空間鋼桁架傘撐空冷支架結構多維地震反應分析

趙立濤,李曉文,代慧娟

(西安建筑科技大學土木工程學院,陜西西安 710055)

空間鋼桁架傘撐空冷支架結構多維地震反應分析

趙立濤,李曉文,代慧娟

(西安建筑科技大學土木工程學院,陜西西安 710055)

針對火力發電廠機組容量的不斷增加,鋼桁架管柱空冷支架結構在高烈度區已很難滿足結構性能要求的實際情況,提出了一種新的結構形式—空間鋼桁架傘撐空冷支架結構,以此建立空間有限元模型分析結構的動力特性。在三條地震波輸入下,分別計算結構的層位移、層間位移角及層剪力,對比雙向水平地震動和多維地震動的計算結果,提出結構扭轉作用比及考慮扭轉地震動作用的調整系數。考慮到扭轉地震動對結構的影響,建議對水平地震動計算得到的地震作用乘以增大系數。

空間鋼桁架傘撐空冷支架結構;多維地震動;扭轉效應;調整系數

地震作為一種嚴重的自然災害,給人類社會造成了巨大的損失。理論研究與震害經驗表明,地震時的地面運動是一種復雜的多維運動,包括平動分量和轉動分量。結構在單維和多維地震作用下的反應不同,特別是對一些大跨度空間結構,平面布置及荷載分布往往存在偏心,地震時結構將產生明顯的平扭耦聯空間振動,嚴重影響其抗震性能。因此,結構抗震分析時只考慮單分量地震作用是不夠的,還應考慮多分量地震作用對結構的影響。

空間鋼桁架傘撐支架結構(見圖1)沿用了傳統空冷支架結構的結構布置形式,即下部為鋼筋混凝土管柱,上部為交叉鋼桁架,其中,在管柱與鋼桁架之間增設了兩方向正交的斜向鋼支撐,以增強結構整體側向剛度,降低結構變形。從整體布置來看,該結構仍屬于豎向鋼-混凝土混合結構。結構質量與剛度沿豎向分布嚴重不均勻,上柔下剛,致使結構平動振型與扭轉振型耦合作用明顯。本文以單機容量1 000 MW機組空冷支架結構為例,重點研究結構在多維地震動作用下的地震反應。

1 工程概況

該機組混凝土管柱采用5 m×5 m布置,柱網尺寸為22.78 m×22.36 m,外徑為4 m,壁厚為0.4 m,總高度為50 m;鋼桁架平臺高5 m,平臺在垂直A型架方向懸挑11.39 m,在順A型架方向懸挑11.18 m;平臺四周懸挑1.5 m寬的走道;沿走道四周布置豎向擋風墻,高度為11 m。

材料參數:管柱混凝土采用C40,彈性模量E=3.25×104N/mm2,泊松比 υ=0.20,材料密度 ρ=2450 kg/m3;桁架上下弦采用寬翼緣H型鋼,腹桿采用熱軋無縫鋼管,斜撐采用方鋼管,彈性模量E=2.00×105N/mm2,泊松比 υ=0.30,材料密度 ρ=7849 kg/m3。

2 結構動力特性分析

SAP2000程序[1]中提供了兩種模態分析方法:特征向量法和Ritz向量法。對于大型結構,特征向量法需要較長的計算工作,而Ritz向量法則忽略不參與動態響應的振型,僅計算對結果精度有增進的振型。因此,基于一個與特定荷載相關的Ritz向量法比基于同樣數量的自由振動振型,能得到更精確的結果。本文在分析時采用Ritz向量法,其中,結構阻尼比參考文獻[2]采用0.035。

2.1 計算模型

本文采用SAP2000有限元軟件進行結構計算分析。考慮到結構形式的復雜性,將原型結構進行適當的簡化:(1)將實際結構中的構件簡化為空間桿單元,即空冷島平臺、A型架、管柱以及擋風墻簡化為三維空間桿單元,考慮軸向和剪切變形;(2)將凝汽器管片以荷載形式加于A型架相應位置;(3)A型架與上部鋼平臺的連接剛性較弱,在有限元模擬時采用鉸接。將離散化的桿單元通過程序自動形成的節點進行連接,從而生成整體三維有限元空間計算模型見圖2。

圖1 空間鋼桁架傘撐支架結構

圖2 有限元計算模型

2.2 動力特性分析

結構自振特性計算結果見表1。結構第一周期為1.293 s,為扭轉振型;第二振型主振動方向沿結構Y向平動,伴隨有扭轉振動;第三振型為結構X向平動,伴隨有扭轉振動;從第四振型開始,結構的周期、頻率發生突變,振型主要表現為從前三階的整體平動或扭轉變為鋼桁架平臺平面內外的振動,同時還存在A型架沿其方向及垂直方向的相互交錯振動,在鋼桁架平臺的懸挑端,豎向振動明顯。結構前三階振型見圖3。

表1 空冷支架結構動力特性

圖3 空間鋼桁架傘撐空冷支架結構的前三階振型

文獻[3-4]的研究結果表明,當扭轉為主的振型周期Tt與平動為主的振型周期T1之比小于0.5時,相對扭轉振動效應 θr/u(θr表示由于扭轉產生的離質心距離為回轉半徑處的位移,u為質心位移)較小,結構抗震設計時可不考慮其影響。由表1可知,以扭轉為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比(1.024)遠大于0.5,也大于《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2002)[5]對A級高度高層建筑不應大于0.9的規定,可見,該結構的抗扭剛度偏小,耦聯振動反應對結構扭轉效應有明顯的放大作用。

3 結構的動力響應

3.1 地震波的選取

(1)地震波水平分量

根據《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)[6]第5.1.2條第三款規定,選取適宜中軟到中硬場地的兩條實際強震記錄EL-Centro波、Taft波和一條由Chichi波改造的人工波,地震波持續時間為30 s,加速度峰值按保持波形不變等比縮至70 gal。

(2)地震波扭轉分量

根據彈性波動理論[7],采用Matlab軟件編制合成地震波扭轉分量的運算程序,由峰值統一折減到70 gal的地震波平動分量得到其扭轉分量。

彈性時程分析時,地震波按結構雙向輸入,兩個主方向地震加速度的最大值之比為1∶0.85,取其包絡值。考慮到在地震過程中扭轉分量地震波對結構的影響,將對結構同時輸入合成的地震波扭轉分量,計算結構在多維地震動作用下的反應值,并將其結果與雙向水平地震動的計算結果進行對比,以得出地震波扭轉分量對結構的影響程度。

3.2 雙向地震動作用下的結構響應

空冷支架結構本身并沒有層,但為便于分析,參考文獻[8]水平振動測試時測點布置位置,本文取柱中部、管柱與斜向支撐交叉點、柱頂、鋼桁架平臺頂、A型架頂等處作為計算結果取值標高以分析空間鋼桁架傘撐支架結構的地震反應。

水平地震作用下結構縱、橫向的側移反應基本一致。由于A型架抗側移剛度突變,地震作用下A型架頂側移出現了外拋現象,縱向地震作用下更嚴重,其中,55 m標高處即鋼架平臺頂部的層間位移角最小,表明平臺自身剛度很大,近似平動變形。多遇地震作用下,空間鋼桁架+傘撐空冷支架結構變形介于框架結構和剪力墻結構之間,其整體變形呈彎剪型如圖4(a)、4(b)所示,結構下部變形趨于彎曲變形,上部變形接近剪切變形。空冷支架結構縱、橫向最大層間位移角均發生在斜向支撐設置處,縱向最大層間位移角為1/1612,橫向最大層間位移角為 1/1605,如圖 4(c)、4(d)所示。

圖4 雙向地震動作用下結構縱(X)、橫(Y)向層位移和層間位移

3.3 多維地震作用下的結構響應

多維地震作用下結構的變形趨勢與雙向水平地震作用基本一致,但相應標高處的位移幅值變大,說明扭轉地震動僅引起量值的變化并不改變結構的變形形式。與規則結構顯著不同的是該結構的扭轉變形比較大,且不均勻,鋼桁架平臺的扭轉變形明顯大于管柱的扭轉變形,主要原因是由于結構豎向布置在柱頂處發生了改變,柱頂連接比較薄弱,增加了上部結構的扭轉變形。計算結果見圖5、圖6。

3.4 結構多維地震反應分析

為衡量扭轉地震動對結構響應影響的大小,定義相對變化量,即多維地震動作用下模型的最大水平側移值B或層間位移值D減去雙向水平地震動作用下的最大水平側移值A或層間側移值C,除以雙向水平地震動作用下模型的最大水平側移值A或層間側移值C,稱為最大水平側移扭轉地震動作用比AB或層間側移扭轉地震動作用比CD。

圖5 多維地震作用下結構縱(X)、橫(Y)向層位移和層間位移角

圖6 結構扭轉角和相對扭轉角

本文參考文獻[9],采用每個取值標高處最大水平側移(每個取值標高處各節點位移的最大值)及層間側移(相鄰取值標高處兩節點位移差的最大值)作為變量,以相對變化量來衡量扭轉地震動作用的大小。對于空間鋼桁架傘撐空冷支架結構,分別取其在EL-Centro、Taft、Chichi三條地震波作用下的每個取值標高處最大水平側移值和層間側移值,比較其雙向水平地震作用與多維地震動作用的差別。計算結果見表2、表3。

表2 結構層位移比較 單位:mm

表3 結構層間位移比較 單位:mm

由于扭轉地震動作用的影響,導致結構的地震反應差別顯著,雙向水平地震動作用下的層位移和層間位移均小于多維地震動作用下的結果。由表2、表3可知,結構層位移的扭轉作用比在各個標高處基本相同,而層間位移的扭轉作用比在鋼桁架平臺頂處最小,其余四個標高處比較接近。除鋼桁架平臺頂處的扭轉作用比有波動外,其余各標高處的扭轉作用比均在20%以上,可見扭轉地震動對結構反應的影響非常明顯。

地震動中不僅含有平動分量,還包括扭轉分量。因此,僅由水平地震動計算出的結構內力會偏小,需要乘以一個增大系數,這個系數就是結構多維地震作用調整系數。根據水平地震動與多維地震動計算的層剪力,可計算出考慮扭轉地震動作用的調整系數,即多維地震動剪力值與水平地震動剪力值之比。不同地震波作用下的多維地震作用調整系數見圖7。由圖7可見,不同地震波各層多維地震作用調整系數都不超過1.3,因此,可將結構的多維地震作用調整系數取為1.15。

圖7 多維地震作用調整系數

4 結論及建議

(1)模態計算結果表明,結構第一振型為整體扭轉振型,以扭轉為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比為1.024,遠大于0.5,結構整體抗扭剛度偏小。

(2)該結構平面布置較為對稱,因此,無論是水平地震動還是多維地震動,結構縱、橫向的側移反應基本一致,結構下部變形趨于彎曲變形,上部變形接近剪切變形,整體變形呈彎剪型。同時,由于A型架抗側移剛度突變,地震作用下A型架頂側移出現了外拋現象。

(3)多維地震動作用下結構的扭轉變形比較大,且不均勻,鋼桁架平臺的扭轉變形明顯大于管柱的扭轉變形,主要原因是由于結構豎向布置在柱頂處發生了改變,柱頂連接比較薄弱,增加了上部結構的扭轉變形。

(4)扭轉地震動作用下,在結構中會產生基底反力,這主要是由于結構并未達到理想狀態的無限剛,同時該結構的各振型耦合作用明顯,扭轉波會激起結構的水平地震反應。

(5)時程計算結果表明,扭轉地震波對結構的影響較為顯著,這是由空冷支架結構的抗扭剛度小造成的。結構設計時,若不考慮扭轉地震動的影響,則建議對水平地震動計算得到的地震作用乘以1.15的增大系數。

[1]北京金土木軟件公司.SAP2000中文版使用指南[M].北京:人民交通出版社,2006:287-289.

[2]白國良,李曉文,李紅星,等.空冷凝汽器系統支架結構體系研究報告[R].西安:西安建筑科技大學,2005:45.

[3]徐培福,黃吉鋒,韋承基.高層建筑結構在地震作用下的扭轉振動效應[J].建筑科學,2000,16(1):1-6.

[4]徐培福,黃吉鋒,韋承基.高層建筑結構的扭轉反應控制[J].土木工程學報,2006,39(7):1-8.

[5]中華人民共和國建設部.JGJ3-2002.高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京:中國建筑工業出版社,2002.

[6]中華人民共和國住房和城鄉建設部,中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB50011-2010.建筑抗震設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2010.

[7]李宏男.地震動轉動分量及有關的結構反應分析[J].世界地震工程,1989,(4):44-51.

[8]蘇寧粉,白國良,付 昊,等.空氣冷凝汽器支架結構體系動力特性及周期計算公式研究[D].西安:西安建筑科技大學,2007:15.

[9]Moss Peter J,Carr Athol J.The effects of large displacements on the earthquake response of tall concrete frame structure[J].Bulletin of the New Zealand National Society for Earthquake Engineering,1980,13(4):320-371.

Analysis on Multi-dimensional Seismic Response of Space Steel-truss Steel-brace Air-cooling Condenser Structure System

ZHAO Li-tao,LI Xiao-wen,DAI Hui-juan
(College of Civil Engineering,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an,Shaanxi710055,China)

As the increasing of the unit capacity in a power plant,the steel-truss RC pipe-column air-cooling condenser structure system in a high seismic intensity zone could not match the request of structure capability,so a new structural system—the space steel-truss steel brace air-cooling condenser stucture system is brought up as a solution.Here taking the space steel-truss steel-brace air-cooling condenser structure system asa research objecct,a space finite element model is built to analyze its dynamic properties.Its layer displacement,inter layer displacement angle and layer shear are calculated under three seismic waves respectively,the calculation results of two-direction level seismic-wave with multi-dimensional seismic-wave are compared,then,the torsional earthquake effect ratio and adjusting coefficient are suggested.Considering the impact of torsional seismic-wave on the structure,it is recommended that the earthquake effect of two-direction level seismic-wave is multiplied by the earthquake amplification factor.

space steel-truss steel-brace air-cooling condenser structure system;multi-dimensional earthquake;torsional-seismic response;adjusting coefficient

TU375.5

A

1672—1144(2012)05—0004—05

2012-03-22

2012-04-28

國家自然科學基金面上項目(50978216)

趙立濤(1986—),男(漢族),河南三門峽人,碩士研究生,研究方向為鋼與混凝土組合結構及其抗震。