關(guān)于電廠鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的研究

紀(jì)中山

(電力建設(shè)公司神華神東店塔電廠工程項(xiàng)目部,天津 300000)

1 前言

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中采用“二階段三水準(zhǔn)設(shè)計(jì)”抗震設(shè)計(jì)方法，僅僅是以保證人的生命安全為單一設(shè)防目標(biāo)，在罕遇地震作用下，只是避免主體結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌破壞，從而保護(hù)人的生命安全。但對(duì)于大型火電廠主廠房這類特殊的工業(yè)建筑，由于另外設(shè)置控制室，人員較少，主廠房?jī)?nèi)設(shè)備的價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過結(jié)構(gòu)本身的造價(jià)。主廠房結(jié)構(gòu)在地震破壞中造成的經(jīng)濟(jì)損失、次生災(zāi)害以及社會(huì)影響，往往超出了業(yè)主和社會(huì)的承受能力。因此火電廠主廠房結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)不僅要考慮保障人身安全，更要通過控制地震中重要設(shè)備的破壞所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失，保證結(jié)構(gòu)使用功能的延續(xù)，從而達(dá)到業(yè)主提出的性能要求。

歷次地震震害表明，結(jié)構(gòu)破壞倒塌的主要原因是變形過大，超過了結(jié)構(gòu)構(gòu)件能承受的塑性變形能力。在結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性后，決定結(jié)構(gòu)破壞的主要因素是結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)，更合理的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法應(yīng)該是基于結(jié)構(gòu)位移的抗震設(shè)計(jì)方法，因此對(duì)結(jié)構(gòu)在大震作用下的變形驗(yàn)算是非常必要的。目前，框架結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析方法主要有兩種：彈塑性時(shí)程分析和靜力彈塑性分析。彈塑性時(shí)程分析是較為理想的非線性分析方法，且被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)彈塑性分析的最可靠方法，但由于地震波和恢復(fù)力模型的選擇對(duì)時(shí)程分析結(jié)果影響很大，其應(yīng)用受到了限制。而靜力彈塑性分析分析方法(簡(jiǎn)稱Pushover分析)既考慮了計(jì)算的簡(jiǎn)便性，又考慮了結(jié)構(gòu)在地震作用下的非線性響應(yīng)特性，是目前一種比較經(jīng)濟(jì)可行的結(jié)構(gòu)非線性分析方法。

2 靜力彈塑性分析研究現(xiàn)狀

近10多年來，自從基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論提出后，各國(guó)都投入大量人力物力致力于這方面的研究。靜力彈塑性分析又稱Push-over analysis，是近年來得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者大力推廣的一種非線性靜力抗震分析方法。在抗震工程中對(duì)靜力彈塑性分析方法的使用最旱要追溯到Gulkan和Sozen所做的工作，他們用等效單自由度來代替多自由度結(jié)構(gòu)。Freeman等人在靜力彈塑性分析基礎(chǔ)之上提出了對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力彈塑性分析的能力譜方法，后來經(jīng)過不斷地完善和改進(jìn)，成為結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析的重要方法之一。Saiidi等依據(jù)動(dòng)力理論把多自由度體系轉(zhuǎn)化為等效單自由度體系來進(jìn)行結(jié)構(gòu)的非彈性地震反應(yīng)的研究，為靜力彈塑性分析方法的研究和應(yīng)用起到了推動(dòng)作用。該方法目前只適用于中低層的規(guī)則建筑物，對(duì)于較高的建筑物，由于高振型的影響不可忽視，因而Sasak取結(jié)構(gòu)的前幾階振型來確定荷載的分布形式。

與國(guó)外相比較，我國(guó)對(duì)Push-over分析方法的研究工作開展較少。近年來Push-over在國(guó)內(nèi)也開始得到了重視，其中主要體現(xiàn)在我國(guó)的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，我國(guó)的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]第3.6.2條規(guī)定“不規(guī)則且具有明顯薄弱部位可能導(dǎo)致地震時(shí)嚴(yán)重破壞的建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)按本規(guī)范規(guī)定進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性變形分析，此時(shí)可根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用靜力彈塑性分析或彈塑性時(shí)程分析方法”。其中的靜力彈塑性分析方法就是指Push-over分析方法。

3 鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

自唐山地震以后，我國(guó)學(xué)者對(duì)火力發(fā)電廠鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu)開始進(jìn)行深入的分析與研究。國(guó)家地震局工程力學(xué)研究所李樹禎等對(duì)八十年代建成投產(chǎn)的五座300MW機(jī)組的橫向單榀鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑勝動(dòng)力時(shí)程分析，計(jì)算結(jié)果表明：常規(guī)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的主廠房結(jié)構(gòu)基本滿足抗震設(shè)防的要求，但各自的抗震可靠度各異。強(qiáng)震下個(gè)別構(gòu)件可能嚴(yán)重破壞，整體廠房還做不到“強(qiáng)柱弱梁”。西北電力設(shè)計(jì)院的洪柏年等對(duì)已建成的某電廠主廠房鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析，研究結(jié)果表明：按規(guī)范計(jì)算的結(jié)果并不一定保證該類結(jié)構(gòu)達(dá)到抗震目的，建議對(duì)主廠房應(yīng)盡量做到質(zhì)量、剛度分布均勻。西安建筑科技大學(xué)對(duì)600MW機(jī)組發(fā)電廠主廠房按1/7取三跨三榀鋼筋混凝土框排架子空間模型，進(jìn)行模型結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性試驗(yàn)，研究了結(jié)構(gòu)在水平地震作用下的受力特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)及薄弱層以及框排架協(xié)同工作性能等。研究結(jié)果表明：該類結(jié)構(gòu)存在明顯的薄弱層，主要的薄弱環(huán)節(jié)在上部變截面處和異型開動(dòng)節(jié)點(diǎn)處。

4 靜力彈塑性分析方法

靜力彈塑性分析是一種結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)的簡(jiǎn)化方法，易為廣大工程人員接受[2]。作為一種新型的結(jié)構(gòu)抗震能力評(píng)估手段，靜力彈塑性分析方法近年來在國(guó)內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用。該方法是逐步對(duì)結(jié)構(gòu)施加一定分布形式的側(cè)向荷載，隨著側(cè)向荷載的增加，使得部分構(gòu)件依次進(jìn)入塑性狀態(tài)，出現(xiàn)塑性鉸，直到結(jié)構(gòu)喪失穩(wěn)定或位移達(dá)到限值。這種方法最根本的特征是用靜力荷載描述地震作用，在地震作用下考慮結(jié)構(gòu)的彈塑性性能，可以對(duì)關(guān)鍵單元或重要構(gòu)件的變形做近似估計(jì)，發(fā)現(xiàn)一些設(shè)計(jì)中潛在的不利因素，如強(qiáng)度或剛度突變等；找到結(jié)構(gòu)可能發(fā)生突變的部位，以及結(jié)構(gòu)的傳力途徑、構(gòu)件塑性鉸的發(fā)展和屈服次序等。

能力譜方法(Capacity Spectrum Method)在實(shí)現(xiàn)基于結(jié)構(gòu)性能抗震設(shè)計(jì)理論中主要體現(xiàn)在對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的評(píng)估上。能力譜方法實(shí)質(zhì)上是通過地震反應(yīng)譜曲線和結(jié)構(gòu)能力譜曲線的疊加來評(píng)估結(jié)構(gòu)在給定地震作用下的反應(yīng)特性。評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的耐震性能和性能水準(zhǔn)時(shí)會(huì)使用能力譜和需求譜的概念。通過Pushover分析將獲得荷載－位移關(guān)系(V-U)，響應(yīng)譜也可獲得加速度－周期(A-T)的相關(guān)關(guān)系。為了比較兩個(gè)譜，需要將其轉(zhuǎn)換為加速度－位移譜。如果結(jié)構(gòu)的位移在目標(biāo)性能范圍內(nèi)，則繼續(xù)評(píng)價(jià)各構(gòu)件的性能。

5 結(jié)論

像火電廠主廠房這類鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度分布不均勻，基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法，利用靜力彈塑性分析評(píng)估其抗震性能，保證結(jié)構(gòu)在大震作用下不倒塌，將有重要的價(jià)值和意義。

[1]建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011-2001).北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2001

[2]葉燎原,潘文.結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析(push-over)方法的原理和計(jì)算實(shí)例.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2000(2):37~43