彭自強， 葛 翔

(武漢理工大學 土木工程與建筑學院， 湖北 武漢 430070)

我國電力行業(yè)的快速發(fā)展，尤其是大容量機組的投入使用，對火電廠的土建設(shè)計和施工技術(shù)都提出了更嚴的要求。大機組主廠房結(jié)構(gòu)不僅受力復雜、荷重大，而且平面和空間尺寸大、結(jié)構(gòu)自重大。為滿足使用要求，主廠房框架梁高普遍過大，導致“強梁弱柱”、底層柱軸壓比超限、地震作用下柱端破壞突出、梁柱節(jié)點抗震性較差。目前我國采用的兩階段設(shè)防的設(shè)計方法，雖然能夠從實踐上滿足抗震設(shè)計要求，但是卻難以提供結(jié)構(gòu)在地震作用下的整體反應，無法定量評估該類結(jié)構(gòu)的抗震性能[1]。

擬靜力試驗是復雜結(jié)構(gòu)抗震性能研究的重要手段。結(jié)合擬靜力試驗，采用靜力彈塑性分析方法進行結(jié)構(gòu)分析，既能模擬結(jié)構(gòu)由彈性階段到承載力喪失的整個過程，找出薄弱環(huán)節(jié)，又可以判斷結(jié)構(gòu)的抗震承載力及不同設(shè)防等級下的目標位移、層間位移角、各桿件受力狀態(tài)。靜力彈塑性分析方法在充分考慮結(jié)構(gòu)的塑性特性的同時又比時程分析法簡便。

圖1 擬靜力模型配筋

1 工程概況

本實驗原型為火電廠煤倉間預應力框架，模型在框架平面內(nèi)采用1∶8縮尺比例，平面外比例為1∶4。

試驗模型混凝土等級為C45，普通縱向受力鋼筋采用HRB335級鋼筋，箍筋采用HPB235級鋼筋，預應力筋采用1×7-15.20-1860級高強低松弛鋼絞線，如圖1所示。

以跨中彎矩等效為原則，將作用在結(jié)構(gòu)上的荷載等效為多組集中荷載。由于結(jié)構(gòu)的主要恒活載集中于一、二兩層，變形以剪切變形為主，因此側(cè)向荷載根據(jù)振型分解法求得等效水平作用力施加于結(jié)構(gòu)上，如圖2所示。

圖2 試驗荷載

2 分析模型

2.1 分析方法

靜力彈塑性(Push-Over)分析方法是一種靜力非線性計算方法，采用逐級單調(diào)施加模擬地震水平慣性力的側(cè)向力，對結(jié)構(gòu)進行靜力單調(diào)加載下的彈塑性分析。這種方法不但能考慮結(jié)構(gòu)的彈塑性特征，又將設(shè)計反應譜引入了計算過程和計算成果的解釋[2～4]。

2.2 鉸屬性

SAP2000軟件采用的靜力彈塑性分析方法是美國ATC-40規(guī)范的能力譜法，鉸屬性定義如圖3所示。其中B點代表屈服(出現(xiàn)塑性鉸)、CP為預防倒塌點，C為倒塌點，各性能點所對應的橫坐標為相應的彈塑性位移限值[5,6]。

圖3 ATC-34鉸屬性定義

本文采用自定義彎矩曲率曲線來定義塑性鉸的本構(gòu)關(guān)系，如圖4、圖5所示。將彎矩(M)塑性鉸賦予梁的兩端，軸力和彎矩相關(guān)(P-M)鉸賦予柱兩端。均假定出現(xiàn)在距桿端0.05L和0.95L位置(L指扣除剛域后的桿長)。

圖4 柱P-M屈服面

圖5 梁彎矩-曲率曲線

2.3 側(cè)向加載方式

本文中采用的是SAP2000程序提供的振型(model)荷載分布，其側(cè)向力是用給定的振型和該振型下的圓頻率的平方(ω2)及相應質(zhì)量分布的乘積獲得的，由于采用的是第一振型，故相當于倒三角分布[7]。

2.4 反應譜參數(shù)轉(zhuǎn)換

由于程序中采用的是ATC-40中以CA、CV為地震系數(shù)的反應譜曲線，與我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2001)的地震反應譜表達方式及系數(shù)略有不同，需經(jīng)等效轉(zhuǎn)換[8]。采用的轉(zhuǎn)換式為：

根據(jù)上式可得：

7度多遇地震：CA=0.038，CV=0.036；

7度罕遇地震：CA=0.236，CV=0.225。

3 結(jié)構(gòu)抗震性能分析

基于倒三角分布側(cè)向荷載作用下的結(jié)構(gòu)基底剪力-位移曲線如圖6所示。曲線的第一個轉(zhuǎn)折點表明結(jié)構(gòu)中首個塑性鉸的出現(xiàn)，而下降點表明首個B性能點的出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)喪失承載能力。采用通用屈服彎矩法確定框架模型的延性系數(shù)約為4.54，符合規(guī)范中對于框架結(jié)構(gòu)延性系數(shù)的要求。性能點狀態(tài)時的結(jié)構(gòu)各層側(cè)移及層間位移(圖7)表明，結(jié)構(gòu)變形以剪切變形為主，符合框架結(jié)構(gòu)的變形特點。

圖6 基底剪力-位移曲線

圖7 性能點時的各層側(cè)移與層間位移

由計算反應譜可知7度地震作用下的基底剪力與頂點位移，如表1所示。

表1 7度地震作用下性能點及層間位移角

7度多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的頂點位移為1.49 mm，小于能力譜計算中的8.08 mm，表明結(jié)構(gòu)處于彈性階段，沒有構(gòu)件出鉸。

7度罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的頂點位移為9.18 mm，略大于能力譜計算中的8.08 mm，但仍滿足抗震規(guī)范中規(guī)定的框架結(jié)構(gòu)彈性層間位移角限值為1/550的要求。

結(jié)構(gòu)的能力譜曲線與其需求譜曲線均有交點，且性能點基本位于結(jié)構(gòu)能力譜曲線上的第一階段，表明結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)塑性鉸，整體處于彈性狀態(tài)。對比7度地震作用下的結(jié)構(gòu)反應，認為該結(jié)構(gòu)能滿足7度地震作用下的抗震要求，且符合兩階段設(shè)計的結(jié)構(gòu)設(shè)計原則。

圖8 7度多遇地震能力譜與需求譜

圖9 7度罕遇地震能力譜與需求譜

4 靜力彈塑性與試驗結(jié)果對比

對比分析模型與擬靜力試驗模型的破壞形態(tài)表明，最初出鉸位置均為柱端，表明結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)為柱底，最終破壞都是因為底層柱失效，符合框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的結(jié)構(gòu)反映特點。最終破壞形態(tài)，試驗模型表現(xiàn)為節(jié)點與柱底同時破壞，結(jié)構(gòu)為梁柱混合機制，而SAP模型中為柱端鉸喪失承載力，表現(xiàn)為柱鉸機制。表明實際工程中，由于節(jié)點處受彎剪扭共同作用，受力更復雜，而基于桿系結(jié)構(gòu)的SAP模型無法表現(xiàn)這一特點。

通過對比還發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)破壞主要集中在有較大荷載的第一、二兩層，表明該結(jié)構(gòu)受豎向荷載影響較大，結(jié)構(gòu)的整體薄弱層為第一、二兩層。三、四兩層因為豎向荷載較小，地震作用不大，未發(fā)生破壞。

圖10 初始出鉸位置

圖11 最終破壞形態(tài)

對比薄弱層的層間剪力-位移曲線表明：

1層P-Δ曲線在彈性階段擬合較好，但實際模型由于受加工誤差和試驗中加載誤差等各種情況影響，塑性分析階段分析值的位移小于實測值。

2層P-Δ曲線擬合較好，但分析模型的層間位移仍略大于試驗模型。

圖12 1層P-Δ曲線

圖13 2層P-Δ曲線

5 結(jié) 論

(1)擬靜力試驗與靜力彈塑性分析在初始結(jié)構(gòu)的出鉸位置、結(jié)構(gòu)破壞形式、結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)上一致，表明靜力彈塑性分析是一種較為準確的評估結(jié)構(gòu)抗震性能的方法，應加以推廣使用。

(2)該結(jié)構(gòu)最先出鉸位置在柱底，為梁柱混合出鉸機制。底層柱為結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，在設(shè)計上應引起注意，可采用全程箍筋加密或設(shè)置核心柱來提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)向荷載的能力。

(3)結(jié)構(gòu)的能力譜曲線表明混凝土結(jié)構(gòu)進入塑性階段后其承載力變化較小而位移變化較大，應采用基于位移的抗震設(shè)計方法加以輔助分析，對于7度以上的高烈度地區(qū)的重點抗震設(shè)防建筑，如大型火電廠等，應限制混凝土結(jié)構(gòu)的使用。

[1]GB 50011-2001，建筑抗震設(shè)計規(guī)范 [S]．

[2]張 巍，孟少平，呂志濤．預應力混凝土抗震延性的靜力彈塑性分析[J]．工業(yè)建筑，2002，32(6)：36-38.

[3]種 迅, 孟少平．鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)全過程pushover分析[J]．地震工程與工程振動，2005，25(1)：38-42.

[4]俞瑞芳．鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)Pushover-能力譜法分析研究[D]．西安：西安理工大學，2002．

[5]田 穎，錢稼茹，劉鳳閣．在用Rc框架結(jié)構(gòu)基于位移的抗震性能評估[J].建筑結(jié)構(gòu)，2001，31(7)：53-56.

[6]張 巍，孟少平，呂志濤．預應力混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震延性的靜力彈塑性分析[J].工業(yè)建筑，2000，(6)：36-38.

[7]李 剛，程耿東.基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計——理論、方法與應用[M]. 北京：科學出版社，2004.

[8]汪夢甫，周錫元.高層建筑結(jié)構(gòu)抗震彈塑性分析方法及抗震性能評估的研究[J].土木工程學報，2003，36(11)：44-49.