某電廠鋼結構廠房的地震動力彈塑性分析

夏 偉 陳曉強

0 引言

相對而言,動力彈塑性時程分析需要較高的技術水平。電廠的建筑結構一般不會超過抗震規范[1]的相關限制,不需要進行罕遇地震驗算,動力彈塑性時程分析更為少見。事實上,對常見的電廠結構補充進行罕遇地震下的動力彈塑性時程分析,一方面可以使設計人員對自己的設計更有把握,另一方面也可以對結構進行優化設計,節約建筑材料;另外,基于性能的抗震設計理念已逐漸被接受,即將寫入抗震規范,動力彈塑性時程分析是實現性能化設計的基礎內容之一。本文以一電廠工程的某個鋼結構廠房為例,說明對電廠類建筑結構進行地震動力彈塑性分析的基本過程及結果分析。

1 工程概況

本工程是某電廠的輸煤綜合樓,建筑總長30 m,寬 22 m,高14.6 m。共有3層,1層為空壓機室,層高7.5 m;2層為電纜夾層,層高3 m;3層為配電室,層高4.1 m。端部2.7 m跨設置樓梯一部。工程所在場地土為中軟土,場地類別Ⅲ類,場地特征周期為0.65 s,設計基本地震加速度0.30g,屬于高烈度區。結構為鋼框架結構,樓板采用鋼梁—混凝土組合樓板;梁、柱均為Q345B鋼材,支撐采用Q235B鋼材。

2 計算方法及模型

建模時,對鋼材采用雙線性隨動強化模型和Von Mises屈服準則。彈性模量、屈服強度等參數根據鋼結構設計規范選用[3]。梁柱等均選擇Beam188梁單元,采用自定義截面,準確模擬構件實際幾何截面特性;樓板則采用Shell63殼單元。結構整體模型如圖1所示。

先進行模態分析,了解結構的整體振動特性,并根據結構的主要自振頻率范圍獲得動力彈塑性時程分析時結構的瑞利阻尼系數α,β[4]。注意,模態分析質量源為“1恒+0.5活”,不僅是結構自重。

根據模態分析結果,獲取結構的強軸、弱軸方向以及扭轉情況,確定動力彈塑性時程分析時地震波的輸入方向。時程分析中,根據規范要求[1],選取了三條地震波:兩條天然波,El Centro波及Taff波,信號主要周期成分介于 0.30 s與0.55 s之間;一條人工波,根據Vanmarcke等人的方法生成[5],周期成分包含從0.02 s到6.0 s。對每條地震波加速度進行調整,對應8.5度的罕遇地震,最大峰值加速度取5.1 m/s2。時間步長取0.02 s,計算801步共計16 s,其中第一步是重力作用下結構的響應,作為地震時程分析的初始條件。

3 結果分析

3.1 模態分析結果

結構前十階頻率及周期見表1;前三階振型均為整體模態:一階振型沿寬度方向(Y向)平動,二階振型沿長度方向(X向)平動,三階振型則是扭轉,由此可知,結構體系布置、整體剛度比較合理;結構整體剛度的強軸是X向,弱軸是Y向。考慮到扭轉振型出現得較早,采用雙向地震輸入,X向與Y向的地震最大峰值加速度比例取0.85∶1.0。

結構前三階周期介于0.1 s及場地特征周期(Tg=0.65 s)之間,對應地震影響系數曲線的最大值區段(平臺段)[1],又因地處于高烈度區,故地震作用對設計起控制作用。因此,一方面為保證結構安全,另一方面為結構優化設計(一般的設計計算為了保證地震作用下結構的安全性,可能過分加大了結構構件尺寸),本結構有必要補充罕遇地震下的動力彈塑性時程分析。

表1 結構前十階頻率及周期

3.2 動力彈塑性分析結果

整個地震作用過程中,不同地震波作用下結構最大位移及加速度見表2。總體上,本結構位移反應較小,X向最大位移為27.15 mm,Y方向最大位移為41.53 mm,弱軸位移響應略大于強軸。加速度反應較大,X向最大加速度響應達到15.20 m/s2,Y方向則為19.14 m/s2,相比輸入最大地震波峰值4.335 m/s2,5.1 m/s2,X向、Y向結構最大的動力系數達到了3.51,3.75,超過了規范反應譜中對應阻尼比0.05最大動力系數(平臺段)2.25,這是因為本結構基本周期小于場地的特征周期,輸入地震波中包含與此對應的主要周期成分,引起了結構共振。限于篇幅,這里僅選取代表性的結構頂部節點 A,畫出El Centro作用下Y向位移響應時程(見圖2)及Taff波作用下 Y向加速度響應(見圖3)。

表2 結構頂點 A位移、加速度響應最大值

三條地震波作用下結構層間位移角見表3,最大的層間位移角僅 1/313,遠小于抗震規范的限值1/50[1],因此,即使在罕遇地震作用下,結構仍具有很好的安全性。

考察三條地震波作用下結構構件的Von Mises塑性應變,該應變直接反映了構件各部分是否發生屈服(值是否大于0)以及屈服的程度。結果表明,僅有少數支撐發生屈服,絕大部分構件在罕遇地震作用下仍保持彈性。以人工波為例,僅①軸線這榀框架有三根支撐發生屈服,最大塑性應變僅有162×10-6,即162個微應變。

表3 結構層間位移角

上述分析結果表明,對于本結構而言,地震作用相當大,起控制作用,但是結構具有足夠的安全性,即使在罕遇地震作用下,絕大部分結構構件仍處于彈性狀態;結構層間位移角等指標遠低于抗震規范的限制。因此,本結構設計滿足安全性要求。

考慮到結構具有過高的安全性,可以對此設計進行一定的優化,既能保證安全,又能減少鋼材用量,降低造價,節約資源。

4 結語

有必要對電廠類建筑結構進行地震動力彈塑性分析,一方面可以保證結構在罕遇地震作用下具有足夠的安全性,同時又能在該分析的指導下進行一定的結構優化,減小建筑材料的用量,達到安全、經濟的目的。本文對一電廠的除灰輸煤綜合樓進行了罕遇地震下的非線性動力彈塑性時程分析,結果表明該結構偏于安全,可以進行一定程度的優化設計,減少用鋼量。

[1]GB 50011-2001,結構抗震設計規范[S].

[2]尚曉江,邱 峰,趙海峰,等.ANSYS結構有限元高級分析方法與范例應用[M].北京:中國水利水電出版社,2008.

[3]GB 50017-2003,鋼結構設計規范[S].

[4]克拉夫,彭 津.結構動力學[M].北京:高等教育出版社,2006.

[5]Vanmarcke,E.H.,Fenton,G.A.Conditioned simulation of local fields of earthquake ground motion[J].Structural Safety,Special Issue on Spatial Variation of Earthquake Ground Motion,1991(2):39-40.