關于電廠鋼筋混凝土結構的研究

紀中山

(電力建設公司神華神東店塔電廠工程項目部,天津 300000)

1 前言

《建筑抗震設計規范》[1]中采用“二階段三水準設計”抗震設計方法，僅僅是以保證人的生命安全為單一設防目標，在罕遇地震作用下，只是避免主體結構發生倒塌破壞，從而保護人的生命安全。但對于大型火電廠主廠房這類特殊的工業建筑，由于另外設置控制室，人員較少，主廠房內設備的價值遠遠超過結構本身的造價。主廠房結構在地震破壞中造成的經濟損失、次生災害以及社會影響，往往超出了業主和社會的承受能力。因此火電廠主廠房結構的抗震設計不僅要考慮保障人身安全，更要通過控制地震中重要設備的破壞所產生的經濟損失，保證結構使用功能的延續，從而達到業主提出的性能要求。

歷次地震震害表明，結構破壞倒塌的主要原因是變形過大，超過了結構構件能承受的塑性變形能力。在結構進入塑性后，決定結構破壞的主要因素是結構的位移反應，更合理的結構抗震設計方法應該是基于結構位移的抗震設計方法，因此對結構在大震作用下的變形驗算是非常必要的。目前，框架結構地震反應分析方法主要有兩種：彈塑性時程分析和靜力彈塑性分析。彈塑性時程分析是較為理想的非線性分析方法，且被認為是結構彈塑性分析的最可靠方法，但由于地震波和恢復力模型的選擇對時程分析結果影響很大，其應用受到了限制。而靜力彈塑性分析分析方法(簡稱Pushover分析)既考慮了計算的簡便性，又考慮了結構在地震作用下的非線性響應特性，是目前一種比較經濟可行的結構非線性分析方法。

2 靜力彈塑性分析研究現狀

近10多年來，自從基于性能的抗震設計理論提出后，各國都投入大量人力物力致力于這方面的研究。靜力彈塑性分析又稱Push-over analysis，是近年來得到國內外學者大力推廣的一種非線性靜力抗震分析方法。在抗震工程中對靜力彈塑性分析方法的使用最旱要追溯到Gulkan和Sozen所做的工作，他們用等效單自由度來代替多自由度結構。Freeman等人在靜力彈塑性分析基礎之上提出了對結構進行靜力彈塑性分析的能力譜方法，后來經過不斷地完善和改進，成為結構靜力彈塑性分析的重要方法之一。Saiidi等依據動力理論把多自由度體系轉化為等效單自由度體系來進行結構的非彈性地震反應的研究，為靜力彈塑性分析方法的研究和應用起到了推動作用。該方法目前只適用于中低層的規則建筑物，對于較高的建筑物，由于高振型的影響不可忽視，因而Sasak取結構的前幾階振型來確定荷載的分布形式。

與國外相比較，我國對Push-over分析方法的研究工作開展較少。近年來Push-over在國內也開始得到了重視，其中主要體現在我國的建筑抗震設計規范，我國的《建筑抗震設計規范》[1]第3.6.2條規定“不規則且具有明顯薄弱部位可能導致地震時嚴重破壞的建筑結構，應按本規范規定進行罕遇地震作用下的彈塑性變形分析，此時可根據結構特點采用靜力彈塑性分析或彈塑性時程分析方法”。其中的靜力彈塑性分析方法就是指Push-over分析方法。

3 鋼筋混凝土框排架結構的研究現狀

自唐山地震以后，我國學者對火力發電廠鋼筋混凝土框排架結構開始進行深入的分析與研究。國家地震局工程力學研究所李樹禎等對八十年代建成投產的五座300MW機組的橫向單榀鋼筋混凝土框排架結構進行彈塑勝動力時程分析，計算結果表明：常規設計方法設計的主廠房結構基本滿足抗震設防的要求，但各自的抗震可靠度各異。強震下個別構件可能嚴重破壞，整體廠房還做不到“強柱弱梁”。西北電力設計院的洪柏年等對已建成的某電廠主廠房鋼筋混凝土框排架結構進行彈塑性動力時程分析，研究結果表明：按規范計算的結果并不一定保證該類結構達到抗震目的，建議對主廠房應盡量做到質量、剛度分布均勻。西安建筑科技大學對600MW機組發電廠主廠房按1/7取三跨三榀鋼筋混凝土框排架子空間模型，進行模型結構動力特性試驗，研究了結構在水平地震作用下的受力特點、結構的薄弱環節及薄弱層以及框排架協同工作性能等。研究結果表明：該類結構存在明顯的薄弱層，主要的薄弱環節在上部變截面處和異型開動節點處。

4 靜力彈塑性分析方法

靜力彈塑性分析是一種結構非線性地震反應的簡化方法，易為廣大工程人員接受[2]。作為一種新型的結構抗震能力評估手段，靜力彈塑性分析方法近年來在國內外得到廣泛的應用。該方法是逐步對結構施加一定分布形式的側向荷載，隨著側向荷載的增加，使得部分構件依次進入塑性狀態，出現塑性鉸，直到結構喪失穩定或位移達到限值。這種方法最根本的特征是用靜力荷載描述地震作用，在地震作用下考慮結構的彈塑性性能，可以對關鍵單元或重要構件的變形做近似估計，發現一些設計中潛在的不利因素，如強度或剛度突變等；找到結構可能發生突變的部位，以及結構的傳力途徑、構件塑性鉸的發展和屈服次序等。

能力譜方法(Capacity Spectrum Method)在實現基于結構性能抗震設計理論中主要體現在對結構抗震性能的評估上。能力譜方法實質上是通過地震反應譜曲線和結構能力譜曲線的疊加來評估結構在給定地震作用下的反應特性。評價結構的耐震性能和性能水準時會使用能力譜和需求譜的概念。通過Pushover分析將獲得荷載－位移關系(V-U)，響應譜也可獲得加速度－周期(A-T)的相關關系。為了比較兩個譜，需要將其轉換為加速度－位移譜。如果結構的位移在目標性能范圍內，則繼續評價各構件的性能。

5 結論

像火電廠主廠房這類鋼筋混凝土框排架結構的質量、剛度分布不均勻，基于性能的抗震設計方法，利用靜力彈塑性分析評估其抗震性能，保證結構在大震作用下不倒塌，將有重要的價值和意義。

[1]建筑抗震設計規范(GB 50011-2001).北京:中國建筑工業出版社,2001

[2]葉燎原,潘文.結構靜力彈塑性分析(push-over)方法的原理和計算實例.建筑結構學報,2000(2):37~43