某脫硝設備鋼結構支撐體系的靜力彈塑性分析

1、引 言

靜力彈塑性分析法作為抗震性能分析的重要方法之一，通過進行非線性靜力計算，并將其計算結果與彈性反應譜相結合，通過靜力分析得出結構在地震作用下的動力反應和抗震性能。與彈塑性時程分析方法相比，靜力彈塑性分析方法有很多優(yōu)點：概念清晰、操作簡單，計算量小以及可以明確評價結構的屈服機制和彈塑性性能，因此被廣泛地應用于工程中。運用靜力彈塑性分析既可以校核小震作用下的結構設計，也可以確定結構在大震作用下的薄弱部位，讓設計人員對結構的薄弱部位進行有針對性的加強。

本工程設備自重和水平作用力均較大，結構形式采用鋼結構支撐體系，即鋼梁、鋼柱及中心支撐之間的連接全部采用鉸接連接，采用水平支撐形成水平平面剛度層并傳遞本層的水平荷載。鋼結構支撐體系屬于單道抗震防線的結構體系，延性較差，設計目標擬達到性能1的水準。

2、工程概況

某電廠脫硝裝置的鋼結構支架建在新疆地區(qū)，建筑抗震設防類別為乙類，抗震設防烈度為8度（0.2g），建筑場地類別為Ⅱ類，結構總高度為23.1m，結構的平面尺寸為42m×14.5m。本工程分別在7.700m，10.000m，13.700m，17.200m、23.100m標高平臺處有重型設備，單點荷載為550KN～1590KN大小不等，其結構布置如圖1所示。

3、結構靜力彈塑性Pushover分析

應用MIDAS/GEN 程序進行結構靜力彈塑性Pushover分析的步驟如下：①建立結構模型；②定義并分配桿件塑性鉸；③確定側向加載模式及分析工況；④結果分析和性能評價。

3.1 建立結構模型

本工程的所有梁、柱、柱間支撐均采用軋制或焊接H型鋼斷面，材質為Q345B；所有水平支撐均采用單角鋼或雙角鋼T形組合截面，材質為Q235B；各樓層平臺行人走道鋪鋼格柵板。主要結構構件的斷面見表1。

＞＞圖1 三維模型圖

由于本結構在平面和立面均極不規(guī)則，為準確反映本結構在大震作用下的彈塑性性能，應用MIDAS/GEN 程序建立空間桿系模型作為本結構的計算分析模型。

3.2 定義桿件塑性鉸

本文對鋼梁、鋼柱和支撐都選用MIDAS/GEN程序中適合鋼構件的三折線鉸，其彈塑性本構曲線如圖5所示。其中柱和梁定義為PMM鉸，柱間支撐定義為軸力鉸。塑性鉸一般設置在彈性階段內力最大位置處，梁、柱單元的彎曲鉸和壓彎鉸（PMM）一般設置在構件的兩端；軸力鉸可在任意位置處設置一個，也可在支撐兩端設兩個。

3.3 側向加載模式

進行靜力彈塑性分析時，首先要給結構施加重力荷載，再施加側向荷載。側向荷載直接影響到靜力彈塑性分析的結果，最理想的分布模式是相似于在設計地震作用下結構各樓層地震作用慣性力的分布模式。本文選擇了振型荷載加載模式，即同一方向的第一振型，每一節(jié)點的水平力與振型角頻率平方、振型位移以及分配給節(jié)點的質量成比例，力的作用方向與振型位移方向相同，振型荷載相當于倒三角分布的側向荷載。

3.4 分析控制

在Pushover分析中，指定的荷載模式成比例地施加給結構，施加在結構上的荷載可以使用力控制或位移控制。一般地，在已知的荷載水平且結構有能力承受此荷載的情況下，可以使用荷載控制；當以達到已知的位移為目標，施加在結構上的荷載是未知量，或荷載作用結果是使結構失去強度或穩(wěn)定性時，可以使用位移控制。

本文重力荷載的加載采用荷載控制，水平荷載的加載使用位移控制，控制指標為指定特定節(jié)點在特定方向上的目標位移為結構總高度的10%。

3.5 計算結果分析

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》，宜對本結構進行罕遇地震作用下的彈塑性變形驗算。需求譜由我國現(xiàn)行抗震規(guī)范地震反應譜從傳統(tǒng)的加速度-周期譜轉換為加速度-位移譜得到。

圖2和圖3給出了結構X、Y方向的能力譜-需求譜曲線。

性能點是結構相應狀態(tài)阻尼比下的能力譜與需求譜的交點，程序通過迭代計算得出。本工程結構性能點的各個參數(shù)詳見表2，表中Sa，Sd表示譜加速度及譜位移，U和V 表示結構頂層位移和結構的基底剪力。從計算結果可知，結構在大震作用下的性能點狀態(tài)時，結構底層4個柱子出現(xiàn)了塑性鉸，結構下部少部分柱間支撐出現(xiàn)塑性鉸，梁上沒出現(xiàn)塑性鉸。結構頂層位移小于抗震規(guī)范規(guī)定的大震作用下彈塑性位移限值[U］=23.1X1/50 =0.462m，且各層平臺層間位移角均不大于1/50的限值，滿足規(guī)范要求。

＞＞表1 構件截面表

＞＞圖2 X方向能力譜-需求譜曲線

＞＞圖3 Y方向能力譜-需求譜曲線

＞＞表2 Pushover 分析性能點

＞＞表3 結構性能等級與允許變形的關系

4、結構的性能評價

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》,各個性能水準下的層間位移參考指標，可參考表3的示例選用：

據(jù)此，綜合評價本結構的性能如下：

（1）綜合前文各方向各工況性能點的評價，該工程滿足設計使用要求。

（2）本結構在罕遇地震下只有小部分支撐和個別柱屈服，結構基本完好，結構變形與彈性變形位移限值相當，相應于性能1的水準，符合抗震規(guī)范中“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防目標。

5、結論

（1）本工程中的主結構構件在大震作用下基本處于彈性狀態(tài)，僅有個別柱和少部分支撐進入了屈服狀態(tài)，且大震作用下的整體側向位移較小，表明本結構橫向剛度較好。

（2）由于支撐體系屬于單道抗震防線的結構體系，為保證結構在大震下的安全性，建議做到罕遇地震作用下所有構件均不出現(xiàn)塑性鉸。

（3）通過對鋼結構支撐體系的結構進行靜力彈塑性分析，找出在罕遇地震作用下進入塑性狀態(tài)的構件并進行加強，提高整體結構抗震能力。