郭世江，劉厚營，袁昌魯

(1.北京大學 工學院，北京 100871；2.青島城市建筑設計院有限公司，青島 266000；3.山東建筑大學 土木工程學院，濟南 250101)

鋼筋混凝土豎向框排架結(jié)構是我國火電廠主廠房的主要結(jié)構形式，對于該類結(jié)構形式進行非線性分析是必要的[1-2].根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)[3]規(guī)定，可以采用簡化的彈塑性分析方法，而靜力彈塑性(Push-over)分析方法計算簡便，基本上能反映結(jié)構的非線性性質(zhì)，并能探明結(jié)構的薄弱環(huán)節(jié).本文以華能西寧熱電廠某新建工程為背景，對主廠房豎向框排架結(jié)構在抗震設防烈度7度(0.15g)、8度(0.20g)下進行靜力彈塑性分析及抗震性能評估，為主廠房框排架結(jié)構的抗震設計提供參考.

1 工程概況

圖1 汽機房剖面布置

華能西寧熱電一期2×350 MW熱電聯(lián)產(chǎn)工程廠址位于青海省西寧市湟中縣西堡鎮(zhèn).抗震設防烈度7度，50年超越概率10%的地震動峰值加速度為0.153g，建筑場地類別Ⅱ類，設計地震分組第三組,50年一遇基本風壓0.35 kPa.

該工程主廠房柱距10，12 m，跨度26 m，總長度為131.2(60+70+1.2)m，中間層及運轉(zhuǎn)層標高分別為6.3,12.6 m.汽機房運轉(zhuǎn)層以下采用鋼筋混凝土框架結(jié)構，運轉(zhuǎn)層以上采用鋼筋混凝土排架結(jié)構，汽機房梯形鋼屋架與A,B列柱鉸接，汽機房橫向形成豎向框排架結(jié)構體系，汽機房縱向為多層框架體系.汽機房屋蓋采用鋼梁+壓型鋼板底模+輕骨料鋼筋混凝土板的組合屋面板體系；中間層及運轉(zhuǎn)層平臺板采用鋼梁+鋼筋混凝土板的組合樓板.本文選取其中總長度60 m的一臺機主廠房為研究對象，汽機房剖面如圖1所示.

2 Push-over分析

靜力彈塑性分析(Push-over)方法也稱為推覆法[4]，該方法彌補了傳統(tǒng)的基于承載力設計方法無法估計結(jié)構進入塑性階段的缺陷，在計算結(jié)果相對準確的基礎上，改善了動力時程分析方法技術復雜、計算工作量大、處理結(jié)果繁瑣，同時，該方法能夠非常簡捷地求出結(jié)構非彈性效應、局部破壞機制和整體倒塌的形成方式，便于進一步對已有建筑的抗震鑒定和加固，對新建筑的抗震性能評估以及設計方案進行修正等[5-6].Push-over法以其概念明確、計算簡單、能夠圖形化表達結(jié)構的抗震需求和性能等特點，正逐漸受到研究和設計人員的重視和推廣[7].

本文采用MIDAS-GEN軟件對主廠房豎向框排架結(jié)構進行彈塑性分析，MIDAS-GEN軟件使用ATC-40的方法來計算目標性能[8-9]，力-位移曲線如圖2所示.使用已定義的靜力荷載工況作為荷載模式，塑性鉸參數(shù)采用FEMA模型，在各框架梁端設置彎矩鉸(MyMz鉸)，在各柱端設置了軸力彎矩鉸(PMM鉸)，在支撐中部設置軸力鉸(P鉸).荷載步增幅次數(shù)20次，采用主節(jié)點位移控制，主方向選取第一振型的Dy.

3 分析結(jié)果及性能評價

3.1 7度(0.15g)罕遇地震下Push-over分析

本文按加速度常量(即按質(zhì)量分布)對實際屋架模型施加Push工況，采用加速度常量側(cè)向加載方式進行分析，結(jié)構性能點位置及層間剪力分布如圖3、圖4所示.

圖2 塑性鉸示意

圖4 罕遇地震7度(0.15g)情況下結(jié)構各層剪力分布

根據(jù)圖3可以看出，該結(jié)構能力譜曲線穿過需求譜，兩曲線有交點，存在性能點，即結(jié)構Y方向的抗震性能滿足7 度(0.15g)罕遇地震作用的要求.實際屋架模型的性能點位于第9步，此時目標點Dy達到0.115 m，相應的基底剪力為11 460 kN(圖4)，與小震下基底剪力的比值為2.5，說明主廠房豎向框排架結(jié)構在7度(0.15g)罕遇地震情況下具有一定的地震抗力儲備.從塑性鉸的狀態(tài)看(圖5)，實際屋架模型中3.4%的塑性鉸進入塑性階段，同樣分布在首層(6.3 m層)及運轉(zhuǎn)層平臺(12.6 m層)中的梁構件，此時有柱構件進入塑性階段.

圖5 罕遇地震7度(0.15g)情況下Push-over分析結(jié)構塑性鉸狀態(tài)分布

圖6 Push-over分析結(jié)構性能點時Y向?qū)娱g位移曲線

圖7 Push-over分析結(jié)構性能點時層間位移角曲線

圖6、圖7為主廠房豎向框排架結(jié)構在性能點處的層間位移、層間位移角.從圖6可以看出結(jié)構在第2層剛度突變，由于結(jié)構運轉(zhuǎn)層設置鋼梁澆制板，剛度較大，結(jié)構層位移較小，其結(jié)果是合理的；從圖7可以看出剛性桿模型結(jié)構彈塑性層間位移角最大為1/178，相應實際屋架模型結(jié)構彈塑性層架位移角為1/159，均滿足《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)中彈塑性位移角限值1/30的要求.

通過對主廠房豎向框排架結(jié)構在7度(0.15g)罕遇地震下的Push-over分析可知：主廠房豎向框排架結(jié)構的強度和剛度能夠滿足抗震設計要求的“小震不壞，大震不倒”的抗震設防目標，由結(jié)構出現(xiàn)的塑性鉸及其損傷狀態(tài)可知，結(jié)構存在一些薄弱環(huán)節(jié)，主要集中在梁柱節(jié)點、角柱處，從層間位移曲線可以看出結(jié)構剛度存在突變，在設計時必須考慮屋架與混凝土排架柱的連接強度，以便能夠保證整體結(jié)構的協(xié)同抗震性能，從而避免整個屋架體系的失效.

3.2 8度(0.2g)罕遇地震下Push-over分析

為進一步論證結(jié)構在8度(0.20g)罕遇地震下能否滿足“大震不倒”的抗震設防目標，本文采用主廠房豎向框排架結(jié)構在多遇地震下計算的配筋(對超筋構件適當調(diào)整)，運用上文所述的Push-over方法對結(jié)構進行8度(0.20g)罕遇地震彈塑性分析，以便評估結(jié)構在8度(0.20g)罕遇地震下的抗震性能.結(jié)構性能點位置及層間剪力分布如圖8、圖9所示.

由圖8可知，主廠房豎向框排架結(jié)構在8度(0.20g)罕遇地震下存在性能點，性能點位于第15步，此時目標點Dy達到0.141 m，相應的基底剪力為13 860 kN(圖9)，與小震下基底剪力比值為2.1.

從塑性鉸的狀態(tài)看(圖10)，剛性桿模型中有6.7%的塑性鉸進入塑性階段，基本分布在首層(6.3 m層)及運轉(zhuǎn)層平臺(12.6 m層)中的梁構件，結(jié)構下部柱構件基本全部進入塑性階段，整體結(jié)構在性能點處底層柱塑性鉸比例過大，局部底層柱已經(jīng)開始進入完全塑性狀態(tài)，整個結(jié)構處于破壞邊緣.

圖9 罕遇地震8度(0.20g)情況下結(jié)構各層剪力分布

圖10 罕遇地震8度(0.20g)情況下Push-over分析結(jié)構塑性鉸狀態(tài)分布

4 結(jié)論

本文以青海西寧熱電廠某新建工程為背景，采用MIDAS-GEN軟件對主廠房豎向框排架結(jié)構在7度(0.15g)、8度(0.20g)罕遇地震作用下進行了Push-over分析，得出結(jié)論如下：

1) 主廠房豎向框排架結(jié)構在7度(0.15g)罕遇地震作用下，結(jié)構仍處于強化上升階段；從性能點處塑性鉸分布情況分析，塑性鉸主要出現(xiàn)在框架梁上，基本實現(xiàn)了“強柱弱梁”的性能目標，從總體上來看，主廠房豎向框排架結(jié)構在7度(0.15g)罕遇地震作用下表現(xiàn)出良好的抗震性能.

2) 在設計時需特別注意屋架支座與框排架柱的節(jié)點連接設計，以免屋架支座在7度(0.15g)罕遇地震作用下破壞導致整個屋蓋失效坍塌，造成運轉(zhuǎn)層設備破壞.

3) 主廠房豎向框排架結(jié)構在8度(0.20g)罕遇地震作用下，整體結(jié)構在性能點處底層柱塑性鉸比例過大，局部底層柱已經(jīng)開始進入完全塑性狀態(tài)，結(jié)構處于破壞邊緣.

4) 由于主廠房豎向框排架結(jié)構體系本身的缺陷，頂層的排架與抗震設防要求的多道防線相違背，因此，當抗震設防烈度為8度(0.20g)及以上或重要電廠不宜采用該結(jié)構形式.