楊迎春,宗文明 (安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,安徽合肥 230036)

大型火電廠主廠房鋼框排架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性與地震反應(yīng)譜分析

楊迎春,宗文明 (安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,安徽合肥 230036)

為研究大型火電廠主廠房鋼框排架結(jié)構(gòu)抗震性能,在地震作用下,扭轉(zhuǎn)對(duì)鋼框排架結(jié)構(gòu)有一定影響。運(yùn)用有限元軟件ANSYS,以桿系模型為主對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算分析,并對(duì)鋼框排架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性與地震反應(yīng)譜進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明,在地震作用下,扭轉(zhuǎn)對(duì)鋼框排架結(jié)構(gòu)有一定影響,地震作用下縱橫向樓層水平位移和層間剪力均存在較大差異;煤斗橫梁是鋼框排架結(jié)構(gòu)的薄弱部位,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別加以注意。

鋼框排架結(jié)構(gòu);大型火電廠主廠房;ANSYS;地震反應(yīng)譜分析

隨著火電廠裝機(jī)容量的不斷增大,其主廠房跨度、高度也越來(lái)越大。鋼框排架結(jié)構(gòu)具有布置靈活、自重輕、強(qiáng)度高、施工方便等特點(diǎn),因而逐漸成為大型火電廠主廠房的主要結(jié)構(gòu)形式[1]。由于生產(chǎn)工藝的限制,火電廠主廠房結(jié)構(gòu)存在多種不規(guī)則,包括體型不規(guī)則、平面布置不規(guī)則、立面布置不規(guī)則、結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布不均勻、錯(cuò)層等,這樣在地震作用下容易出現(xiàn)平動(dòng)與扭轉(zhuǎn)響應(yīng)的耦合等問(wèn)題[2]。為此,筆者選取某單機(jī)容量1000MW的火力發(fā)電廠主廠房為計(jì)算結(jié)構(gòu),利用有限元軟件ANSYS進(jìn)行模態(tài)分析和地震反應(yīng)譜分析,研究8度抗震設(shè)防情況下鋼框排架結(jié)構(gòu)的水平位移和樓層剪力沿樓層高度的分布情況,由此了解其抗震性能,為大型火電廠主廠房的合理設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 計(jì)算結(jié)構(gòu)建模

計(jì)算結(jié)構(gòu)為某單機(jī)容量1000MW級(jí)鋼結(jié)構(gòu)火電廠主廠房,采用煤倉(cāng)間、除氧間和汽機(jī)房相連的鋼框排架結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)平面和剖面布置分別如圖1和圖2所示。A、B列柱的截面尺寸分別為700mm×400mm× 40mm×60mm、1200mm×600mm×40mm×60mm;C、D列柱的截面尺寸為1000mm×1000mm×60mm×60mm。煤倉(cāng)間共5層,其中26.0m處設(shè)置煤斗梁,煤斗梁的截面尺寸為1800mm×800mm×60mm ×80mm;除氧間共5層,其中6.90m處布置低壓加熱器,26.00m處設(shè)置除氧器,13.800m處布置高壓加熱器、汽動(dòng)給水泵。樓屋面板采用混凝土-鋼次梁組合結(jié)構(gòu)。鋼材采用Q345-B鋼。建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度定為8度(0.20g),設(shè)計(jì)地震分組為第一組,場(chǎng)地類別為Ⅱ類,鋼框排架結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為一級(jí)。

圖1 鋼框排架結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖2 鋼框排架結(jié)構(gòu)剖面布置圖

采用通用有限元軟件ANSYS,以桿系模型為主進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。利用該軟件的Beam188單元模擬鋼框排架的梁、柱,利用shell63單元模擬異形柱框架的樓板,利用mass21單元模擬結(jié)構(gòu)上的集中質(zhì)量?？紤]到原結(jié)構(gòu)形式的復(fù)雜性,在有限元建模時(shí)對(duì)鋼框排架結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)構(gòu)作如下簡(jiǎn)化[3]:將屋架部分簡(jiǎn)化為一軸力桿件,并假定屋架與排架理想鉸接;采用剛性樓板假定;將梁柱簡(jiǎn)化為三維空間桿單元,將樓板簡(jiǎn)化為各向同性的三維矩形殼單元。在建模的過(guò)程中,桿、殼單元通過(guò)程序自動(dòng)形成的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接,從而生成考慮樓板平面內(nèi)和平面外變形的整體三維有限空間計(jì)算模型(見(jiàn)圖3)。

圖3 鋼框排架結(jié)構(gòu)有限元模型圖

2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

通過(guò)ANSYS的模態(tài)分析模塊,計(jì)算出各振型所對(duì)應(yīng)的自振頻率和周期(見(jiàn)表1),從而了解鋼框排架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。圖4所示為鋼框排架結(jié)構(gòu)的前3階振型圖。由圖4可知,第1階振型為沿廠房橫向的平動(dòng),整體變形為剪切變形;第2階振型為沿廠房縱向的平動(dòng),整體變形為剪切變形,伴隨有扭轉(zhuǎn)振動(dòng);第3階振型為扭轉(zhuǎn)振型。通過(guò)計(jì)算可知,扭轉(zhuǎn)第一周期與平動(dòng)第一周期之比為0.78,說(shuō)明扭轉(zhuǎn)對(duì)鋼框排架結(jié)構(gòu)有一定影響,故設(shè)計(jì)分析時(shí)需適當(dāng)考慮結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)[4]。

表1 鋼框排架結(jié)構(gòu)前8階自振頻率與振型描述表

3 地震反應(yīng)譜分析

在進(jìn)行鋼框排架結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)譜分析中,分別沿橫向和縱向輸入反應(yīng)譜,可以得到結(jié)構(gòu)樓層水平位移圖和樓層剪力圖。圖5所示為8度地震作用下鋼框排架結(jié)構(gòu)樓層水平位移圖。從圖5可以看出,8度地震作用下鋼框排架結(jié)構(gòu)的縱向和橫向樓層的水平位移存在較大差異。這是由于鋼框排架結(jié)構(gòu)的最大水平位移不僅受地震強(qiáng)度的影響,還與結(jié)構(gòu)自振特性有關(guān),因?yàn)樵撲摽蚺偶芙Y(jié)構(gòu)縱橫向的自振頻率存在差異,所以該結(jié)構(gòu)縱向與橫向樓層的水平位移相差較大。

圖6所示為鋼框排架的樓層剪力隨結(jié)構(gòu)高度變化情況圖。從圖6可以看出,橫向?qū)娱g剪力大于縱向?qū)娱g剪力。這是由于結(jié)構(gòu)縱橫向的剛度相差較大,故層間剪力相差較大。此外,由于鋼框排架結(jié)構(gòu)中煤斗橫梁剛度大,其層間剪力較大,因而是鋼框排架結(jié)構(gòu)的薄弱部位,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別加以注意。

圖5 8度地震作用下鋼框排架結(jié)構(gòu)樓層水平位移圖

圖6 8度地震作用下鋼框排架結(jié)構(gòu)樓層剪力圖

4 結(jié)論與建議

1)根據(jù)模態(tài)分析獲得的結(jié)構(gòu)自振頻率計(jì)算可知,扭轉(zhuǎn)第一周期與平動(dòng)第一周期之比為0.78,說(shuō)明扭轉(zhuǎn)對(duì)鋼框排架結(jié)構(gòu)有一定影響,故設(shè)計(jì)分析時(shí)需適當(dāng)考慮結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

2)8度地震作用下鋼框排架結(jié)構(gòu)的縱向與橫向樓層水平位移與層間剪力均存在較大差異。

3)煤斗橫梁剛度大,其層間剪力較大,因而是鋼框排架結(jié)構(gòu)的薄弱部位,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別加以注意。

[1]張文元,于海豐,張耀春,等.大型火電廠鋼結(jié)構(gòu)主廠房鉸接中心支撐框架體系的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2009, 30(3):11-19.

[2]薛建陽(yáng),梁炯豐,彭修寧,等.大型火電廠鋼結(jié)構(gòu)主廠房彈性地震反應(yīng)分析[J].工業(yè)建筑,2012,42(6):137-141.

[3]吳濤,劉伯權(quán),白國(guó)良.大型火力發(fā)電廠鋼筋混凝土框排架主廠房平扭耦聯(lián)地震反應(yīng)分析[J].工業(yè)建筑,2004,34(11):27-29.

[4]Gupta B,Kunnath S K.Adaptive Spectra-Based PushoverProcedure for Seismic Evaluation of Structures[J].Earthquake Spectra, 2000,16(2):367-391.

[編輯] 李啟棟

TU311.3

A

1673-1409(2014)22-0081-03

2014-04-20

安徽省高校省級(jí)科研項(xiàng)目(KJ2013Z081);安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(1308085MC30);安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)青年科學(xué)基金項(xiàng)目(2010zr06)。

楊迎春(1 9 8 3-),女,碩士,講師,現(xiàn)主要從事工程結(jié)構(gòu)抗震方面的教學(xué)與研究工作。