不同支撐形式的型鋼混凝土閥廳抗震性能分析

程 亮，高 湛，吳必華，楊 超

（1．中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071；2．武漢理工大學(xué)道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070）

0 引言

由閥廳建造材料和結(jié)構(gòu)受力的不同，主要分為全混凝土結(jié)構(gòu)、全鋼結(jié)構(gòu)、鋼－鋼筋混凝土混合結(jié)構(gòu)三種結(jié)構(gòu)形式。其中全混凝土結(jié)構(gòu)在水平地震作用下表現(xiàn)不佳，因此高度較大的閥廳一般不予采用。全鋼結(jié)構(gòu)閥廳和混合結(jié)構(gòu)閥廳由于四面或三面為鋼柱，防火性能較差，特別是換流站閥廳存在特高壓電網(wǎng)，極易發(fā)生火災(zāi)，還有造價高，維護(hù)困難等問題。使用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)替代鋼－鋼筋混凝土混合結(jié)構(gòu)閥廳中的鋼結(jié)構(gòu)框架，可較好的解決上述問題。同傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)相比，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)有更大的剛度和強(qiáng)度，更好的局部和整體穩(wěn)定性，耐腐蝕和防火性能好，節(jié)約鋼材。同時，與全鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，這種結(jié)構(gòu)承載力和剛度大，具有更好的變形能力和延性，抗震性能優(yōu)越［1－3］。

閥廳結(jié)構(gòu)具有跨度大、結(jié)構(gòu)體型不規(guī)則的特性，在地震作用和自身設(shè)備等荷載作用下，整體結(jié)構(gòu)受力十分復(fù)雜，且兩種不同形式材料的特征對整體結(jié)構(gòu)也有一定的影響。此外，在不同的使用環(huán)境下，不同形式的支撐對結(jié)構(gòu)的動力特性也有影響。為此，為了更好的研究帶支撐的型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)在地震作用下的內(nèi)力和變形特征，采用動力時程分析對兩種典型的支撐閥廳的整體結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行分析，為進(jìn)一步推進(jìn)該結(jié)構(gòu)的使用打下良好基礎(chǔ)。

1 兩種支撐形式的整體模型的建立

依據(jù)實(shí)際工程，選擇某典型的混凝土閥廳，改為型鋼混凝土閥廳，其中結(jié)構(gòu)的尺寸為86．2 m×56 m，山墻高度為33 m，屋面采用鋼屋架與型鋼混凝土柱連接，二者的連接形式為鉸接［4］，屋架下弦距地面高度為26．05 m，上弦距地面高度為30．05 m。為較好的分析型鋼混凝土閥廳中設(shè)置不同類型支撐的影響，分別選擇X 形和人字形兩種形式的支撐結(jié)構(gòu)［5］，前者剛度較大可以抵抗較大水平荷載，后者則方便儀器設(shè)備和車輛通行，均有各自的優(yōu)勢，其在閥廳結(jié)構(gòu)的縱軸中的布置如圖1，圖2 所示。

圖1 閥廳結(jié)構(gòu)縱軸X 形支撐布置圖

圖2 閥廳結(jié)構(gòu)縱軸人字形支撐布置圖

采用SAP2000 建立了型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)的整體有限元模型。建模過程中采用框架單元模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)中的柱、梁和斜撐，對于非承重構(gòu)件，將其自重轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的集中力添加到結(jié)構(gòu)上，X 形和人字形兩種形式的支撐結(jié)構(gòu)的有限元模型可見圖3，圖4。

圖3 閥廳結(jié)構(gòu)縱軸X 形支撐布置圖

圖4 閥廳結(jié)構(gòu)縱軸人字形支撐布置圖

2 模態(tài)分析

模態(tài)是結(jié)構(gòu)的固有振動特性的研究，包含固有頻率、阻尼比和振型，是進(jìn)行動力特性和抗震分析的前提和準(zhǔn)備?；谲浖赜械摹百|(zhì)量源”特征，并考慮規(guī)范中對重力荷載代表值的定義，設(shè)定具體的“質(zhì)量源”。同時，考慮到結(jié)構(gòu)體系高階振型因衰減較快，導(dǎo)致對整體動力特性影響較小，為方便研究，僅考慮其前三階振型進(jìn)行分析，根據(jù)計(jì)算分析，得出其振型信息如表1 所示。

表1 模型整體振型方向及周期

由分析可知：兩種支撐形式的型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)的前三階振型分別為朝Y向（橫向） 平動、朝X向（縱向）平動、扭轉(zhuǎn)，這說明兩種形式的支撐作用下，結(jié)構(gòu)的整體剛度分布均較為均勻，結(jié)構(gòu)布置合理，也符合初步設(shè)計(jì)中整體結(jié)構(gòu)縱向剛度要比橫向剛度大這一特征。型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)自振周期隨著振型階次的增加而逐漸減小，振型剛度隨著振型階次的增加而逐漸增加。對比兩種形式的模態(tài)計(jì)算結(jié)果，X 形支撐的周期值均小于人字形的，與該形式結(jié)構(gòu)剛度大于人字形相符。綜合模態(tài)分析結(jié)果，該模型設(shè)置合理，可用于后續(xù)的動力時程分析。

3 多遇地震下的時程分析

時程分析法是對結(jié)構(gòu)動力方程直接進(jìn)行逐步積分求解的動力分析方法，可以得到質(zhì)點(diǎn)隨時間變化的動力響應(yīng)，并進(jìn)而求出構(gòu)件內(nèi)力的時程變化關(guān)系，是現(xiàn)階段對結(jié)構(gòu)抗震性能最為直接的分析方法?，F(xiàn)采用SAP2000 軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行時程分析，選取El-centro 地震波、Taft 地震波進(jìn)行計(jì)算，并且依據(jù)規(guī)范［6］要求選取了一條人工合成地震波（以下簡稱人工波） ，各波型加速度時程曲線分別如圖5 ～圖7 所示。

圖5 El-centro 波加速度時程曲線

圖6 Taft 波加速度時程曲線

圖7 人工波加速度時程曲線

將三條地震波的加速度峰值按照抗震設(shè)防烈度7 度，設(shè)計(jì)地震基本加速度0． 15g 的多遇地震調(diào)整為0．55 m/s2，采用單方向（X向） 輸入地震波，將各模型柱底剪力幅值進(jìn)行比較，如表2 所示。

表2 時程分析法和反應(yīng)譜法結(jié)構(gòu)柱底剪力幅值比較

表2 中β表示時程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的比值，γ表示多條時程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的比值。其中反應(yīng)譜是基于GB 50010—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜，按抗震設(shè)防烈度7 度，設(shè)計(jì)地震基本加速度0．15g，場地類別Ⅲ類，設(shè)計(jì)地震分組為第二組計(jì)算的柱底剪力值。由表2 可知，選取El-centro 波、Taft 波和人工波時程曲線是符合規(guī)范［6］要求的。

通過動力時程分析，獲得了兩種不同結(jié)構(gòu)形式在7 度0．15g 的多遇地震作用下柱底剪力（見表2） ，其剪力滿足結(jié)構(gòu)的抗剪設(shè)計(jì)要求。兩種形式的結(jié)構(gòu)的最大層間位移分別為0．19 m 和0．17 m，而結(jié)構(gòu)的總高為26．05 m，因而層間位移角分別為1/1 372 和1/1 532，均遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)位移角要求，從而說明配有此兩種形式支撐的型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)在地震作用下變形性能良好，能滿足一般閥廳的抗震要求。利用反應(yīng)譜法計(jì)算得到的人字形支撐的基底剪力值與人工波得出的相近，而X 形支撐的反應(yīng)譜結(jié)果則與El-centro 波作用下接近，但整體差值符合分析要求。兩種支撐的抗側(cè)對比發(fā)現(xiàn)，X 形支撐的抗側(cè)能力更強(qiáng)，在滿足工藝和建筑要求的前提下，采用X 形支撐能提供更好的抗震性能。

4 結(jié)論

本文選取某實(shí)際的混凝土閥廳結(jié)構(gòu)為原型，在將其改進(jìn)為型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)后，利用有限元分析軟件SAP2000，建立了兩種典型形式（X 形和人字形） 支撐的型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)整體有限元模型，對其進(jìn)行動力時程分析，主要結(jié)論如下：

1） 由模態(tài)分析可以得出結(jié)構(gòu)的前三階振型和自振周期，其中前兩階振型為平動，第三階為扭轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)體系的布置滿足一般設(shè)計(jì)要求。同時結(jié)構(gòu)剛度和周期也符合預(yù)期分析，表明整體結(jié)構(gòu)模型建立合理，選擇的地震波滿足規(guī)范的選波要求，可以利用此整體模型和地震波進(jìn)行動力時程分析。

2） 選用El-centro 波、Taft 波和人工波對閥廳結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動力時程分析，獲取其柱底剪力和位移變形，兩種地震波作用下，兩種不同形式支撐的型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形均滿足設(shè)計(jì)要求，顯示出帶支撐的型鋼混凝土結(jié)構(gòu)良好的抗震性能，可以作為主要結(jié)構(gòu)形式用于閥廳的使用。

3） 不同地震波作用下兩種形式的支撐計(jì)算得出的剪力值，與反應(yīng)譜計(jì)算得出的有所差別，但均滿足分析要求，也均顯示了良好的抗震性能，顯示出兩種支撐對抗側(cè)和抗震的作用。X 形支撐的抗側(cè)及抗震能力更強(qiáng)，在滿足工藝要求的前提下，采用X 形支撐能提供更為良好的抗震能力。