某電廠鋼結(jié)構(gòu)廠房的地震動力彈塑性分析

夏 偉 陳曉強

0 引言

相對而言,動力彈塑性時程分析需要較高的技術(shù)水平。電廠的建筑結(jié)構(gòu)一般不會超過抗震規(guī)范[1]的相關(guān)限制,不需要進行罕遇地震驗算,動力彈塑性時程分析更為少見。事實上,對常見的電廠結(jié)構(gòu)補充進行罕遇地震下的動力彈塑性時程分析,一方面可以使設(shè)計人員對自己的設(shè)計更有把握,另一方面也可以對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計,節(jié)約建筑材料;另外,基于性能的抗震設(shè)計理念已逐漸被接受,即將寫入抗震規(guī)范,動力彈塑性時程分析是實現(xiàn)性能化設(shè)計的基礎(chǔ)內(nèi)容之一。本文以一電廠工程的某個鋼結(jié)構(gòu)廠房為例,說明對電廠類建筑結(jié)構(gòu)進行地震動力彈塑性分析的基本過程及結(jié)果分析。

1 工程概況

本工程是某電廠的輸煤綜合樓,建筑總長30 m,寬 22 m,高14.6 m。共有3層,1層為空壓機室,層高7.5 m;2層為電纜夾層,層高3 m;3層為配電室,層高4.1 m。端部2.7 m跨設(shè)置樓梯一部。工程所在場地土為中軟土,場地類別Ⅲ類,場地特征周期為0.65 s,設(shè)計基本地震加速度0.30g,屬于高烈度區(qū)。結(jié)構(gòu)為鋼框架結(jié)構(gòu),樓板采用鋼梁—混凝土組合樓板;梁、柱均為Q345B鋼材,支撐采用Q235B鋼材。

2 計算方法及模型

建模時,對鋼材采用雙線性隨動強化模型和Von Mises屈服準則。彈性模量、屈服強度等參數(shù)根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范選用[3]。梁柱等均選擇Beam188梁單元,采用自定義截面,準確模擬構(gòu)件實際幾何截面特性;樓板則采用Shell63殼單元。結(jié)構(gòu)整體模型如圖1所示。

先進行模態(tài)分析,了解結(jié)構(gòu)的整體振動特性,并根據(jù)結(jié)構(gòu)的主要自振頻率范圍獲得動力彈塑性時程分析時結(jié)構(gòu)的瑞利阻尼系數(shù)α,β[4]。注意,模態(tài)分析質(zhì)量源為“1恒+0.5活”,不僅是結(jié)構(gòu)自重。

根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果,獲取結(jié)構(gòu)的強軸、弱軸方向以及扭轉(zhuǎn)情況,確定動力彈塑性時程分析時地震波的輸入方向。時程分析中,根據(jù)規(guī)范要求[1],選取了三條地震波:兩條天然波,El Centro波及Taff波,信號主要周期成分介于 0.30 s與0.55 s之間;一條人工波,根據(jù)Vanmarcke等人的方法生成[5],周期成分包含從0.02 s到6.0 s。對每條地震波加速度進行調(diào)整,對應(yīng)8.5度的罕遇地震,最大峰值加速度取5.1 m/s2。時間步長取0.02 s,計算801步共計16 s,其中第一步是重力作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng),作為地震時程分析的初始條件。

3 結(jié)果分析

3.1 模態(tài)分析結(jié)果

結(jié)構(gòu)前十階頻率及周期見表1;前三階振型均為整體模態(tài):一階振型沿寬度方向(Y向)平動,二階振型沿長度方向(X向)平動,三階振型則是扭轉(zhuǎn),由此可知,結(jié)構(gòu)體系布置、整體剛度比較合理;結(jié)構(gòu)整體剛度的強軸是X向,弱軸是Y向?？紤]到扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)得較早,采用雙向地震輸入,X向與Y向的地震最大峰值加速度比例取0.85∶1.0。

結(jié)構(gòu)前三階周期介于0.1 s及場地特征周期(Tg=0.65 s)之間,對應(yīng)地震影響系數(shù)曲線的最大值區(qū)段(平臺段)[1],又因地處于高烈度區(qū),故地震作用對設(shè)計起控制作用。因此,一方面為保證結(jié)構(gòu)安全,另一方面為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(一般的設(shè)計計算為了保證地震作用下結(jié)構(gòu)的安全性,可能過分加大了結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸),本結(jié)構(gòu)有必要補充罕遇地震下的動力彈塑性時程分析。

表1 結(jié)構(gòu)前十階頻率及周期

3.2 動力彈塑性分析結(jié)果

整個地震作用過程中,不同地震波作用下結(jié)構(gòu)最大位移及加速度見表2?？傮w上,本結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)較小,X向最大位移為27.15 mm,Y方向最大位移為41.53 mm,弱軸位移響應(yīng)略大于強軸。加速度反應(yīng)較大,X向最大加速度響應(yīng)達到15.20 m/s2,Y方向則為19.14 m/s2,相比輸入最大地震波峰值4.335 m/s2,5.1 m/s2,X向、Y向結(jié)構(gòu)最大的動力系數(shù)達到了3.51,3.75,超過了規(guī)范反應(yīng)譜中對應(yīng)阻尼比0.05最大動力系數(shù)(平臺段)2.25,這是因為本結(jié)構(gòu)基本周期小于場地的特征周期,輸入地震波中包含與此對應(yīng)的主要周期成分,引起了結(jié)構(gòu)共振。限于篇幅,這里僅選取代表性的結(jié)構(gòu)頂部節(jié)點 A,畫出El Centro作用下Y向位移響應(yīng)時程(見圖2)及Taff波作用下 Y向加速度響應(yīng)(見圖3)。

表2 結(jié)構(gòu)頂點 A位移、加速度響應(yīng)最大值

三條地震波作用下結(jié)構(gòu)層間位移角見表3,最大的層間位移角僅 1/313,遠小于抗震規(guī)范的限值1/50[1],因此,即使在罕遇地震作用下,結(jié)構(gòu)仍具有很好的安全性。

考察三條地震波作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的Von Mises塑性應(yīng)變,該應(yīng)變直接反映了構(gòu)件各部分是否發(fā)生屈服(值是否大于0)以及屈服的程度。結(jié)果表明,僅有少數(shù)支撐發(fā)生屈服,絕大部分構(gòu)件在罕遇地震作用下仍保持彈性。以人工波為例,僅①軸線這榀框架有三根支撐發(fā)生屈服,最大塑性應(yīng)變僅有162×10-6,即162個微應(yīng)變。

表3 結(jié)構(gòu)層間位移角

上述分析結(jié)果表明,對于本結(jié)構(gòu)而言,地震作用相當大,起控制作用,但是結(jié)構(gòu)具有足夠的安全性,即使在罕遇地震作用下,絕大部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件仍處于彈性狀態(tài);結(jié)構(gòu)層間位移角等指標遠低于抗震規(guī)范的限制。因此,本結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足安全性要求。

考慮到結(jié)構(gòu)具有過高的安全性,可以對此設(shè)計進行一定的優(yōu)化,既能保證安全,又能減少鋼材用量,降低造價,節(jié)約資源。

4 結(jié)語

有必要對電廠類建筑結(jié)構(gòu)進行地震動力彈塑性分析,一方面可以保證結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下具有足夠的安全性,同時又能在該分析的指導下進行一定的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,減小建筑材料的用量,達到安全、經(jīng)濟的目的。本文對一電廠的除灰輸煤綜合樓進行了罕遇地震下的非線性動力彈塑性時程分析,結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)偏于安全,可以進行一定程度的優(yōu)化設(shè)計,減少用鋼量。

[1]GB 50011-2001,結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[2]尚曉江,邱 峰,趙海峰,等.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級分析方法與范例應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社,2008.

[3]GB 50017-2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[4]克拉夫,彭 津.結(jié)構(gòu)動力學[M].北京:高等教育出版社,2006.

[5]Vanmarcke,E.H.,Fenton,G.A.Conditioned simulation of local fields of earthquake ground motion[J].Structural Safety,Special Issue on Spatial Variation of Earthquake Ground Motion,1991(2):39-40.