第一作者代慧娟女，博士，講師，1985年10月生

帶斜撐型直接空冷鋼-混凝土豎向混合結(jié)構(gòu)非線性地震響應(yīng)分析

代慧娟1，白國良2，王博2，張淑云1，董葉輝2

(1.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，西安710054； 2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，西安710055)

摘要：帶斜撐型鋼-混凝土豎向混合結(jié)構(gòu)是為將直接空冷技術(shù)推廣應(yīng)用于高烈度地區(qū)而提出的一種新型結(jié)構(gòu)體系，根據(jù)上部結(jié)構(gòu)平臺(tái)型式的不同，可分為鋼桁架+斜撐結(jié)構(gòu)與實(shí)腹梁+斜撐結(jié)構(gòu)兩種類型。在鋼桁架+斜撐結(jié)構(gòu)模型抗震試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，采用ABAQUS有限元軟件計(jì)算分析兩類結(jié)構(gòu)在不同強(qiáng)度地震作用下的基底剪力響應(yīng)規(guī)律、變形性能與鋼筋混凝土管柱的損傷演化特性。結(jié)果表明：提出的模型簡化原則與有限元建模方法比較合理，計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好；不同強(qiáng)度地震作用下，鋼桁架+斜撐結(jié)構(gòu)的最大基底剪力與剪重比均大于實(shí)腹梁+斜撐結(jié)構(gòu)；兩類結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形隨地震作用的增強(qiáng)均由彎剪型趨于剪切型，鋼桁架+斜撐結(jié)構(gòu)的牛腿及下部位移略大于實(shí)腹梁+斜撐結(jié)構(gòu)，而牛腿上部位移則略??；鋼桁架+斜撐結(jié)構(gòu)的最大柱頂側(cè)移角略小于實(shí)腹梁+斜撐結(jié)構(gòu)；兩類結(jié)構(gòu)的抗震性能均較好，能夠滿足大容量機(jī)組火電廠在高烈度區(qū)的抗震需求。

關(guān)鍵詞：直接空冷鋼-混凝土豎向混合結(jié)構(gòu)；斜撐；抗震性能；損傷演化特性；有限元

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51178383)；陜西省教育廳科研專項(xiàng)(2010JK669)

收稿日期：2013-11-08修改稿收到日期：2014-04-16

中圖分類號(hào):TU352.1+1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.07.023

Abstract:Steel-concrete vertical hybrid structure with diagonal bracing is a new structure system which has been proposed for applying the direct air-cooled technology in high earthquake intensity areas, according to the type of platform. The structure can be divided into two types: steel truss-diagonal bracing structure and solid web girder-diagonal bracing structure. On the basis of the seismic experiments of steel truss-diagonal bracing model structures, finite element software ABAQUS was used to calculate and analyze the base shear response, deformation properties and damage evolution characteristics of reinforced concrete pipe columns of the two kinds of structures with diagonal bracing. The results show that: the proposed simplification principles and finite element modeling methods are reasonable, the calculated results agree well with the test results; under different earthquake intensities, the biggest base shear force and the shear-weight ratio of the steel truss-diagonal bracing structure are greater than those of the solid web girder-diagonal structure; the lateral displacement curves for the two kinds of structures are both shifting from shear-moment-type toward shear-type as the earthquake intensity increases; the lateral displacements on and below the corbel of the steel truss-diagonal bracing structure is slightly greater than those of the solid web girder-diagonal structure, while above the corbel, it is just the opposite; the lateral displacement angle at the top of the column for the steel truss-diagonal bracing structure is slightly smaller than that of the solid web girder-diagonal structure; seismic performances of the two kinds of structures are both good, which can meet the seismic requirement of the large-capacity units in high earthquake intensity areas.

Nonlinear seismic response analysis of direct air-cooled vertical hybrid structures with diagonal bracing

DAIHui-juan1,BAIGuo-liang2,WANGBo2,ZHANGShu-yun1,DONGYe-hui2(1.School of Architecture and Civil Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China;2.School of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture &Technology, Xi’an 710055,China)

Key words:direct air-cooled steel-concrete vertical hybrid structure; diagonal bracing; seismic performance; damage evolution characteristics; finite element

因節(jié)水效果顯著，直接空冷技術(shù)目前在我國富煤缺水的“三北”地區(qū)得到廣泛應(yīng)用，而作為空冷設(shè)備的重要支撐，空冷支架結(jié)構(gòu)的抗震安全性關(guān)系到整個(gè)火電廠的正常運(yùn)行。目前，工程中主要采用的空冷支架結(jié)構(gòu)型式主要有鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、鋼桁架-鋼筋混凝土管柱結(jié)構(gòu)等[1-4]。已有研究表明，隨著火電廠機(jī)組容量的不斷增加，傳統(tǒng)的空冷支架結(jié)構(gòu)體系已經(jīng)不能滿足大容量機(jī)組火電廠在高烈度區(qū)的抗震需求[5-7]。為解決此問題，課題組研究提出帶斜撐型的空冷支架結(jié)構(gòu)體系，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)上部平臺(tái)型式的不同，該類結(jié)構(gòu)體系可以分為鋼桁架+斜撐結(jié)構(gòu)與實(shí)腹梁+斜撐結(jié)構(gòu)兩種類型[5]。為研究該類結(jié)構(gòu)體系的抗震性能，課題組以鋼桁架+斜撐結(jié)構(gòu)為例，通過模型結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力與偽靜力試驗(yàn)研究了其滯回性能與耗能能力，初步表明該類結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能[8]。但一方面，作為大型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系，在模型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上有必要結(jié)合整體結(jié)構(gòu)的非線性地震響應(yīng)分析進(jìn)行更為深入的研究；另一方面，已有研究主要針對鋼桁架+斜撐結(jié)構(gòu)，而尚未對實(shí)腹梁+斜撐結(jié)構(gòu)展開相關(guān)分析。鑒于此，本文首先在鋼桁架+斜撐結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，通過比較驗(yàn)證提出適用于此類鋼-混凝土豎向混合結(jié)構(gòu)計(jì)算分析時(shí)的簡化原則與建模方法；然后采用ABAQUS軟件分別建立鋼桁架+斜撐結(jié)構(gòu)以及實(shí)腹梁+斜撐結(jié)構(gòu)的彈塑性有限元模型，進(jìn)行非線性地震響應(yīng)分析，通過結(jié)構(gòu)在不同強(qiáng)度地震作用下的基底剪力時(shí)程曲線、側(cè)移包絡(luò)曲線、側(cè)移角以及結(jié)構(gòu)損傷演化特性的分析與比較，進(jìn)一步探討帶斜撐型空冷支架結(jié)構(gòu)體系的抗震性能，為在高烈度區(qū)推廣應(yīng)用該類結(jié)構(gòu)體系提供基礎(chǔ)研究資料。

1工程概況

根據(jù)8度抗震設(shè)防要求設(shè)計(jì)出1 000 MW鋼桁架+斜撐空冷支架結(jié)構(gòu)與實(shí)腹梁+斜撐空冷支架結(jié)構(gòu)。兩類結(jié)構(gòu)中的風(fēng)機(jī)數(shù)量均為100臺(tái)，平臺(tái)柱數(shù)量均為25根，鋼筋混凝土管柱高度均為50.00 m，直徑4 m，壁厚0.4 m。

空冷支架結(jié)構(gòu)體系通常由鋼筋混凝土管柱、鋼桁架平臺(tái)、A形架三部分組成[1]。其中，鋼桁架+斜撐結(jié)構(gòu)中的鋼平臺(tái)為空間正交鋼桁架結(jié)構(gòu)，桁架上下弦采用H型鋼，腹桿采用圓鋼管，桁架下部增設(shè)斜向支撐，支撐類型為截面450 mm×450 mm×30 mm的方鋼管。實(shí)腹梁+斜撐結(jié)構(gòu)中的鋼平臺(tái)為空間正交實(shí)腹梁結(jié)構(gòu)，實(shí)腹梁下部設(shè)置加強(qiáng)桿件，采用截面250 mm×250 mm×12 mm的方鋼管，平臺(tái)下部增設(shè)斜向支撐，采用截面450 mm×450 mm×20 mm的方鋼管。在兩種結(jié)構(gòu)的平臺(tái)上部均設(shè)置八角梁作為風(fēng)機(jī)甲板的支撐梁及風(fēng)筒的連接梁。為增加結(jié)構(gòu)的整體剛度，平臺(tái)下弦設(shè)置平面內(nèi)支撐。

兩類結(jié)構(gòu)的平面布置相同，如圖1所示。圖2與圖3分別為鋼桁架+斜撐結(jié)構(gòu)與實(shí)腹梁+斜撐結(jié)構(gòu)的立面圖。

圖1　柱網(wǎng)平面布置圖 Fig.1 Layout plan of column net

圖2　鋼桁架+斜撐結(jié)構(gòu)立面圖 Fig.2 Elevation of steel truss-diagonal bracing structure

圖3　實(shí)腹梁+斜撐結(jié)構(gòu)立面圖 Fig.3 Elevation of solid web girder-diagonal bracing structure

2試驗(yàn)研究與有限元模型的建立

2.1試驗(yàn)研究概況

圖4　試驗(yàn)?zāi)Ｐ?Fig.4 Experiment model

選取鋼桁架+斜撐原型結(jié)構(gòu)的1/4，并按照1/8縮尺比制作試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，進(jìn)行動(dòng)力特性測試、擬動(dòng)力試驗(yàn)與偽靜力試驗(yàn)研究，獲得該結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力特性參數(shù)，分析其滯回性能、變形性能以及破壞模式等。試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D4所示。

采用錘擊法使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生自由振動(dòng)進(jìn)行動(dòng)力特性測試，分YZ面內(nèi)及XZ面內(nèi)各測試兩次，記錄結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)衰減曲線，通過傳遞函數(shù)得到整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性參數(shù)。擬動(dòng)力試驗(yàn)時(shí)，順A型架方向輸入EL-Centro地震波，地震動(dòng)峰值依次調(diào)整為50 gal、100 gal、200 gal、300 gal、400 gal、600 gal、800 gal。偽靜力試驗(yàn)時(shí)，位移首先以最大值10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm、70 mm各循環(huán)一次，然后以80 mm、90 mm、110 mm、130 mm、150 mm、170 mm各循環(huán)三周，以190 mm循環(huán)一次，加載至模型破壞。加載點(diǎn)位于A型架頂部及鋼桁架平臺(tái)處，加載比為1∶1.28，其中鋼桁架平臺(tái)處的作動(dòng)器作為主控點(diǎn)。

具體的模型設(shè)計(jì)過程及試驗(yàn)研究方案詳見文獻(xiàn)[7]。

2.2有限元建模方法及其驗(yàn)證

2.2.1模型的主要簡化方法

建模過程中對于牛腿與柱頂節(jié)點(diǎn)部位作了較大簡化，分述如下：

(1)牛腿的簡化

考慮到牛腿的作用主要是傳遞由斜撐傳遞至管柱的內(nèi)力，對整體結(jié)構(gòu)剛度影響不大，建立模型時(shí)，將混凝土管柱作為通長空心管柱模擬，斜撐直接與管柱連接。為避免簡化后斜撐與管柱連接點(diǎn)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在連接點(diǎn)周圍四個(gè)單元上附加4塊鋼板。同時(shí)，為避免簡化后牛腿位置可能出現(xiàn)強(qiáng)度降低而導(dǎo)致開裂的情況，適當(dāng)加密牛腿位置管柱配筋。圖5所示為牛腿部位實(shí)際情況與簡化模型比較圖。

圖5　牛腿的簡化 Fig.5 Simplify of bracket

(2)柱頂節(jié)點(diǎn)的簡化

工程中鋼筋混凝土管柱與鋼桁架的連接主要采取在柱頂預(yù)埋鋼板，并與鋼桁架柱頂節(jié)點(diǎn)連接板通過焊接連接的方式，有限元分析時(shí)將連接點(diǎn)作為剛節(jié)點(diǎn)；同時(shí)，省略頂端部分實(shí)心混凝土柱，而采用桁架單元T3D2實(shí)現(xiàn)鋼桁架與管柱之間的荷載傳遞。圖6為柱頂連接節(jié)點(diǎn)實(shí)際情況與簡化模型比較圖。

圖6　柱頂連接節(jié)點(diǎn)的簡化 Fig.6 Simplify connection of pillars

2.2.2單元選取與本構(gòu)關(guān)系

表1為建模時(shí)單元的選取情況[9-11]。其中，為減少模型計(jì)算自由度，將配重塊按集中質(zhì)量等效到A型架相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。

表1　單元類型的選取

采用雙線性動(dòng)力強(qiáng)化模型模擬型鋼和鋼筋，不考慮材料的剛度退化，采用Von Mises屈服準(zhǔn)則，混凝土材料采用損傷塑性模型[9-10]。鋼材的屈服應(yīng)力與應(yīng)變、極限應(yīng)力、彈性模量，以及混凝土材料的軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值、彈性模量均由材性試驗(yàn)測得，見表2所示。

表2　材料實(shí)測性能

2.2.3有限元建模方法的驗(yàn)證

圖7　試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型 Fig.7 Calculation model of the experiment structure

采用上述建模方法建立鋼桁架+斜撐試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，如圖7所示。通過比較試驗(yàn)與計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、不同強(qiáng)度地震作用下的位移響應(yīng)時(shí)程曲線以及整體側(cè)移包絡(luò)曲線驗(yàn)證本文所采取的建模方法的合理性。

表3為動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較情況，圖8為計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)前四階振型圖。對比結(jié)果表明：動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果比較接近，初步說明所采取的建模方法是合理的。

表3　動(dòng)力特性計(jì)算值與試驗(yàn)值比較

圖8　結(jié)構(gòu)前四階振型圖 Fig.8 First four vibration types

選取與試驗(yàn)相同的EL-Centro地震波，輸入加速度峰值分別為200 gal、400 gal和600 gal，計(jì)算鋼桁架平臺(tái)中部與A型架頂部的位移響應(yīng)時(shí)程曲線，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，限于篇幅僅列出峰值加速度為400 gal與600 gal地震動(dòng)作用下的鋼桁架平臺(tái)中部位移響應(yīng)時(shí)程曲線，如圖9所示；同時(shí)計(jì)算三種工況下的側(cè)移包絡(luò)曲線，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，如圖10所示。對比結(jié)果表明：計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好，結(jié)構(gòu)的側(cè)移曲線形狀較為一致，可以看出由于結(jié)構(gòu)的剛度在管柱牛腿設(shè)置處發(fā)生突變，結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)在牛腿處分為明顯的兩段。

綜上分析表明，本文提出的針對牛腿和柱頂節(jié)點(diǎn)部位的簡化方法以及所選取的單元和本構(gòu)關(guān)系均較為合理，采用該建模方法進(jìn)行兩類帶斜撐結(jié)構(gòu)的非線性地震響應(yīng)分析是可靠的。

圖9　鋼桁架平臺(tái)中部位移響應(yīng)時(shí)程曲線比較 Fig.9 Comparison of displacement time history curves for steel truss platform

圖10　模型結(jié)構(gòu)的側(cè)移包絡(luò)曲線對比圖 Fig.10 Comparison of lateral displacement envelope curves for model structure

2.3帶斜撐型空冷支架結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

圖11~圖12分別為采用上述建模方法建立的原型鋼桁架+斜撐結(jié)構(gòu)與實(shí)腹梁+斜撐結(jié)構(gòu)的有限元分析模型。

圖11　鋼桁架+斜撐空冷支架結(jié)構(gòu)有限元模型 Fig.11 Finite model of steel truss-diagonal bracing air-cooled condenser structure

圖12　實(shí)腹梁+斜撐空冷支架結(jié)構(gòu)有限元模型 Fig.12 Finite model of solid web girder-diagonal bracing air-cooled condenser structure

3鋼桁架+斜撐結(jié)構(gòu)非線性地震響應(yīng)分析

3.1結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性參數(shù)

鋼桁架+斜撐結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性參數(shù)如表4所示。

表4　鋼桁架+斜撐結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性參數(shù)

3.2地震作用

圖13為鋼桁架+斜撐結(jié)構(gòu)在不同強(qiáng)度地震作用下的基底剪力時(shí)程曲線。

圖13　不同強(qiáng)度地震作用下鋼桁架+斜撐 結(jié)構(gòu)基底剪力時(shí)程曲線 Fig.13 Base shear time-history curves under different earthquake intensities of steel truss-diagonal bracing structure

計(jì)算分析表明：在8度小震作用下，結(jié)構(gòu)處于彈性階段，基底剪力時(shí)程曲線與輸入地震波波形基本一致，最大正向與負(fù)向基底剪力分別為19 823 kN和-17 730 kN，剪重比分別為6.47%和-5.79%；在8度中震作用下， 6.5 s后，地震作用的相位比小震作用下的相位有所滯后，但滯后現(xiàn)象不明顯，表明結(jié)構(gòu)已有輕微的塑性變形，最大正向與負(fù)向基底剪力分別為32 253 kN和-35 736 kN，剪重比分別為10.53%和-11.67%；在8度大震和9度大震作用下，地震作用增長幅度較小，相位偏差出現(xiàn)較早，且偏差明顯，說明在較大地震作用下，結(jié)構(gòu)損傷出現(xiàn)較早，損傷程度較嚴(yán)重，剛度退化較快，在8度大震和9度大震的地震作用后期，結(jié)構(gòu)基底剪力甚至小于8度中震作用時(shí)的基底剪力，說明結(jié)構(gòu)累積損傷較大，剛度退化明顯，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性發(fā)生較大改變。其中，在8度大震情況下，最大正向與負(fù)向基底剪力分別為43 745 kN和-43 732 kN，剪重比分別為14.28%和-14.28%；在9度大震情況下，最大正向與負(fù)向基底剪力分別為60 916 kN和-63 447kN，剪重比分別為19.89%和-20.72%。

3.3變形性能

圖14為8度大震作用下鋼桁架+斜撐結(jié)構(gòu)的整體變形圖；圖15為不同強(qiáng)度地震作用下的結(jié)構(gòu)側(cè)移包絡(luò)曲線。

圖14　8度大震作用下鋼桁架+斜撐結(jié)構(gòu)整體變形 Fig.14 Deformation of steel truss-diagonal bracing structure under 8 degree major earthquake

圖15　不同強(qiáng)度地震作用下鋼桁架+斜撐 結(jié)構(gòu)的側(cè)移包絡(luò)曲線 Fig.15 Lateral displacement envelope curves under different earthquake intensities of steel truss-diagonal bracing structure

計(jì)算分析表明：地震作用下，鋼桁架平臺(tái)近似為整體平動(dòng)，由于斜撐對管柱的約束作用，在水平地震作用下，管柱出現(xiàn)反彎點(diǎn)。結(jié)構(gòu)整體側(cè)移隨地震強(qiáng)度的增大由彎剪型逐漸向剪切型轉(zhuǎn)變；8度小震作用下，結(jié)構(gòu)處于彈性階段，柱頂最大側(cè)移角為1/1736；8度中震作用下，管柱出現(xiàn)輕微開裂，結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段，柱頂最大側(cè)移角為1/710；8度大震作用下，結(jié)構(gòu)損傷程度較大，剪切變形所占比例逐漸增大，柱頂最大側(cè)移角為1/360；9度大震作用下，結(jié)構(gòu)損傷累積比較嚴(yán)重，柱頂最大側(cè)移角為1/199。

3.4鋼筋混凝土管柱的損傷演化特性

圖(16-18)為鋼筋混凝土管柱在8度中震、8度大震和9度大震作用下的損傷形態(tài)。

圖16　8度中震作用下鋼桁架+斜撐結(jié)構(gòu)整體損傷 Fig.16 Overall damage of steel truss-diagonal bracing structure under 8 degree moderate earthquake

圖17　8度大震作用下鋼桁架+斜撐結(jié)構(gòu)整體損傷 Fig.17 Overall damage of steel truss-diagonal bracing structure under 8 degree major earthquake

圖18　9度大震作用下鋼桁架+斜撐結(jié)構(gòu)整體損傷 Fig.18 Overall damage of steel truss-diagonal bracing structure under 9 degree major earthquake

計(jì)算分析表明：8度中震作用下，管柱開裂范圍較小，受拉損傷值最高約為0.75，結(jié)構(gòu)剛度退化為初始剛度的70%左右，處于可修復(fù)狀態(tài)；8度大震作用下，管柱受拉損傷增長較快，開裂范圍主要集中在柱底1/4處、牛腿下部和柱頂附近，柱底混凝土出現(xiàn)局部壓碎現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)剛度退化為初始剛度的48%左右，滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防要求；9度大震作用下，結(jié)構(gòu)損傷累積嚴(yán)重，管柱底部開裂與混凝土受壓損傷的范圍與程度遠(yuǎn)大于8度大震時(shí)的情況，剛度退化為初始剛度的36%，結(jié)構(gòu)仍能保持直立。

4實(shí)腹梁+斜撐結(jié)構(gòu)非線性地震響應(yīng)分析

4.1結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性參數(shù)

實(shí)腹梁+斜撐結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性參數(shù)如表5所示。

表5　實(shí)腹梁+斜撐結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性參數(shù)

4.2地震作用

圖19為實(shí)腹梁+斜撐結(jié)構(gòu)在不同強(qiáng)度地震作用下的基底剪力時(shí)程曲線。

計(jì)算分析表明：實(shí)腹梁+斜撐結(jié)構(gòu)的基底剪力時(shí)程曲線與鋼桁架+斜撐結(jié)構(gòu)的基底剪力時(shí)程曲線特點(diǎn)較為一致。8度小震作用下，結(jié)構(gòu)基本處于彈性狀態(tài)，最大正向與負(fù)向基底剪力分別為18 361 kN和-15 741 kN，剪重比分別為5.85%和-5.02%；隨著地震強(qiáng)度的增大，結(jié)構(gòu)剛度退化，地震作用隨地震強(qiáng)度的增加趨緩，8度中震作用下，最大正向與負(fù)向基底剪力分別為29 612 kN和-32 927 kN，剪重比分別為9.44%和-10.50%；隨著結(jié)構(gòu)損傷的累積發(fā)展，結(jié)構(gòu)剛度退化嚴(yán)重，動(dòng)力特性發(fā)生較大變化，基底剪力不再與地震強(qiáng)度成線性關(guān)系，峰值點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)刻延遲，在地震作用后期，結(jié)構(gòu)基底剪力曲線相鄰峰值之間的時(shí)間間距大于小震作用下基底剪力時(shí)程曲線相鄰波峰之間的間距，后期基底剪力峰值甚至小于較小地震作用下的結(jié)構(gòu)基底剪力峰值。其中，8度大震情況下，最大正向與負(fù)向基底剪力分別為43 055 kN和-41 666 kN，剪重比分別為13.73%和-13.28%；9度大震情況下，最大正向與負(fù)向基底剪力分別為60 826 kN和-61 718 kN，剪重比分別為19.39%和-19.68%。

圖19　不同強(qiáng)度地震實(shí)腹梁+斜撐結(jié)構(gòu) 作用下基底剪力時(shí)程曲線 Fig.19 Base shear time-history curves under different earthquake intensities of solid web girder-diagonal bracing structure

4.3變形性能

圖20為8度大震作用下實(shí)腹梁+斜撐結(jié)構(gòu)的整體變形圖；圖21為不同強(qiáng)度地震作用下的結(jié)構(gòu)側(cè)移包絡(luò)曲線。

圖20　8度大震作用下實(shí)腹梁+斜撐結(jié)構(gòu)整體變形 Fig.20 Deformation of solid web girder-diagonal bracing structure under 8 degree major earthquake

計(jì)算分析表明：實(shí)腹梁+斜撐結(jié)構(gòu)中的管柱在水平地震作用下存在反彎點(diǎn)，隨著地震作用的增強(qiáng)，側(cè)移中的剪切變形增大，整體側(cè)移逐漸趨于剪切型；8度小震作用下，柱頂最大側(cè)移角為1/1604，結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)；8度中震、8度大震和9度大震作用下，結(jié)構(gòu)均進(jìn)入彈塑性階段，發(fā)生不同程度的損傷，柱頂最大側(cè)移角分別為1/682、1/348、1/193。同時(shí)，計(jì)算表明：在各強(qiáng)度地震作用下，鋼桁架及A型架各構(gòu)件均處于彈性狀態(tài)，即主要依靠鋼筋混凝土管柱來提供延性，而依靠鋼桁架來承擔(dān)較大的豎向荷載，若鋼桁架在地震時(shí)發(fā)生嚴(yán)重破壞，則其上部支撐的昂貴設(shè)備的安全性則無法得到保證。

圖21　不同強(qiáng)度地震作用下 實(shí)腹梁+斜撐結(jié)構(gòu)側(cè)移包絡(luò)曲線 Fig.21 Lateral displacement envelope curves under different earthquake intensities of solid web girder-diagonal bracing structure

4.4管柱的損傷演化特性

圖(22-24)為鋼筋混凝土管柱在8度中震、8度大震和9度大震作用下的損傷形態(tài)。

圖22　8度中震作用下實(shí)腹梁+斜撐結(jié)構(gòu)整體損傷 Fig.22 Overall damage of solid web girder-diagonal bracing structure under 8 degree moderate earthquake

圖23　8度大震作用下實(shí)腹梁+斜撐結(jié)構(gòu)整體損傷 Fig.23 Overall damage of solid web girder-diagonal bracing structure under 8 degree major earthquake

圖24　9度大震作用下實(shí)腹梁+斜撐結(jié)構(gòu)整體損傷 Fig.24 Overall damage of solid web girder-diagonal bracing structure under 9 degree major earthquake

計(jì)算分析表明：8度中震作用下，僅在管柱底部和牛腿下部局部范圍內(nèi)出現(xiàn)受拉損傷，柱底局部混凝土有輕微的受壓損傷，結(jié)構(gòu)剛度退化為初始剛度的81%左右，處于可修復(fù)狀態(tài)；8度大震作用下，管柱損傷累積較大，受拉開裂范圍擴(kuò)大，柱底和牛腿底部縱筋已經(jīng)屈服，混凝土局部壓碎，結(jié)構(gòu)剛度退化為初始剛度的56%左右，滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防要求；9度大震作用下，結(jié)構(gòu)損傷比較嚴(yán)重，管柱開裂范圍達(dá)60%以上，柱底、牛腿底部和柱頂下部出現(xiàn)較大范圍受壓損傷，剛度退化為初始剛度的38%左右，結(jié)構(gòu)仍能保持直立。相較于鋼桁架+斜撐結(jié)構(gòu)，隨著地震強(qiáng)度的增大，實(shí)腹梁+斜撐結(jié)構(gòu)的剛度退化速度較慢。

5兩種帶斜撐型空冷支架結(jié)構(gòu)抗震性能對比

5.1地震作用對比

對比圖13和圖19所示鋼桁架+斜撐結(jié)構(gòu)與實(shí)腹梁+斜撐結(jié)構(gòu)的基底剪力時(shí)程曲線可以看出，兩類結(jié)構(gòu)基底剪力時(shí)程曲線的波形、幅值和變化特點(diǎn)均比較相似。表6為兩類結(jié)構(gòu)在不同強(qiáng)度地震作用下的最大基底剪力及剪重比對比情況?？梢钥闯?，在不同強(qiáng)度地震作用下，鋼桁架+斜撐結(jié)構(gòu)對應(yīng)的基底剪力與剪重比均大于實(shí)腹梁+斜撐結(jié)構(gòu)。分析認(rèn)為這主要是由于鋼桁架平臺(tái)平面外剛度比實(shí)腹梁平臺(tái)大導(dǎo)致的。

表6　兩類結(jié)構(gòu)的地震作用對比

5.2結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)對比

對比圖15與圖21所示兩種結(jié)構(gòu)在不同強(qiáng)度地震作用下的結(jié)構(gòu)側(cè)移包絡(luò)曲線，可以看出，兩類結(jié)構(gòu)的側(cè)移曲線變化特點(diǎn)相同，隨著地震作用的增強(qiáng)均由彎剪型趨于剪切型。

表7和表8分別為兩種結(jié)構(gòu)在不同強(qiáng)度地震作用下的最大位移與柱頂最大側(cè)移角?？梢钥闯觯诟鲝?qiáng)度地震作用下兩種結(jié)構(gòu)的位移大小均比較相近，其中，鋼桁架+斜撐結(jié)構(gòu)的牛腿(40m處)及下部位移略大于實(shí)腹梁+斜撐結(jié)構(gòu)，而牛腿上部位移略小于實(shí)腹梁+斜撐結(jié)構(gòu)。在不同強(qiáng)度地震作用下，鋼桁架+斜撐結(jié)構(gòu)的柱頂最大側(cè)移角略小于實(shí)腹梁+斜撐結(jié)構(gòu)。

表7　兩種結(jié)構(gòu)的最大位移對比

表8　兩種結(jié)構(gòu)的柱頂最大側(cè)移角對比

6結(jié)論

(1)有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較分析表明，本文提出的針對帶斜撐型空冷支架結(jié)構(gòu)的牛腿以及管柱頂部節(jié)點(diǎn)部位的簡化原則與建模方法比較合理。

(2)鋼桁架+斜撐結(jié)構(gòu)以及實(shí)腹梁+斜撐結(jié)構(gòu)的基底剪力時(shí)程曲線特點(diǎn)比較接近，其中，由于鋼桁架平臺(tái)平面外剛度比實(shí)腹梁平臺(tái)大導(dǎo)致鋼桁架+斜撐結(jié)構(gòu)對應(yīng)的最大基底剪力與剪重比均大于實(shí)腹梁+斜撐結(jié)構(gòu)。

(3)鋼桁架+斜撐結(jié)構(gòu)與實(shí)腹梁+斜撐結(jié)構(gòu)的側(cè)移包絡(luò)曲線特點(diǎn)相同，隨著地震強(qiáng)度的增大均由彎剪型趨于剪切型變形，均能夠滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防要求；兩種結(jié)構(gòu)在不同強(qiáng)度地震作用下的位移響應(yīng)相近，其中，鋼桁架+斜撐結(jié)構(gòu)的牛腿及其下部位移略大于實(shí)腹梁+斜撐結(jié)構(gòu)，而牛腿上部位移略小于實(shí)腹梁+傘撐結(jié)構(gòu)；不同強(qiáng)度地震作用下，鋼桁架+斜撐結(jié)構(gòu)的最大柱頂側(cè)移角略小于實(shí)腹梁+斜撐結(jié)構(gòu)。相較于鋼桁架+斜撐結(jié)構(gòu)，實(shí)腹梁+斜撐結(jié)構(gòu)的剛度退化速度較慢。

(4)研究表明，鋼桁架+斜撐結(jié)構(gòu)與實(shí)腹梁+斜撐結(jié)構(gòu)均能夠滿足大容量機(jī)組火電廠在高強(qiáng)度區(qū)的抗震需求，是值得推廣應(yīng)用的新型結(jié)構(gòu)體系。

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