汶川地震鋼混框排架主廠房反應特性分析

賈立哲，陳德珅

汶川地震鋼混框排架主廠房反應特性分析

賈立哲，陳德珅

（哈爾濱工業大學土木工程學院，150090哈爾濱）

在對比El Centro波、Taft波、汶川-江油波等不同強震主廠房反應特性的基礎上，直接采用不同峰值的汶川-江油波開展動力彈塑性時程分析，探究主廠房這類典型結構在汶川這類特殊地震動下的響應特性和震損機理.結果表明：汶川-江油波作用下結構的響應偏小，但變化更不規律；主廠房能夠抵御遠超設防烈度的汶川-江油地震作用而不發生嚴重的失效破壞；結構扭轉效應顯著，煤斗層始終為結構薄弱層；框架部分剛度衰退快于排架部分，排架部分承擔總地震作用比例先提高后不變，總體比例處于較低水平，無法成為結構的第二道抗震防線；雖汽機房網架屋面不會因桿件強度破壞而垮塌，但由于支座處承受剪力巨大且變形過大，支座的率先破壞將引發屋蓋系統的失穩破壞；主廠房率先進入塑性的構件主要集中在底層和煤斗層，表現為明顯的“強梁弱柱”特點.

汶川地震；框排架；主廠房；屋蓋系統；地震反應

汶川地震震級大、震源淺、烈度高，釋放的能量特別大，破壞性極強.與一般點源地震動圓形衰減規律不同，其衰減特征為瘦長形衰減［1-2］，其加速度反應譜中長周期成分較多，持時特別長［3］，波及范圍特別廣，造成災難性的破壞.大型火力發電廠是重要的生命線工程，其核心主廠房為了適應生產工藝的要求，通常采用鋼筋混凝土框排架結構體系.由于結構的不規則性，在汶川地震中遭受了不同程度破壞，直接和間接損失慘重［4-5］.因此，研究鋼混框排架主廠房這類典型結構在汶川地震這類特殊地震動作用下的響應具有重要現實意義.現有研究中，吳濤等［6-7］對于鋼混框排架結構的設計方法、單雙向地震作用效應、子結構擬動力試驗、結構體系創新等方面進行了系統深入的研究，但未涉及該類結構在汶川強震作用下的反應特征.

本文基于ANSYS軟件首先通過對比不同強震作用下主廠房的變形和內力響應，揭示鋼混框排架主廠房這類典型結構在汶川地震動下的響應特性.然后直接采用江油地震臺記錄的地震動進行彈塑性時程分析，以期模擬主廠房在汶川地震中的真實受力狀態，通過對其位移反應、內力響應、框排架協同工作性、汽機房屋面網架的破壞情況及結構塑性發展情況的分析，以探究該類結構的震損原因.

圖1 原型主廠房結構布置（mm）

1 框排架主廠房結構模型

以單機容量600 MW的某已投產火電廠鋼混框排架主廠房為原型［7］，結構布置見圖1，橫向為框排架結構，縱向為框架-剪力墻和框架-支撐體系，工程按7度設防，8度抗震構造要求，汽機房屋面為變厚度雙面起坡網架，面板為現澆鋼筋混凝土板.選用BEAM188單元模擬框架梁、柱，按配筋面積相等的原則將鋼筋均勻分配在截面邊緣來模擬鋼筋混凝土組合截面；選用LINK8單元模擬汽機房網架，對于僅考慮受拉的支撐選用LINK10單元模擬；選用SHELL181單元模擬樓板、屋面板及剪力墻；選用MASS21單元模擬非結構構件的質量，將其分布到相應樓層上.混凝土和鋼材的應力-應變關系分別采用GB50010—2010《混凝土結構設計規范》［8］中分段式模型和理想彈塑性模型.

2 不同地震作用下主廠房地震響應

考慮到框排架結構抗震性能分析的普遍適用性，地震動選擇考慮Ⅱ、Ⅲ類場地條件，取El Centro波、Taft波、汶川-江油波三條實際地震動進行計算，地震動持時為20 s，按抗震規范調整有效峰值加速度至設防烈度7度（0.15 g）罕遇地震所對應的310 Gal.每條地震動水平加速度記錄中峰值較大的沿結構橫向、峰值較小的沿結構縱向，豎向加速度記錄沿結構高度方向同時輸入［9-10］.

2.1 位移反應

結構頂層縱橫向位移時程曲線見圖2，位移反應對比統計見圖3.可看出，結構位移反應相差較大，頂層縱橫向位移在不同時刻達到最大值，波形曲線形狀變化較大；El Centro波作用下結構橫向位移反應最為突出，Taft波作用下結構縱向位移反應最為突出，汶川-江油波作用下結構縱橫向位移反應相對較小，但排架柱橫向變形更不均勻.

圖2 不同地震動作用頂層位移時程曲線

圖3 不同強震作用結構位移反應對比統計

2.2 內力響應

框架部分層間剪力及排架柱剪力對比統計見圖4，總體上汶川-江油波作用下結構內力響應較其他波小，但框架底層橫向層間剪力大于其他強震作用的情況，結構均在第四層煤斗層發生突變，煤斗層始終為結構薄弱層；排架柱剪力始終為Taft波作用時最大，El Centro波作用時次之，汶川-江油波作用時最小，頂層與底層排架柱剪力差別相比中間位置大，由于汽機房采用面內剛度較大網架上覆鋼筋混凝土板的形式，水平地震作用通過支座直接傳遞到柱頂，故排架柱頂層剪力較中間部位大.

圖4 不同地震動作用結構各層剪力對比統計

3 汶川地震主廠房地震反應分析

3.1 位移反應

以汶川-江油實際地震動為激勵，對比分析峰值加速度為小震55 Gal、大震310 Gal和實際地震511 Gal時，結構框架部分縱橫向的層位移、層間位移角及排架柱柱頂縱橫向位移見圖5.從圖中可看出:結構縱橫向位移反應相差明顯，橫向較縱向位移反應大得多.由于結構橫向的不規則性問題較縱向突出，地震作用引起結構薄弱部位變形集中，率先進入塑性受力狀態，甚至提前發生破壞.中國抗震規范［11］要求鋼筋混凝土框架-抗震墻結構彈性及彈塑性最大層間位移角應分別小于1／800和1／100，橫向層間位移角曲線在第四層煤斗層位置位移角有明顯突變，彈性階段結構最大層間位移角為1／1 299，彈塑性階段結構最大層間位移角為1／214，均能滿足規范要求.隨著地震作用的增大，排架柱橫向變形不均勻程度增加，這種趨勢加劇了屋蓋系統扭轉效應，對屋蓋系統支座受力極為不利.

3.2 內力響應

框排架主廠房模型框架部分層間剪力分布、排架柱各層剪力分布見圖6.層間剪力最大值都出現在煤倉間第四層煤斗層，由于煤斗大梁為大尺寸深梁，局部剛度、質量過分懸殊，在層間剛度分配中容易吸收較大地震作用，在設計驗算中應予以足夠重視.由于排架柱縱向靠連梁和柱間支撐連成一體，剛度較排架橫向平面外剛度大得多，排架柱縱向剪力明顯大于橫向剪力；屋蓋系統水平地震作用由支座直接傳遞到排架柱柱頂，故排架柱上部剪力較中間部位大，如果支座強度或構造不滿足要求將率先破壞，危及屋蓋整體安全.

圖5 不同強度地震動作用結構位移反應對比統計

圖6 不同強度地震動作用結構各層剪力對比統計

3.3 框排架協同工作性能

鋼混框排架結構在遭受地震作用時，框架部分與排架部分按剛度比和變形協調條件分配地震作用.在端部設有剪力墻的鋼混框排架結構中，剪力墻能夠吸收縱向結構體系90%以上的地震剪力，分析中只考慮框排架柱的基底剪力.不同峰值加速度的汶川-江油波作用下，排架承擔的地震剪力與基底總剪力之間統計關系見圖7（a）、（b）.在結構彈性階段，各模型中排架承擔的縱、橫向地震剪力分別占結構基底縱、橫向總剪力的18.99%和4.02%；隨著地震動峰值加速度的提高，框架部分剛度退化快于排架部分，在罕遇地震作用下，排架部分承擔的縱橫向地震作用占總地震作用的比例較多遇地震時均有提高，分別提高到24.07%和4.63%，但進入塑性階段后比例基本不變，分別為24.19%和4.69%.各排架柱承擔縱橫向剪力與所在軸線基底總剪力比見圖7（c）、（d），由圖中結果可知，排架柱縱向剪力與相應軸線基底剪力的比例明顯大于橫向，①、②和⑦、⑧軸線排架柱縱向剪力占所在軸線總剪力比例低于其他軸線，主要由于該處設有剪力墻，與剪力墻相連的框架柱剪力較大，①、②和⑦、⑧軸線總剪力明顯大于其他軸線.結構在塑性階段，框架與排架塑性內力重分布不明顯，總體上排架部分仍處于較低水平，幾乎無法起到繼框架-剪力墻之后第二道抗震防線作用.

3.4 汽機房屋面網架破壞分析

通過構件強度驗算和整體變形驗算來評估屋蓋系統的地震安全性.由于罕遇地震屬于偶然荷載，構件截面強度驗算及結構變形驗算均采用重力荷載和罕遇地震作用組合的標準值.構件強度驗算以應力比為衡量指標，構件驗算應力值與材料設計應力之比為構件應力比，其表達式為

式中:N為構件軸力，φ為軸心受壓構件穩定系數，其值按GB50017—2003《鋼結構設計規范》要求計算（受拉構件φ=1.0），A為構件截面面積，f為鋼材屈服強度設計值，屋架結構鋼材為Q235級，屈服強度設計值取215 MPa.

圖7 不同強度地震動作用框排架承擔縱橫向剪力情況統計

網架屋面超限桿件（應力比大于1.0）應力比云圖及其統計圖見圖8（a）、（b）.應力比云圖為正放四角錐網架水平投影圖，水平和豎直桿件為上、下弦桿，傾斜桿件均為腹桿.從圖8（a）可看出，網架超限桿件總數為238根，占桿件總數比例達到8.85%，超限桿件大部分為腹桿，少量弦桿超限破壞，主要受力桿件應力水平仍在安全范圍內，網架屋面體系因桿件強度破壞而導致整體垮塌的可能性較小.但由于屋蓋系統采用無檁體系，鋼筋混凝土板直接鋪設在支撐系統上弦，對上弦桿件起到有利保護作用.在極罕遇地震作用下，如果屋面板由于連接失效等原因破壞后，結構上弦桿件應力水平將迅速升高，還將有部分上弦桿件發生強度破壞.

網架屋面總位移極值云圖見圖8（c）.圖中上部深色位移值最小，圖右側灰色位移值最大.由計算結果可知:屋蓋整體位移極值發生于邊榀排架柱支座處，其值為0.164 m，橫向位移極值亦為該處值為0.151 m，排架柱支承側縱向位移明顯大于框架柱支承側，其最大值為0.063 m，扭轉變形趨勢相當明顯.豎向位移極值發生于邊跨跨中，其值為0.078 m.網架屋面排架柱頂支座附近位移極為不均勻，兩端支座位移大于中間支座，支座平面扭轉效應顯著.網架支座為平板壓力支座，連接螺栓為4M24（8.8級普通螺栓），支座抗剪承載力為451.8 kN.本文計算得出網架支座承擔最大地震剪力高達975 kN，超出其抗剪承載力一倍以上，因此強度或構造不滿足要求的支座必然率先發生破壞，改變了網架原有的受力狀態，最終導致了屋蓋系統失去穩定直至垮塌.這在一定程度上證明了汶川地震中江油電廠汽機房網架屋面的破壞原因.

圖8 網架屋面強度校核和整體變形

3.5 結構塑性發展情況

以時間間隔0.02 s的汶川-江油實際地震動作為激勵，定性研究主廠房結構構件應力變化發展順序，借此判斷結構中的薄弱構件.由于構件處于復雜應力狀態，取Von Mises應力作為衡量指標.

不同時刻結構應力分布情況見圖9.在瞬態分析初期所有構件均未出現較大的應力區域；隨著加載的持續進行，1.76 s時刻底層柱底、煤倉間大梁梁柱節點、除氧間大梁梁柱節點逐步出現應力集中的現象；在3.66 s時刻，結構底層及關鍵梁柱節點區應力區域逐步擴大，剪力墻、煤斗層柱端及排架柱柱底應力逐步提高；在8.08 s時刻，與剪力墻相連的框架柱底層柱端及煤斗層梁柱節點區應力水平提高較快，結構兩端邊榀構件應力明顯大于相應中間榀構件，柱尤其是梁柱節點部位應力水平明顯高于梁；隨后加載至12.44 s時，煤斗層柱端、除氧器大梁梁柱節點、排架柱柱底應力水平顯著提高，剪力墻與框架交接處應力水平高于墻身內部；隨著時間推移到19.62 s時刻，原有高應力區域逐步擴展.

圖9 不同時刻結構應力分布云圖（未顯示樓板與屋面板）

端部設有剪力墻的鋼混框排架結構體系在汶川-江油實際地震動作用下，主體結構安全性是能夠得到保證的.由于結構錯層、局部縮進等特殊構造，各層間豎向承載力變化較大，各層破壞程度差異明顯，底層和煤斗層構件應力明顯高于其他部位.由此上述分析可定性判斷此類結構總體上的屈服順序:與剪力墻相連的框架柱底端-煤倉間大梁、除氧間大梁梁柱節點區-煤倉間大梁所在的第四層柱端-框架主梁、底層其他柱柱底-剪力墻與框架交接處，表現為明顯的“強梁弱柱”特點.為滿足煤斗層的特殊工藝要求，煤斗大梁寬700 mm，高3 600 mm，跨度12 m，跨高比小于5，屬深受彎構件，在層間剛度分配中，由于剛度過大在地震過程中承擔了絕大部分的層間地震作用，并通過梁柱節點傳遞給相鄰的框架柱，“塑性鉸”難以在梁上形成，梁柱節點及柱端位置成為薄弱環節.

中國建筑抗震設計通常強調“強柱弱梁、強節點弱構件”［11］，保證結構的屈服順序為“先梁后柱再節點”，使結構在地震作用下能夠反復吸收、耗散地震能量，不至于在短時間內形成破壞機構.而鋼混框排架結構的屈服順序顯然不能滿足要求，結構薄弱層為結構底層和煤斗層，但由于整體結構剛度大、安全儲備極高，在極罕遇地震中主體結構仍能保證安全.汶川地震中江油電廠震害也證明了這一點:主體結構基本安全，除汽機房屋面垮塌和填充墻大量破壞外，結構底層柱混凝土剝落鋼筋外露，部分支承梁的牛腿局壓破壞，部分梁柱節點開裂嚴重.

4 結 論

1）與El Centro波、Taft波相比，汶川-江油波作用下結構的位移響應和內力響應偏小，但其變化趨勢更不規律.

2）框排架主廠房能夠抵御遠超設防烈度的實際汶川地震作用而不發生嚴重的失效破壞.結構扭轉效應顯著，煤斗層始終為結構薄弱層.隨地震作用增大排架柱橫向變形不均勻程度增加，加劇了屋蓋系統扭轉效應，對屋蓋支座受力極為不利.

3）隨地震動峰值提高，框架部分剛度衰退快于排架部分，排架部分承擔總地震作用比例提高.但結構進入塑性階段后，排架部分承擔總體地震作用的比例幾乎不變，總體比例處于較低水平，無法成為繼框架-剪力墻之后的第二道抗震防線.

4）汽機房屋面網架強度超限桿件比例為8.85%，大部分為次要受力桿件腹桿，不會因大量桿件強度破壞而導致屋蓋整體垮塌.但網架支座處承受剪力最大值超出其抗剪承載力一倍以上，加之屋蓋扭轉導致支座變形過大，強度或構造不滿足要求的支座率先破壞，將引發屋蓋系統的失穩破壞.從數值模擬的角度給出了汶川地震中江油電廠汽機房網架屋面的垮塌原因.

5）主廠房結構各層破壞程度差異明顯，底層和煤斗層構件應力明顯高于其他部位.定性分析此類結構的屈服順序為:與剪力墻相連的框架柱底端-煤倉間大梁、除氧間大梁梁柱節點區-煤倉間大梁所在的第四層柱端-框架主梁、底層其他柱柱底-剪力墻與框架交接處，表現為明顯的“強梁弱柱”特點.

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［11］GB50011—2010建筑抗震設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2010.

（編輯 趙麗瑩）

Seismic response characteristics for R.C.frame-bent main building under Wenchuan earthquake

JIA Lizhe，CHEN Deshen
（School of Civil Engineering，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China）

The responses of main building under different strong earthquakes，such as El Centro，Taft，Wenchuan-Jiangyou were compared，and dynamic time history analysis based on Wenchuan-Jiangyou record with different peak values was used to reveal the damage mechanism of this typical structure.The results indicate that the response of Wenchuan-Jiangyou record is the smallest，but variability is the biggest. Wenchuan earthquake，which is more than design intensity，does not cause serious damage of main building. The torsional effect is remarkable，and coal scuttle layer is always weak layer.The stiffness degradation of frame is faster than the bent part，and the proportion of bent part within total earthquake action is enhanced firstly and then remains same.But the overall proportion is still in low level and bent part is unable to become the second resistance component.Although space grid roof system in turbine hall does not collapse because of strength failure of components，the bearing carries over huge shearing force with oversized distortion，and the failure of bearing will lead to collapse of roof system.Plastic deformations mainly concentrate in the first floor and coal scuttle layer，and“strong beam and weak column”are exposed.

wenchuan earthquake；frame-bent structure；main building；roof system；seismic response

TU375

A

0367-6234（2014）06-0008-06

2013-07-13.

國家自然科學基金資助項目（51008100）；

中國博士后科學基金特別資助項目（201104413）.

賈立哲（1978—），男，副教授，碩士生導師.

賈立哲，jializhe＠hit.edu.cn.