強震區(qū)水電站中大跨度高框架建筑物設(shè)計研究

胡 冰， 譚 盛 凜， 陽 運 生

(中國電建集團北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京 朝陽 100024)

0 前 言

我國規(guī)劃和在建的大中型水電站多集中在水能資源豐富的西南地區(qū)，該地區(qū)地震頻發(fā)，同時，地震烈度較高，這對水電站廠房、開關(guān)樓、進水塔等大跨度、高框架建筑物的設(shè)計提出了更高的要求。迄今，水電站框架結(jié)構(gòu)抗震結(jié)構(gòu)分析研究已比較充分，然而，對結(jié)構(gòu)抗震具體措施探討較少[1]。趙景研究了尾水平臺較高、主副廠房之間沒有分縫的地面廠房抗震設(shè)計，將屋頂與排架鉸接連接方式改為簡支，在一定程度上提高了廠房的抗震效果[2]。針對大跨度高框架結(jié)構(gòu)，井向陽采用“加腋”與“加梁”措施提高了框架結(jié)構(gòu)的局部剛度與整體剛度，從而達到了防震抗震的目的[3]。

在已建的水利水電工程中，大跨度、高框架建筑物抗震措施主要是采用混凝土內(nèi)部加強配筋的方式[4]。但是，加強配筋不僅增大了工程投資，還增大了混凝土澆筑的難度。蘇洼龍水電站主變開關(guān)樓鋼筋混凝土多層框架結(jié)構(gòu)，利用空間有限元分析軟件SETWE，研究了強震工況下，大跨度高框架建筑物抗震設(shè)計及其效果，可供類似工程參考。

1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

蘇洼龍水電站主變開關(guān)樓布置有主變壓器、輸配電線路終端、開關(guān)設(shè)備，是電能進行集中、分配、交換和保護的場所。主變開關(guān)樓尺寸為129.0 m×18.5 m×46.0 m(長×寬×高)，地面以下分為GCB層和廠高變層，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，強度等級為 C25；地面以上分為主變層、管道層和GIS層，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，強度等級為C30；同時，建筑物樓頂設(shè)有500kV出線塔架。主變開關(guān)樓沿縱向分為1、2、3號及4號主變段，其中1號主變段，2、3號主變段，4號主變段之間設(shè)有結(jié)構(gòu)縫。該樓跨度大、樓層高，預留孔洞多，強震下混凝土結(jié)構(gòu)與塔架結(jié)構(gòu)動力作用機理十分復雜。

蘇洼龍水電站主變開關(guān)樓結(jié)構(gòu)設(shè)防烈度為Ⅷ度，設(shè)防地震烈度地震動峰值水平加速度為0.238 g，工程抗震等級為一級。

2.1 結(jié)構(gòu)特性分析

2.1.1 計算荷載

主變開關(guān)樓結(jié)構(gòu)計算荷載包括結(jié)構(gòu)自重、樓面荷載、風荷載、雪荷載、機電設(shè)備荷載、塔架自重、頂部線路荷載及橋機吊重。

2.1.2 計算模型

首先，在PKPM中建立了主變開關(guān)樓框架模型(見圖1)，同時，考慮到框架結(jié)構(gòu)與塔架結(jié)構(gòu)聯(lián)合受力，建立了ABAQUS整體模型(見圖2)，模型嵌固端取在主變開關(guān)樓頂面。ABAQUS整體模型計算的塔架基礎(chǔ)受力作為輸入條件之一施加于PKPMM框架模型中。

圖1 主變開關(guān)樓框架模型

圖2 ABAQUS整體模型

2.1.3 設(shè)計反應(yīng)譜

據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計標準》GB51247-2018，標準設(shè)計反應(yīng)譜參數(shù)應(yīng)符合以下規(guī)定[5]：

(1) 周期小于0.1 s的區(qū)段，β(T)取從1.0到βmax直線段；

(2) 自0.1 s至特征周期的水平段，β(T)取最大值βmax；

(3) 自特征周期至3s區(qū)段，β(T)按公式β(T)=βmax(Tg/T)0.6取值。

蘇洼龍水電站工程區(qū)50年超越概率10%的基巖動峰值加速度為0.182 g，主變開關(guān)樓按50年超越概率5%的地震設(shè)防，其基巖水平動峰值加速度的代表值為0.238 g，地震波反應(yīng)譜數(shù)據(jù)見圖3。

圖3 地震波反應(yīng)譜數(shù)據(jù)

2.1.4 不利因素分析

2.1.4.1 設(shè)備荷載重

蘇洼龍主變開關(guān)樓單個主變壓器重290 t，共4個，僅布置于3根橫梁之上；單個塔架重108 t，共3個，布置于屋頂主梁之上。如此大的荷載對主變開關(guān)樓結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計提出了嚴峻的考驗。

2.1.4.2 結(jié)構(gòu)高度大

受地形和場地限制，主變壓器、GIS開關(guān)系統(tǒng)及出線塔架均布置于一處，建筑物底板至塔架頂部總高度78.0 m。

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(2016年版)GB50011-2010規(guī)定[6]：甲、乙類建筑以及高度大于24 m的丙類建筑物，不應(yīng)采用單跨框架結(jié)構(gòu)；高度不大于24m的丙類建筑不宜采用單跨框架結(jié)構(gòu)。

蘇洼龍主變開關(guān)樓工程抗震設(shè)防類別為乙類，該樓地面以上高度為32.0 m，其中主變層、管道層兩層總高度15.5 m，為雙跨框架結(jié)構(gòu)；GIS層層高16.5 m，為單跨框架結(jié)構(gòu)；總體來看，地面以上的結(jié)構(gòu)可稱之為“偽單跨框架結(jié)構(gòu)”，結(jié)構(gòu)抗震布置極為不利。

2.1.4.3 考慮因素多

蘇洼龍主變開關(guān)樓框架結(jié)構(gòu)不僅與鋼結(jié)構(gòu)塔架聯(lián)合受力，同時間接受到0號出線塔的水平與豎向拉力，結(jié)構(gòu)受力復雜。

2.1.5 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

2.1.5.1 合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系

(1)抗震墻-框架結(jié)構(gòu)體系。蘇洼龍主變開關(guān)樓為抗震墻-框架結(jié)構(gòu)體系，建筑物基礎(chǔ)為微風化花崗巖，以弱卸荷為主，地面以下為厚墻結(jié)構(gòu)，高度14.0 m，分為GCB層和廠高變層，具有足夠的基礎(chǔ)埋深。地面以上為框架結(jié)構(gòu)，高度32.0 m，樓板均為現(xiàn)澆混凝土板，具備良好的整體性。

(2)合理設(shè)置防震縫。結(jié)合樓頂出線塔架布置，沿主變開關(guān)樓長度方向設(shè)置兩道防震縫，將整個建筑物分為三道獨立的抗震體系，分別為1號主變段(40.70 m)，2號、3號主變段(50.50 m)，4號主變段(37.35 m)。綜合考慮建筑物抗震設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)單元高度及地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，確定了防震縫寬度為200 mm，保證地震下建筑物兩側(cè)的上部結(jié)構(gòu)單獨受力。

(3)細化梁柱節(jié)點設(shè)計。PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計時，梁柱節(jié)點一般設(shè)置為固接，對于強柱弱梁，柱相對線剛度比梁柱大得多，在外力作用下，梁端變形受到了柱的約束，在兩端產(chǎn)生了支座負彎矩，該負彎矩與外力荷載基本成正比。因此當梁長度較短，外力荷載較大時，支座負彎矩也較大，導致梁端支座極易發(fā)生破壞。此處將該梁端設(shè)計為塑性鉸，降低其支負彎矩。當梁端彎矩較大，超出了該梁截面的受彎承載力后，塑性鉸設(shè)計可進行彎矩調(diào)幅，控制混凝土梁在受力過程的約束條件，有效地釋放了梁端彎矩。

根據(jù)建筑物不同的受力情況，設(shè)置相應(yīng)的梁柱連接節(jié)點(見圖3)，有效地保證了結(jié)構(gòu)抗震性能。

圖4 梁柱連接節(jié)點

2.1.5.2 平衡橫縱結(jié)構(gòu)剛度

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010規(guī)定[7]：高層建筑物結(jié)構(gòu)平面形狀宜簡單、規(guī)則，質(zhì)量、剛度和承載力分布宜均勻。

主變開關(guān)樓1號主變段長寬比(L/B)為2.2；2號、3號主變段長寬比(L/B)為2.7；4號主變段長寬比(L/B)為2.0。因此，該建筑物橫向(B)剛度遠遠小于縱向(L)剛度，建筑物在橫向方向?qū)a(chǎn)生較大的地震響應(yīng)。結(jié)構(gòu)設(shè)計時，減少縱向梁截面，增大橫向梁截面，減小結(jié)構(gòu)剛度薄弱帶的影響，平衡橫縱向結(jié)構(gòu)剛度，有效地增強了結(jié)構(gòu)抗震能力。橫縱方向主梁布置見圖5。

圖5 橫縱方向主梁布置圖

2.1.5.3 調(diào)整結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010規(guī)定：抗震設(shè)計時，高層建筑相鄰樓層的側(cè)向剛度變化應(yīng)符合下列規(guī)定：

對框架結(jié)構(gòu)，樓層與其相鄰上層的側(cè)向剛度比γ可按式(3.5.3-1)計算，且本層與相鄰上層的比值不宜小于0.7，與相鄰上部三層剛度平均值的比值不宜小于0.8。

(1)

式中γ為樓層側(cè)向剛度比；Vi、Vi+1為第i層和第i+1層的地震剪力標準值(kN)；Δi、Δi+1為第i層和第i+1層在地震作用標準值作用下的層間位移(m)。

主變開關(guān)樓主變層層高11.0 m，管道層層高4.5 m，GIS層層高16.5 m，層高高度變化極大，如此大的層高變化對結(jié)構(gòu)樓層剪力及層間位移極為不利。為了保證建筑物側(cè)向剛度均勻變化，結(jié)構(gòu)設(shè)計時采取了以下措施：

(1)強化主變層頂層結(jié)構(gòu)，增加梁截面，結(jié)構(gòu)設(shè)計中該層梁高寬比接近1.0；

(2)弱化管道層頂層結(jié)構(gòu)，減小梁截面，僅布置不可缺少的主梁；

(3)減小管道層內(nèi)部結(jié)構(gòu)柱截面，最大限度弱化管道層質(zhì)量及剛度。

通過以上措施，人為地將管道層構(gòu)建為虛擬層間結(jié)構(gòu)，在側(cè)向剛度角度，原五層結(jié)構(gòu)變?yōu)樗膶樱篏CB層、廠高變層、主變層及GIS+管道層，有效解決了強震下層高高度變化較大的難題。主變開關(guān)樓結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度示意圖見圖6、7。

圖6 主變開關(guān)樓結(jié)構(gòu)圖

2.2 計算結(jié)果

2.2.1 結(jié)構(gòu)立面規(guī)則性

整理主變開關(guān)樓計算結(jié)果，建筑物樓層多方向剪切剛度比(見圖8)、樓層多方向剛度比(見圖9)均滿足規(guī)范要求。

圖7 結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度示意圖

圖8 多方向剪切剛度比簡圖

圖9 多方向剛度比簡圖

2.2.2 地震分析及調(diào)整

地震工況下，主變開關(guān)樓樓層剪力(見圖10)和樓層剪重比(見圖11)均滿足規(guī)范要求。

圖10 主變開關(guān)樓樓層剪力簡圖

圖11 樓層剪重比簡圖

2.2.3 結(jié)構(gòu)樓層位移統(tǒng)計

地震工況下，主變開關(guān)樓樓層最大位移(圖12)及結(jié)構(gòu)最大層間(圖13)位移角均滿足規(guī)范要求。

圖12 主變開關(guān)樓樓層最大位移簡圖

圖13 結(jié)構(gòu)最大層間位移角簡圖

3 結(jié) 語

蘇洼龍水電站主變開關(guān)樓，采用空間有限元分析軟件SETWE研究強震區(qū)大跨度高框架建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過深入分析建筑物不利因素，合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系.采用抗震墻-框架結(jié)構(gòu)體系，保證了結(jié)構(gòu)抗震的整體協(xié)調(diào)性。設(shè)計中，設(shè)置兩道防震縫，給予主變開關(guān)樓框架結(jié)構(gòu)主動分縫，改善結(jié)構(gòu)抗震條件。同時，細化梁柱節(jié)點設(shè)計，平衡結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，滿足節(jié)點關(guān)鍵區(qū)承載力要求。

通過平衡結(jié)構(gòu)平面及豎向剛度，避免出現(xiàn)剛度突變及薄弱層，有效抑制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，保證了結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的受力合理性。

蘇洼龍水電站主變開關(guān)樓通過結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造設(shè)計的深入研究，滿足了建筑物強震下樓層側(cè)向剪切剛度、樓層剪重比、層間位移角等要求，保證了結(jié)構(gòu)在地震狀況的協(xié)調(diào)性和穩(wěn)定性。