基于Push-over原理的一體化除塵裝置結(jié)構(gòu)彈塑性分析

基于Push-over原理的一體化除塵裝置結(jié)構(gòu)彈塑性分析

主要研究建筑結(jié)構(gòu)與混凝土耐久性。

張利1，陳達(dá)1，于洪玫2

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012； 2.吉林省石油化工設(shè)計(jì)研究院，長(zhǎng)春 130021)

摘要：Push-over分析是實(shí)現(xiàn)基于性能抗震設(shè)計(jì)的重要方法之一，闡述了Push-over分析的基本工作原理和分析方法，利用SAP2000有限元分析軟件對(duì)除塵裝置主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行Push-over分析。分析結(jié)果包括基底剪力—頂部位移結(jié)構(gòu)破壞時(shí)塑性鉸的分布等，利用分析結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能做出了評(píng)估，為工廠除塵器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：Push-over分析；一體化除塵裝置；能力譜；塑性鉸；SAP2000

隨著人們對(duì)環(huán)境和潔凈空氣的重視，電廠對(duì)除塵器的需求越來(lái)越多，并向大型化發(fā)展。我國(guó)己經(jīng)成為除塵器產(chǎn)量最多的國(guó)家，大型除塵器的體量不斷更新。但目前，我國(guó)對(duì)除塵器本體結(jié)構(gòu)及其支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與承載能力評(píng)判并無(wú)規(guī)范的設(shè)計(jì)理論和專門(mén)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，甚至對(duì)于除塵器本體結(jié)構(gòu)及其支承結(jié)構(gòu)體系應(yīng)采用機(jī)械產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)還是工程結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)制作尚無(wú)定論。除塵器在設(shè)計(jì)生產(chǎn)安裝時(shí)，常常只是通過(guò)類比法進(jìn)行設(shè)計(jì)，早期主要參照國(guó)外同類型、同規(guī)模的成型產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)制作，很少進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，各構(gòu)件截面尺寸的確定也具有較大的隨意性和盲從性。早期的除塵器體量較小，荷載也較小，結(jié)構(gòu)承載力問(wèn)題尚不突出，近年來(lái)，隨著除塵器體量愈來(lái)愈大，除塵器本體結(jié)構(gòu)及其支承結(jié)構(gòu)體系的合理設(shè)計(jì)與承載能力確定己成為除塵器應(yīng)用的一個(gè)主要問(wèn)題。

1靜力彈塑性方法的基本原理

國(guó)外專家學(xué)者對(duì)于Push-over的分析研究和應(yīng)用比國(guó)內(nèi)早，由于技術(shù)的不斷提高和改進(jìn)，現(xiàn)在已經(jīng)成為一個(gè)重要的彈塑性分析方法。SAP2000中的Push-over分析是運(yùn)用能力譜方法，基本的思想是2條相同的基準(zhǔn)的建立：一是由載荷—位移曲線轉(zhuǎn)化的能力譜曲線，另一個(gè)是從加速度反應(yīng)譜轉(zhuǎn)化成ADRS譜(也稱為需求譜線)，在同一張圖上的2條曲線的交點(diǎn)，視為“目標(biāo)位移點(diǎn)”(或“抗震性能點(diǎn)”)，根據(jù)結(jié)構(gòu)位移和相應(yīng)的性能點(diǎn)的允許值判斷是否滿足抗震設(shè)計(jì)的要求。Push-over分析原理如下所示。

1.1基底剪力—位移曲線的計(jì)算

用單調(diào)遞增的側(cè)向荷載加載到結(jié)構(gòu)上，計(jì)算結(jié)構(gòu)的基底剪力—位移曲線(如圖1(a))。

1.2能力譜的建立

把能力曲線轉(zhuǎn)換為能力譜曲線(Sa-Sd曲線)(如圖1(b))，每個(gè)點(diǎn)都需要轉(zhuǎn)換，從能力曲線上的任一點(diǎn)(Vi，ΔTi)轉(zhuǎn)換到能力譜相應(yīng)點(diǎn)(Sai，Sdi)，可采用以下公式：

(1)

式中：φ1,T為第一振型頂點(diǎn)振幅；a1為第一振型質(zhì)量系數(shù)；γ1為第一振型參與系數(shù)；G為總的等效荷載代表值。a1和γ1可由式(2)和式(3)計(jì)算得到，即

(2)

(3)

式中：mi為第i層的質(zhì)量；φi1為振型1在第i層的振幅。

1.3需求譜的轉(zhuǎn)換

標(biāo)準(zhǔn)的需求譜包含一組加速度反應(yīng)譜和一組常數(shù)的速度譜組成。兩者在周期Ti處有以下關(guān)系：

(4)

由標(biāo)準(zhǔn)的加速度反應(yīng)譜模式轉(zhuǎn)換為ADRS譜(如圖1(c)和(d))，其關(guān)系式如下：

(5)

(a)底部剪力—頂點(diǎn)位移曲線

(b)能力譜

(c)標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜

(d)ADRS譜

結(jié)構(gòu)非線性耗能性質(zhì)對(duì)地震需求的折減應(yīng)該在研究能力譜與需求譜的關(guān)系之前進(jìn)行考慮，也就是要考慮結(jié)構(gòu)非線性變形引起的等效阻尼變化。確定等效阻尼ATC-40采用耗能原理。結(jié)構(gòu)的非線性狀態(tài)，黏滯阻尼的復(fù)合結(jié)構(gòu)的耗能可以作為結(jié)構(gòu)和滯回阻尼結(jié)構(gòu)；等效黏性阻尼滯回阻尼由式(6)進(jìn)行評(píng)估，并可以用來(lái)降低地震需求譜；等效黏滯阻尼ξ可由圖2(a)所求的參數(shù)來(lái)確定：

(6)

式中：Ed為結(jié)構(gòu)單個(gè)周期的滯回阻尼耗能，等于平行四邊形的面積；ES為最大應(yīng)變能，等于陰影斜線部分的三角形的面積。

1.4性能點(diǎn)的確定

將能力譜曲線和某水準(zhǔn)的地震需求譜畫(huà)在同一個(gè)坐標(biāo)系中(如圖2)，性能點(diǎn)的確定如圖3。性能點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的位移為等效單自由度體系在該水準(zhǔn)地震作用下的譜位移。

圖2　能力譜與需求譜

圖3　確定性能點(diǎn)

將譜位移按式(1)轉(zhuǎn)換成原結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移，然后根據(jù)V-ΔT曲線的原始結(jié)構(gòu)的位移，可以確定結(jié)構(gòu)中塑性鉸在地震作用下的桿端截面曲率、側(cè)向位移和層間位移、結(jié)構(gòu)的抗震能力。如果兩曲線不相交的，則可以判定結(jié)構(gòu)的抗震能力不足。

2計(jì)算步驟

2.1建立模型

首先運(yùn)用SAP2000建立結(jié)構(gòu)模型，求出結(jié)構(gòu)各構(gòu)件在規(guī)范規(guī)定的各荷載工況下的內(nèi)力并驗(yàn)算。在建立模型時(shí)，梁、柱可采用框架結(jié)構(gòu)單元模擬，現(xiàn)澆板可采用殼單元模擬。

2.2塑性鉸的定義與設(shè)置

在SAP2000中提供符合FEMA-356規(guī)范的默認(rèn)鉸屬性，分為脆性鉸和延性鉸，共有6類默認(rèn)鉸屬性，分別為彎矩較、剪力鉸、軸力鉸、扭矩鉸、軸力彎矩鉸、纖維鉸6種塑性鉸[2]，在框架單元的任意部位上可以布置一種或多種塑性鉸。各種塑性鉸的本構(gòu)模型如圖4所示。

圖4　軸力鉸、剪力鉸、彎矩鉸和壓彎鉸耦合鉸默認(rèn)屬性

SAP2000提供了2種定義塑性鉸：一種是塑性鉸的自定義屬性；另一個(gè)是美國(guó)程序根據(jù)給定FEMA-356和ATC-40規(guī)范確定的屬性。這里定義塑性鉸的本構(gòu)關(guān)系，采取后者的方法。塑性鉸應(yīng)設(shè)置在彈性階段的最大內(nèi)力處，因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)中的這些位置首先屈服。對(duì)于梁柱單元，一般情況下在兩端出現(xiàn)最大內(nèi)力是很常見(jiàn)的，梁的兩端設(shè)有主矩鉸(M)和主剪鉸(V)，在柱的兩端設(shè)置壓彎鉸(PMM)。

2.3側(cè)向加載模式

在SAP2000軟件中通過(guò)Push-over分析條件選擇側(cè)向荷載模式定義，一個(gè)典型的推動(dòng)可能有3種分析工況：自定義、勻加速度和振型荷載。其中均勻分析工況對(duì)應(yīng)于一個(gè)均勻分布的側(cè)向荷載模式；振型荷載分析的工況，當(dāng)取第一振型時(shí)相當(dāng)于倒三角側(cè)向荷載模式。Push-over工況在SAP2000中的定義，首先要對(duì)重力和變形作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行定義，其他Push-over工況都是在此條件下的結(jié)果進(jìn)行的詳細(xì)的定義，結(jié)構(gòu)位移隨著其定義的分析工況值(即某種側(cè)向荷載)的不斷增大而增大，直至達(dá)到規(guī)定的位移。

2.4結(jié)果分析和性能評(píng)價(jià)力

通過(guò)以下3個(gè)方面的值對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行評(píng)估：1)頂點(diǎn)側(cè)移：是否滿足彈塑性頂點(diǎn)位移限值標(biāo)準(zhǔn)。2)層間位移角：是否滿足彈塑性層間位移角限值標(biāo)準(zhǔn)。3)構(gòu)件的局部變形：對(duì)塑性鉸梁、柱的變形，檢查它是否超過(guò)一定性能水準(zhǔn)下的變形要求。

3一體化除塵裝置計(jì)算分析

3.1工程概況

該除塵裝置主體結(jié)構(gòu)為10層鋼框架結(jié)構(gòu)，1～2層層高3.5 m，3～6層層高3.35 m，7～8層層高3.3 m，9～10層層高3 m，梁、柱、板所采用的鋼材均用Q235的。梁采用了5種不同的截面尺寸，分別為HN750×300×13×24、HN500×300×10×16、HN500×300×9×14、HN175×90×5×8、HW175×175×7.5×11。柱采用了五種不同的截面尺寸，2種不同的截面形式。一種是箱型截面型鋼柱，它們的尺寸分別為B350×350×14×14、B250×250×10×10、B200×160×8×8、B200×100×8×8；另一種是工字形截面鋼柱，尺寸為HM200×200×9×14。鋼板采用6 mm壓型鋼板，上面鋪0.06 m的混凝土。本工程按7度設(shè)防抗震，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，場(chǎng)地類別為二類，該結(jié)構(gòu)的三維模型見(jiàn)圖5。

經(jīng)SAP2000地震反應(yīng)譜分析，各構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比、寬厚比及強(qiáng)度等指標(biāo)均已滿足規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)的側(cè)移和層間位移角見(jiàn)表1，結(jié)構(gòu)模態(tài)分析得到的周期與頻率見(jiàn)表2。由表1可知結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下層間位移未超過(guò)規(guī)范所規(guī)定的限值(對(duì)于多層鋼框架結(jié)構(gòu)規(guī)范規(guī)定的層間位移角為1/50[1])。

圖5　三維結(jié)構(gòu)模型

層數(shù)X方向側(cè)移/mmY方向側(cè)移/mmX向?qū)娱g位移角Y向?qū)娱g位移角1015.6814.841/232561/11111915.5514.571/188681/10000815.3914.261/35711/3125714.4613.221/25001/1923613.1311.491/20001/1515511.449.261/17241/131649.496.711/15381/117737.313.851/16671/133325.241.331/11111/416712.110.491/16671/7143

表2　模態(tài)周期與頻率

3.2側(cè)向加載模式

本工程進(jìn)行Push-over分析所選用的3個(gè)側(cè)向加載模式為：1)重力+x向加速度，相當(dāng)于縱向的側(cè)向加載模式；2)重力+振型1，相當(dāng)于橫向的倒三角形側(cè)向加載模式；3)重力+y向加速度，相當(dāng)于橫向的側(cè)向加載模式。

抗震規(guī)范規(guī)定，進(jìn)行7度罕遇地震情況下的計(jì)算，根據(jù)我國(guó)抗震相關(guān)系數(shù)與ATC-40中的系數(shù)關(guān)系可以確定系數(shù)：Ca=0.2；Cv=0.225。

3.3計(jì)算結(jié)果與分析

3.3.13種側(cè)向加載模式下的底部剪力—頂點(diǎn)位移

結(jié)構(gòu)在加載模式1中，底部剪力最大承載力為9 943 kN，當(dāng)頂點(diǎn)最大位移為27.9 cm時(shí)，結(jié)構(gòu)層間位移超過(guò)框架結(jié)構(gòu)的限值(層高的1/50)而停止。結(jié)構(gòu)在加載模式2中，底部剪力最大承載力為13 540 kN，當(dāng)頂點(diǎn)最大位移為46.8 cm時(shí)，結(jié)構(gòu)層間位移超過(guò)框架結(jié)構(gòu)的限值(層高的1/50)而停止。結(jié)構(gòu)在加載模式3中，底部剪力最大承載力為10 370 kN，當(dāng)頂點(diǎn)最大位移為35.2 cm時(shí)，結(jié)構(gòu)層間位移超過(guò)框架結(jié)構(gòu)的限值(層高的1/50)而停止。在3種加載模式下，底部剪力最大承載力相差最大值為3 597 kN，延性最大的是加載模式2，加載模式2得到的底部剪力最大承載力是加載模式1的1.36倍，是加載模式3的1.3倍。

3.3.2塑性鉸的分布

結(jié)構(gòu)在彈塑性經(jīng)歷分析得出的塑性鉸分布如圖7。

(a)重力+x向加速度

(b)重力+振型1

(c)重力+y向加速度

可以看出塑性鉸大多分布在結(jié)構(gòu)框架梁以及柱根上，嵌固端塑性鉸較少，基本滿足理想的耗能機(jī)制，在施工安裝過(guò)程中，應(yīng)考慮“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，弱構(gòu)件”的理念進(jìn)行施工。

4結(jié)語(yǔ)

隨著CAE技術(shù)的不斷發(fā)展與推廣，針對(duì)除塵器的整體結(jié)構(gòu)、部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析及優(yōu)化等方面的研究越來(lái)越多，但其主要集中在線彈性范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化，在非線性彈塑性階段的分析成果較少，對(duì)于相關(guān)工程實(shí)踐能起到借鑒作用的資料有限。筆者闡述了Push-over分析的基本工作原理并對(duì)地震反應(yīng)譜分析的結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn)，更重要的是可以對(duì)結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的破壞狀況進(jìn)行較精確的分析，同時(shí)也在一定程度上為相關(guān)設(shè)計(jì)人員提供了結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的反應(yīng)，以使迅速找到薄弱環(huán)節(jié)。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50011—2010 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，2010.

[2] 北京金土木軟件技術(shù)有限公司，中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.SAP2000中文版使用指南[M].北京：人民交通出版社，2006：460-474.

[3] 徐艷秋.圓心角對(duì)預(yù)應(yīng)力矽曲線連續(xù)梁彈塑性力學(xué)的影響[J].青島理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，27(1)：64-67.

[4] 渠延模，周?chē)?guó)寶，陳興林.基于SAP2000的鋼框架減震控制分析[J].低溫建筑技術(shù)，2009，137(11)：62-64.

[5] 王曉月.除塵器鋼支架支撐體系結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析與抗震性能研究[D].北京：北京科技大學(xué)，2007.

[6] 高軒能，朱皓明，沈劍波，等.某大型電除塵器鋼支架的極限承載力分析[J].井岡山大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，39(5)：96-101.

[7] Hasancebi S，Kazemzadeh Azad.An exponential big bang-big crunch algorithm for discrete design optimization of steel frames[J].Computers and Structures，2012，110：167-179.

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.02.002

收稿日期：2015-05-25

作者簡(jiǎn)介：張利(1960-)，男(漢)，內(nèi)蒙古赤峰，教授

中圖分類號(hào)：P315.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-8984(2015)02-0004-04

The structural elastic-plastic analysis to integrated dust
removal device based on the principle of Push-over theory

ZHANG Li，et al.

(SchoolofCivilEngineering，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

Abstract：Push-over analysis is an important method to realize performance-based seismic design.This article indicates the basic working principles and analysis methods，and makes an push-over analysis to the main structure of dust removal device by using the finite element analysis software SAP2000.The analysis results include the plastic hinge distribution from the bottom shear to the top displacement when structure damage，etc.By using the results of analysis，the performance of seismic to the structure has been evaluated to provide the reference for the factory in the structure design and improvement to dust wiper.

Key words：Push-over analysis；the integration of dust removal device；capacity spectrum；plastic hinge；SAP2000