗震性能實(shí)驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2007,28(3):46-52.

[3]宋遠(yuǎn)齊,汪小剛,溫彥鋒,等.大型火電廠主廠房框排架結(jié)構(gòu)靜力彈塑性地震反應(yīng)分析[J].電力建設(shè),2009,30(5):59-62.

[4]劉大海,楊翠如.廠房抗震設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1997.

[5]葛增茂.火力發(fā)電廠主廠房結(jié)構(gòu)形式和體系評(píng)述[J].電力建設(shè),1998,(6):15-17.

[6]GB50011-2001.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2001.