火電廠主廠房不同布置方式下地震反應(yīng)對比分析

張景瑞,陳 雨,袁國鋒

(1.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院,陜西西安710055;2.杭州市路橋有限公司,浙江杭州310000)

0 引 言

大型火力發(fā)電廠是重要的生命線工程,應(yīng)有較高的抗震能力,對該類結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行研究具有重要的理論意義和實際價值。主廠房傳統(tǒng)三連式布置方式,即汽機房、除氧間、煤倉間順列布置方式,主廠房為框排架結(jié)構(gòu)[1],結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜、空間性能差、力的傳遞路徑不明確[2]、由于錯層的存在,短柱與異型節(jié)點常見[3],主廠房結(jié)構(gòu)抗震性能很差[4]。而新的布置方式,即交叉布置方式,主廠房為框、排架結(jié)構(gòu)[5]。

本文以600MW機組火電廠主廠房鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土框、排架結(jié)構(gòu)為研究對象,用SAP2000有限元分析軟件分析主廠房的抗震性能指標(biāo),并對傳統(tǒng)的框排架結(jié)構(gòu)和新的布置方式下的單框、排架結(jié)構(gòu)的相應(yīng)部分的抗震性能進(jìn)行對比分析。

1 主廠房結(jié)構(gòu)模型

以某電廠為原型,單機容量為600 MW,采用傳統(tǒng)的三連式布置方式時,主廠房為鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu),并且不設(shè)置柱間支撐以及剪力墻;采用交叉布置方式時,主廠房為鋼筋混凝土框、排架結(jié)構(gòu),同樣也不設(shè)置柱間支撐和剪力墻,形成完全獨立、互不影響的單排架和單框架結(jié)構(gòu)。對于兩種布置方式僅主廠房布置方式不同,對于相應(yīng)的框架部分和排架部分在空間布置,受力情況上是完全相同的。

本工程的設(shè)計使用年限為50 a,建筑結(jié)構(gòu)的安全等級為二級,抗震設(shè)防類別為乙類,設(shè)計地震分組為第一組,場地類別為Ⅱ類,抗震等級為Ⅰ級。建模時柱子的建模尺寸如表1所示。

表1 各列柱尺寸

采用交叉布置方式時,由于框架部分和排架部分為獨立體系,互不影響,所以柱子的尺寸和異型情況可采用對稱方式布置,主廠房的柱網(wǎng)布置圖、典型斷面圖如圖1～圖4所示。

圖1 主廠房柱網(wǎng)布置(三連式)

2 有限元分析

考慮到結(jié)構(gòu)形式的復(fù)雜性,在運用SAP2000有限元分析軟件進(jìn)行建模分析時,將原型結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?①將屋架簡化為一剛性桿件,并認(rèn)為屋架與A、B列柱鉸接;②在質(zhì)量源定義時,定義質(zhì)量來源為來自荷載,其中自重、附加恒荷載的系數(shù)為1.0,活荷載的系數(shù)是0.85。

圖2 主廠房橫向典型斷面(三連式)

圖3 主廠房柱網(wǎng)布置(交叉式)

SAP2000采用反應(yīng)譜法進(jìn)行地震反應(yīng)分析。靜力荷載工況使用已定義的靜力荷載工況作為荷載模式,地震烈度選為7度多遇地震。結(jié)構(gòu)的建模和分析都通過SAP2000來實現(xiàn)。建模時,支座采用剛接,主梁與柱的連接方式也選用剛接,而次梁與主梁的連接方式選為兩端鉸接,起點釋放雙向彎矩,終點釋放雙向彎矩和扭矩。

3 主廠房有限元分析結(jié)果

3.1 主廠房層剪力對比分析

圖5為單向地震作用下的反應(yīng)譜曲線,由圖可見,在X方向地震作用下兩種結(jié)構(gòu)形式相應(yīng)部分的層剪力很接近,在Y向地震作用下框排架結(jié)構(gòu)的框架部分和排架部分在底層的層剪力明顯要比框、排架結(jié)構(gòu)的層剪力大,而隨著層高的增加,層剪力趨于相同。

由表2和表3的分析結(jié)果可知,扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對傳統(tǒng)布置方式的影響比對交叉布置方式的影響要大得多,特別是X方向地震作用下對兩種布置方式框架部分縱向剪力的影響尤為明顯,此時傳統(tǒng)布置方式下的框架部分的最大剪力為交叉布置方式最大剪力的22倍,最小剪力為交叉布置方式最小剪力的6.6倍。

圖4 主廠房典型斷面(交叉式)

圖5 不同方向地震作用下結(jié)構(gòu)層剪力分布

表2 地震作用下排架部分層剪力

3.2 主廠房層間位移及層間位移角對比分析

表3 地震作用下框架部分層剪力

圖6和圖7分別為 X向和Y向地震作用下的層間位移和層間位移角的示意圖,由圖可見,在X向地震作用下,框排架結(jié)構(gòu)和框、排架結(jié)構(gòu)的排架部分和框架部分的層間位移都很接近,層間位移曲線中較大的拐點發(fā)生在第3層,在Y向地震作用下,框架部分的層間位移除頂層外,其他各層都很接近,而排架部分的層間位移除底層外,其他各層相差較大。由圖7可見,在X向和Y向地震作用下框架部分除頂層外,其他各層的層間位移角都很接近,而對于排架部分,在兩個方向地震作用下的層間位移和層間位移角除底層外都相差較大。

在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行反應(yīng)譜分析時,在X向地震作用下,框架部分的最大層間位移和層間位移角都發(fā)生在第1層,排架部分的最大層間位移和層間位移角也發(fā)生在第1層;在Y向地震作用下,框架部分的最大層間位移發(fā)生在第1層,最大層間位移角發(fā)生在第7層,排架部分的最大層間位移發(fā)生在第1層,最大層間位移角發(fā)生在第2層。X和Y向地震作用下,所得的最大層間位移角均小于抗震規(guī)范規(guī)定的彈性層間位移角[1/500]的限值[6],滿足規(guī)范要求。

圖6 不同方向地震作用下結(jié)構(gòu)層間位移

圖7 不同方向地震作用下結(jié)構(gòu)層間位移角

同理,對7度罕遇地震、8度罕遇地震兩種地震條件進(jìn)行上述分析也可得到與上述結(jié)論相同的結(jié)果,即上述結(jié)論在其他地震條件下也同樣適用。

4 結(jié) 論

(1)傳統(tǒng)的框排架結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜、空間性能差、力的傳遞路徑不明確、由于錯層的存在,短柱與異型節(jié)點常見;與之相比新的布置方式下結(jié)構(gòu)的各項性能都有了改進(jìn),從而抗震性能(包括主廠房的層間剪力、層間位移及層間位移角等)也較傳統(tǒng)的框排架結(jié)構(gòu)要好;

(2)用SAP2000有限元分析軟件對兩種不同布置形式進(jìn)行建模分析得:在多種地震作用下結(jié)構(gòu)的層間位移角都小于規(guī)范規(guī)定的限值,結(jié)構(gòu)的變形滿足要求。

(3)交叉布置方式與傳統(tǒng)的三連式的布置方式相比,結(jié)構(gòu)布置簡單;空間性能好;力的傳遞路徑明確,而且沒有錯層的存在,避免了短柱現(xiàn)象的發(fā)生。

(4)用交叉布置方式時,質(zhì)量和剛度分布較傳統(tǒng)的三連式布置方式均勻,扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對交叉布置方式的影響不如對三連式的布置方式的影響表現(xiàn)得那么強烈。

[1]文良謨.火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的回顧和展望[J].電力建設(shè),1998,(6):18-20,24.

[2]吳濤,白國良,劉伯權(quán).大型火力發(fā)電廠鋼筋混凝土框排架主廠房結(jié)構(gòu)抗震性能實驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2007,28(3):46-52.

[3]宋遠(yuǎn)齊,汪小剛,溫彥鋒,等.大型火電廠主廠房框排架結(jié)構(gòu)靜力彈塑性地震反應(yīng)分析[J].電力建設(shè),2009,30(5):59-62.

[4]劉大海,楊翠如.廠房抗震設(shè)計[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997.

[5]葛增茂.火力發(fā)電廠主廠房結(jié)構(gòu)形式和體系評述[J].電力建設(shè),1998,(6):15-17.

[6]GB50011-2001.建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2001.