趙立濤,李曉文,代慧娟

(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院,陜西西安 710055)

空間鋼桁架傘撐空冷支架結(jié)構(gòu)多維地震反應(yīng)分析

趙立濤,李曉文,代慧娟

(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院,陜西西安 710055)

針對(duì)火力發(fā)電廠機(jī)組容量的不斷增加,鋼桁架管柱空冷支架結(jié)構(gòu)在高烈度區(qū)已很難滿足結(jié)構(gòu)性能要求的實(shí)際情況,提出了一種新的結(jié)構(gòu)形式—空間鋼桁架傘撐空冷支架結(jié)構(gòu),以此建立空間有限元模型分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。在三條地震波輸入下,分別計(jì)算結(jié)構(gòu)的層位移、層間位移角及層剪力,對(duì)比雙向水平地震動(dòng)和多維地震動(dòng)的計(jì)算結(jié)果,提出結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)作用比及考慮扭轉(zhuǎn)地震動(dòng)作用的調(diào)整系數(shù)?？紤]到扭轉(zhuǎn)地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響,建議對(duì)水平地震動(dòng)計(jì)算得到的地震作用乘以增大系數(shù)。

空間鋼桁架傘撐空冷支架結(jié)構(gòu);多維地震動(dòng);扭轉(zhuǎn)效應(yīng);調(diào)整系數(shù)

地震作為一種嚴(yán)重的自然災(zāi)害,給人類社會(huì)造成了巨大的損失。理論研究與震害經(jīng)驗(yàn)表明,地震時(shí)的地面運(yùn)動(dòng)是一種復(fù)雜的多維運(yùn)動(dòng),包括平動(dòng)分量和轉(zhuǎn)動(dòng)分量。結(jié)構(gòu)在單維和多維地震作用下的反應(yīng)不同,特別是對(duì)一些大跨度空間結(jié)構(gòu),平面布置及荷載分布往往存在偏心,地震時(shí)結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生明顯的平扭耦聯(lián)空間振動(dòng),嚴(yán)重影響其抗震性能。因此,結(jié)構(gòu)抗震分析時(shí)只考慮單分量地震作用是不夠的,還應(yīng)考慮多分量地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

空間鋼桁架傘撐支架結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)沿用了傳統(tǒng)空冷支架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)布置形式,即下部為鋼筋混凝土管柱,上部為交叉鋼桁架,其中,在管柱與鋼桁架之間增設(shè)了兩方向正交的斜向鋼支撐,以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體側(cè)向剛度,降低結(jié)構(gòu)變形。從整體布置來(lái)看,該結(jié)構(gòu)仍屬于豎向鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)質(zhì)量與剛度沿豎向分布嚴(yán)重不均勻,上柔下剛,致使結(jié)構(gòu)平動(dòng)振型與扭轉(zhuǎn)振型耦合作用明顯。本文以單機(jī)容量1 000 MW機(jī)組空冷支架結(jié)構(gòu)為例,重點(diǎn)研究結(jié)構(gòu)在多維地震動(dòng)作用下的地震反應(yīng)。

1 工程概況

該機(jī)組混凝土管柱采用5 m×5 m布置,柱網(wǎng)尺寸為22.78 m×22.36 m,外徑為4 m,壁厚為0.4 m,總高度為50 m;鋼桁架平臺(tái)高5 m,平臺(tái)在垂直A型架方向懸挑11.39 m,在順A型架方向懸挑11.18 m;平臺(tái)四周懸挑1.5 m寬的走道;沿走道四周布置豎向擋風(fēng)墻,高度為11 m。

材料參數(shù):管柱混凝土采用C40,彈性模量E=3.25×104N/mm2,泊松比 υ=0.20,材料密度 ρ=2450 kg/m3;桁架上下弦采用寬翼緣H型鋼,腹桿采用熱軋無(wú)縫鋼管,斜撐采用方鋼管,彈性模量E=2.00×105N/mm2,泊松比 υ=0.30,材料密度 ρ=7849 kg/m3。

2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

SAP2000程序[1]中提供了兩種模態(tài)分析方法:特征向量法和Ritz向量法。對(duì)于大型結(jié)構(gòu),特征向量法需要較長(zhǎng)的計(jì)算工作,而Ritz向量法則忽略不參與動(dòng)態(tài)響應(yīng)的振型,僅計(jì)算對(duì)結(jié)果精度有增進(jìn)的振型。因此,基于一個(gè)與特定荷載相關(guān)的Ritz向量法比基于同樣數(shù)量的自由振動(dòng)振型,能得到更精確的結(jié)果。本文在分析時(shí)采用Ritz向量法,其中,結(jié)構(gòu)阻尼比參考文獻(xiàn)[2]采用0.035。

2.1 計(jì)算模型

本文采用SAP2000有限元軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。考慮到結(jié)構(gòu)形式的復(fù)雜性,將原型結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化:(1)將實(shí)際結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件簡(jiǎn)化為空間桿單元,即空冷島平臺(tái)、A型架、管柱以及擋風(fēng)墻簡(jiǎn)化為三維空間桿單元,考慮軸向和剪切變形;(2)將凝汽器管片以荷載形式加于A型架相應(yīng)位置;(3)A型架與上部鋼平臺(tái)的連接剛性較弱,在有限元模擬時(shí)采用鉸接。將離散化的桿單元通過(guò)程序自動(dòng)形成的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接,從而生成整體三維有限元空間計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

圖1 空間鋼桁架傘撐支架結(jié)構(gòu)

圖2 有限元計(jì)算模型

2.2 動(dòng)力特性分析

結(jié)構(gòu)自振特性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)構(gòu)第一周期為1.293 s,為扭轉(zhuǎn)振型;第二振型主振動(dòng)方向沿結(jié)構(gòu)Y向平動(dòng),伴隨有扭轉(zhuǎn)振動(dòng);第三振型為結(jié)構(gòu)X向平動(dòng),伴隨有扭轉(zhuǎn)振動(dòng);從第四振型開(kāi)始,結(jié)構(gòu)的周期、頻率發(fā)生突變,振型主要表現(xiàn)為從前三階的整體平動(dòng)或扭轉(zhuǎn)變?yōu)殇撹旒芷脚_(tái)平面內(nèi)外的振動(dòng),同時(shí)還存在A型架沿其方向及垂直方向的相互交錯(cuò)振動(dòng),在鋼桁架平臺(tái)的懸挑端,豎向振動(dòng)明顯。結(jié)構(gòu)前三階振型見(jiàn)圖3。

表1 空冷支架結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

圖3 空間鋼桁架傘撐空冷支架結(jié)構(gòu)的前三階振型

文獻(xiàn)[3-4]的研究結(jié)果表明,當(dāng)扭轉(zhuǎn)為主的振型周期Tt與平動(dòng)為主的振型周期T1之比小于0.5時(shí),相對(duì)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)效應(yīng) θr/u(θr表示由于扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離質(zhì)心距離為回轉(zhuǎn)半徑處的位移,u為質(zhì)心位移)較小,結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)可不考慮其影響。由表1可知,以扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動(dòng)為主的第一自振周期之比(1.024)遠(yuǎn)大于0.5,也大于《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2002)[5]對(duì)A級(jí)高度高層建筑不應(yīng)大于0.9的規(guī)定,可見(jiàn),該結(jié)構(gòu)的抗扭剛度偏小,耦聯(lián)振動(dòng)反應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)有明顯的放大作用。

3 結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)

3.1 地震波的選取

(1)地震波水平分量

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)[6]第5.1.2條第三款規(guī)定,選取適宜中軟到中硬場(chǎng)地的兩條實(shí)際強(qiáng)震記錄EL-Centro波、Taft波和一條由Chichi波改造的人工波,地震波持續(xù)時(shí)間為30 s,加速度峰值按保持波形不變等比縮至70 gal。

(2)地震波扭轉(zhuǎn)分量

根據(jù)彈性波動(dòng)理論[7],采用Matlab軟件編制合成地震波扭轉(zhuǎn)分量的運(yùn)算程序,由峰值統(tǒng)一折減到70 gal的地震波平動(dòng)分量得到其扭轉(zhuǎn)分量。

彈性時(shí)程分析時(shí),地震波按結(jié)構(gòu)雙向輸入,兩個(gè)主方向地震加速度的最大值之比為1∶0.85,取其包絡(luò)值?？紤]到在地震過(guò)程中扭轉(zhuǎn)分量地震波對(duì)結(jié)構(gòu)的影響,將對(duì)結(jié)構(gòu)同時(shí)輸入合成的地震波扭轉(zhuǎn)分量,計(jì)算結(jié)構(gòu)在多維地震動(dòng)作用下的反應(yīng)值,并將其結(jié)果與雙向水平地震動(dòng)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,以得出地震波扭轉(zhuǎn)分量對(duì)結(jié)構(gòu)的影響程度。

3.2 雙向地震動(dòng)作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)

空冷支架結(jié)構(gòu)本身并沒(méi)有層,但為便于分析,參考文獻(xiàn)[8]水平振動(dòng)測(cè)試時(shí)測(cè)點(diǎn)布置位置,本文取柱中部、管柱與斜向支撐交叉點(diǎn)、柱頂、鋼桁架平臺(tái)頂、A型架頂?shù)忍幾鳛橛?jì)算結(jié)果取值標(biāo)高以分析空間鋼桁架傘撐支架結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

水平地震作用下結(jié)構(gòu)縱、橫向的側(cè)移反應(yīng)基本一致。由于A型架抗側(cè)移剛度突變,地震作用下A型架頂側(cè)移出現(xiàn)了外拋現(xiàn)象,縱向地震作用下更嚴(yán)重,其中,55 m標(biāo)高處即鋼架平臺(tái)頂部的層間位移角最小,表明平臺(tái)自身剛度很大,近似平動(dòng)變形。多遇地震作用下,空間鋼桁架+傘撐空冷支架結(jié)構(gòu)變形介于框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)之間,其整體變形呈彎剪型如圖4(a)、4(b)所示,結(jié)構(gòu)下部變形趨于彎曲變形,上部變形接近剪切變形。空冷支架結(jié)構(gòu)縱、橫向最大層間位移角均發(fā)生在斜向支撐設(shè)置處,縱向最大層間位移角為1/1612,橫向最大層間位移角為 1/1605,如圖 4(c)、4(d)所示。

圖4 雙向地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)縱(X)、橫(Y)向?qū)游灰坪蛯娱g位移

3.3 多維地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)

多維地震作用下結(jié)構(gòu)的變形趨勢(shì)與雙向水平地震作用基本一致,但相應(yīng)標(biāo)高處的位移幅值變大,說(shuō)明扭轉(zhuǎn)地震動(dòng)僅引起量值的變化并不改變結(jié)構(gòu)的變形形式。與規(guī)則結(jié)構(gòu)顯著不同的是該結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形比較大,且不均勻,鋼桁架平臺(tái)的扭轉(zhuǎn)變形明顯大于管柱的扭轉(zhuǎn)變形,主要原因是由于結(jié)構(gòu)豎向布置在柱頂處發(fā)生了改變,柱頂連接比較薄弱,增加了上部結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6。

3.4 結(jié)構(gòu)多維地震反應(yīng)分析

為衡量扭轉(zhuǎn)地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響的大小,定義相對(duì)變化量,即多維地震動(dòng)作用下模型的最大水平側(cè)移值B或?qū)娱g位移值D減去雙向水平地震動(dòng)作用下的最大水平側(cè)移值A(chǔ)或?qū)娱g側(cè)移值C,除以雙向水平地震動(dòng)作用下模型的最大水平側(cè)移值A(chǔ)或?qū)娱g側(cè)移值C,稱為最大水平側(cè)移扭轉(zhuǎn)地震動(dòng)作用比AB或?qū)娱g側(cè)移扭轉(zhuǎn)地震動(dòng)作用比CD。

圖5 多維地震作用下結(jié)構(gòu)縱(X)、橫(Y)向?qū)游灰坪蛯娱g位移角

圖6 結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)角和相對(duì)扭轉(zhuǎn)角

本文參考文獻(xiàn)[9],采用每個(gè)取值標(biāo)高處最大水平側(cè)移(每個(gè)取值標(biāo)高處各節(jié)點(diǎn)位移的最大值)及層間側(cè)移(相鄰取值標(biāo)高處兩節(jié)點(diǎn)位移差的最大值)作為變量,以相對(duì)變化量來(lái)衡量扭轉(zhuǎn)地震動(dòng)作用的大小。對(duì)于空間鋼桁架傘撐空冷支架結(jié)構(gòu),分別取其在EL-Centro、Taft、Chichi三條地震波作用下的每個(gè)取值標(biāo)高處最大水平側(cè)移值和層間側(cè)移值,比較其雙向水平地震作用與多維地震動(dòng)作用的差別。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

表2 結(jié)構(gòu)層位移比較 單位:mm

表3 結(jié)構(gòu)層間位移比較 單位:mm

由于扭轉(zhuǎn)地震動(dòng)作用的影響,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)差別顯著,雙向水平地震動(dòng)作用下的層位移和層間位移均小于多維地震動(dòng)作用下的結(jié)果。由表2、表3可知,結(jié)構(gòu)層位移的扭轉(zhuǎn)作用比在各個(gè)標(biāo)高處基本相同,而層間位移的扭轉(zhuǎn)作用比在鋼桁架平臺(tái)頂處最小,其余四個(gè)標(biāo)高處比較接近。除鋼桁架平臺(tái)頂處的扭轉(zhuǎn)作用比有波動(dòng)外,其余各標(biāo)高處的扭轉(zhuǎn)作用比均在20%以上,可見(jiàn)扭轉(zhuǎn)地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)反應(yīng)的影響非常明顯。

地震動(dòng)中不僅含有平動(dòng)分量,還包括扭轉(zhuǎn)分量。因此,僅由水平地震動(dòng)計(jì)算出的結(jié)構(gòu)內(nèi)力會(huì)偏小,需要乘以一個(gè)增大系數(shù),這個(gè)系數(shù)就是結(jié)構(gòu)多維地震作用調(diào)整系數(shù)。根據(jù)水平地震動(dòng)與多維地震動(dòng)計(jì)算的層剪力,可計(jì)算出考慮扭轉(zhuǎn)地震動(dòng)作用的調(diào)整系數(shù),即多維地震動(dòng)剪力值與水平地震動(dòng)剪力值之比。不同地震波作用下的多維地震作用調(diào)整系數(shù)見(jiàn)圖7。由圖7可見(jiàn),不同地震波各層多維地震作用調(diào)整系數(shù)都不超過(guò)1.3,因此,可將結(jié)構(gòu)的多維地震作用調(diào)整系數(shù)取為1.15。

圖7 多維地震作用調(diào)整系數(shù)

4 結(jié)論及建議

(1)模態(tài)計(jì)算結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)第一振型為整體扭轉(zhuǎn)振型,以扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動(dòng)為主的第一自振周期之比為1.024,遠(yuǎn)大于0.5,結(jié)構(gòu)整體抗扭剛度偏小。

(2)該結(jié)構(gòu)平面布置較為對(duì)稱,因此,無(wú)論是水平地震動(dòng)還是多維地震動(dòng),結(jié)構(gòu)縱、橫向的側(cè)移反應(yīng)基本一致,結(jié)構(gòu)下部變形趨于彎曲變形,上部變形接近剪切變形,整體變形呈彎剪型。同時(shí),由于A型架抗側(cè)移剛度突變,地震作用下A型架頂側(cè)移出現(xiàn)了外拋現(xiàn)象。

(3)多維地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形比較大,且不均勻,鋼桁架平臺(tái)的扭轉(zhuǎn)變形明顯大于管柱的扭轉(zhuǎn)變形,主要原因是由于結(jié)構(gòu)豎向布置在柱頂處發(fā)生了改變,柱頂連接比較薄弱,增加了上部結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形。

(4)扭轉(zhuǎn)地震動(dòng)作用下,在結(jié)構(gòu)中會(huì)產(chǎn)生基底反力,這主要是由于結(jié)構(gòu)并未達(dá)到理想狀態(tài)的無(wú)限剛,同時(shí)該結(jié)構(gòu)的各振型耦合作用明顯,扭轉(zhuǎn)波會(huì)激起結(jié)構(gòu)的水平地震反應(yīng)。

(5)時(shí)程計(jì)算結(jié)果表明,扭轉(zhuǎn)地震波對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較為顯著,這是由空冷支架結(jié)構(gòu)的抗扭剛度小造成的。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),若不考慮扭轉(zhuǎn)地震動(dòng)的影響,則建議對(duì)水平地震動(dòng)計(jì)算得到的地震作用乘以1.15的增大系數(shù)。

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Analysis on Multi-dimensional Seismic Response of Space Steel-truss Steel-brace Air-cooling Condenser Structure System

ZHAO Li-tao,LI Xiao-wen,DAI Hui-juan
(College of Civil Engineering,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an,Shaanxi710055,China)

As the increasing of the unit capacity in a power plant,the steel-truss RC pipe-column air-cooling condenser structure system in a high seismic intensity zone could not match the request of structure capability,so a new structural system—the space steel-truss steel brace air-cooling condenser stucture system is brought up as a solution.Here taking the space steel-truss steel-brace air-cooling condenser structure system asa research objecct,a space finite element model is built to analyze its dynamic properties.Its layer displacement,inter layer displacement angle and layer shear are calculated under three seismic waves respectively,the calculation results of two-direction level seismic-wave with multi-dimensional seismic-wave are compared,then,the torsional earthquake effect ratio and adjusting coefficient are suggested.Considering the impact of torsional seismic-wave on the structure,it is recommended that the earthquake effect of two-direction level seismic-wave is multiplied by the earthquake amplification factor.

space steel-truss steel-brace air-cooling condenser structure system;multi-dimensional earthquake;torsional-seismic response;adjusting coefficient

TU375.5

A

1672—1144(2012)05—0004—05

2012-03-22

2012-04-28

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(50978216)

趙立濤(1986—),男(漢族),河南三門(mén)峽人,碩士研究生,研究方向?yàn)殇撆c混凝土組合結(jié)構(gòu)及其抗震。