王群

（中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司 北京 100120）

0 引言

近些年來，隨著城市發(fā)展速度越來越快，垃圾圍城問題日漸突出，其中垃圾焚燒發(fā)電作為減量化、無害化、資源化處理生活垃圾的方式，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。通過垃圾焚燒發(fā)電，可以變廢為寶，對改善城市生態(tài)環(huán)境、助力城市綠色可持續(xù)發(fā)展起到重要的推動作用。

垃圾焚燒項目工藝流線復(fù)雜，單體眾多，其中主廠房是垃圾焚燒發(fā)電廠中最核心的區(qū)域。主廠房通常由焚燒廠房（卸料大廳與垃圾池、焚燒間及煙氣凈化間）、除渣間、汽機(jī)間、主控間、飛灰暫存間以及升壓站等單體組成。其中焚燒間及煙氣間由于工藝布置及建筑造型要求，在平面上存在長度大、跨度大等諸多問題；在立面上存在高度高、高度相差較大等問題，導(dǎo)致空間整體性較差。焚燒間及煙氣間的結(jié)構(gòu)方案如下：采用鋼排架結(jié)構(gòu)，其中鋼柱采用四肢鋼管格構(gòu)柱以及雙肢鋼管抗風(fēng)柱，并在廠房四周的格構(gòu)柱之間布置三角鋼桁架；在焚燒間與煙氣凈化間分界處如有需要可只在頂部設(shè)置水平桁架，下方可不設(shè)置水平鋼桁架，工藝專業(yè)可以充分利用下方的空間進(jìn)行設(shè)備和管道布置；屋蓋采用螺栓球網(wǎng)架，鋼格構(gòu)柱施工完成后即可施工屋面網(wǎng)架，網(wǎng)架施工可配合高空滑移安裝技術(shù)，有效減少與設(shè)備安裝的交叉，縮短總體施工周期。

本文通過對某垃圾焚燒發(fā)電項目中焚燒間及煙氣凈化間鋼排架結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能研究，采用Pushover 的方法進(jìn)行罕遇地震下的靜力彈塑性分析計算，目的是預(yù)測結(jié)構(gòu)罕遇地震作用下的地震峰值響應(yīng)，找出結(jié)構(gòu)的薄弱部位，了解該結(jié)構(gòu)體系的變形能力、破壞機(jī)理以及薄弱部位等，并在設(shè)計時進(jìn)行加強(qiáng)。

1 工程概況

本項目為一座日處理800 t 垃圾的生活垃圾焚燒發(fā)電廠，采用2×400 t/d 的垃圾焚燒線，配備1×18 MW 汽輪機(jī)+1×20 MW 發(fā)電機(jī)。建設(shè)地區(qū)的氣象條件如下：基本風(fēng)壓（50 年一遇）：ω0=0.30 kN/m2，地面粗糙度為B 類，基本雪壓：S0=0 kN/m2。建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為8 度（0.20 g），設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類。焚燒間部分平面尺寸為36.875 m×41.625 m，焚燒間格構(gòu)柱柱頂高度為41.500 m；煙氣凈化間部分平面尺寸為32.575 m×41.625 m，煙氣凈化間格構(gòu)柱柱頂高度為38.000 m。四肢鋼管格構(gòu)柱平面尺寸為2.5 m×2 m，鋼管直徑為299 mm，鋼管壁厚有兩種：14 mm 和16 mm；雙肢抗風(fēng)柱平面尺寸為2 m，鋼管直徑為377 mm，鋼管壁厚有兩種：14 mm 和16 mm，格構(gòu)柱材質(zhì)均采用Q355B 焊接鋼管；抗風(fēng)桁架采用三角桁架，尺寸為1.5 m（寬）×1.2 m（高），鋼桁架材質(zhì)均采用Q235B 鋼材。

2 罕遇地震作用下靜力彈塑性分析

本文采用有限元軟件Midas Gen V8.0.0 建立分析模型，進(jìn)行Pushover 分析的主要步驟如下：①建立整體模型；②定義Pushover 主控數(shù)據(jù)；③添加Pushover 荷載工況，選擇位移控制，確定荷載加載模式；④定義并分配塑性鉸；⑤運行計算，得到性能控制點參數(shù)，輸出Pushover 曲線；⑥分析層間位移角、出鉸狀態(tài)等結(jié)果。

將能力譜與罕遇地震的彈塑性需求譜畫在同一坐標(biāo)系中，兩曲線的交點即為性能控制點。若能力譜與彈塑性需求譜曲線沒有交點，說明結(jié)構(gòu)抵抗罕遇地震的時候承載力不足，需要調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計方案［1］。在計算性能控制點時，有2 種計算方法：Procedure-A 和Procedure-B。其中Procedure-A 的方法是通過能力譜的初始剛度直線與阻尼比為5%的需求譜的交點作為初始性能點，建立多個阻尼比的彈性反應(yīng)譜，經(jīng)過反復(fù)計算得到性能點，但往往收斂性不好。因此設(shè)計時采用Procedure-B 的方法，此方法是通過非線性設(shè)計響應(yīng)譜和有效周期的交點形成的軌跡與能力譜的交點作為性能點，其收斂性較好。

在Midas Gen 軟件中，通過離散的塑性鉸模擬桿件的非線性行為，根據(jù)不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力特點，設(shè)置不同種類的塑性鉸。本工程對格構(gòu)柱柱肢設(shè)置彎矩軸力相關(guān)（PMM）塑性鉸，對梁設(shè)置彎曲（M）塑性鉸，對桁架設(shè)置軸力（F）塑性鉸，骨架曲線選用適合鋼結(jié)構(gòu)的三折線。由于荷載的加載模式直接影響計算結(jié)果，因此應(yīng)至少采用兩種以上的加載模式進(jìn)行Pushover分析［2］。

本工程采用模態(tài)加載模式和加速度常量的加載模式分別對X、Y 兩方向進(jìn)行推覆分析，得到靜力彈塑性曲線。在能力譜比需求譜曲線中，需求譜曲線共4 條，這4 條曲線對應(yīng)的是阻尼比分別為5%、10%、15%、20%的需求譜曲線。能力譜與其中1 條需求譜的交點形成性能點。各工況下靜力彈塑性曲線（能力譜比需求譜曲線）如圖1～圖4 所示。從靜力彈塑性曲線中可以看出：結(jié)構(gòu)在X、Y 方向地震作用下，均能得到性能點，從各工況下結(jié)構(gòu)的能力曲線即基底剪力-控制位移曲線的發(fā)展趨勢可以看到，當(dāng)達(dá)到最大位移時，結(jié)構(gòu)整體剛度并未急劇減小，說明結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，滿足在罕遇地震下結(jié)構(gòu)承載力的需求。

圖1 X 向模態(tài)加載

圖2 X 向加速度加載

圖3 Y 向模態(tài)加載

圖4 Y 向加速度加載

本工程結(jié)構(gòu)在各工況下性能點的參數(shù)如表1 所示。其中，V 表示在性能控制點的最大基底剪力，D 表示塑性狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的最大位移，Sa 表示性能控制點處譜的加速度，Sd 表示性能控制點處譜的位移［3］。結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角均滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（2016 年版）的規(guī)定，即滿足多、高層鋼結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角限值為1/50［4］的規(guī)定。通過查看各個加載模式下塑性鉸分布情況，可以看出結(jié)構(gòu)僅出現(xiàn)少量的塑性鉸，塑性鉸均出現(xiàn)在格構(gòu)柱的斜腹桿位置，且數(shù)量較少，柱肢并未出現(xiàn)塑性鉸，展現(xiàn)了良好的抗震性能。

表1 不同加載方式的性能點參數(shù)

3 結(jié)論

通過對焚燒間及煙氣凈化間鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力彈塑性分析，得出以下3 點結(jié)論：

（1）本工程鋼結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的層間位移角遠(yuǎn)小于規(guī)范限值，且和彈性變形位移角要求的限值接近，反映出大部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件在罕遇地震作用下仍處于彈性狀態(tài)，在達(dá)到性能點之后結(jié)構(gòu)還有富裕的承載力，符合《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（2016 年版）中“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

（2）構(gòu)件在罕遇地震作用下有少量塑性鉸出現(xiàn)，且塑性鉸均是先出現(xiàn)在焚燒間與煙氣間共用的格構(gòu)柱的斜腹桿上，呈現(xiàn)出由外側(cè)的兩根格構(gòu)柱向向里側(cè)的格構(gòu)柱發(fā)展、從靠近上方的斜腹桿向下方的斜腹桿發(fā)展的規(guī)律。在抗震設(shè)計時應(yīng)加強(qiáng)對共用的三根格構(gòu)柱中出現(xiàn)塑性鉸的構(gòu)件的設(shè)計，提高整體抗震承載力。

（3）采用靜力彈塑性分析進(jìn)行抗震分析時概念清晰，操作簡單得到的分析結(jié)果也較為準(zhǔn)確，能夠迅速幫助設(shè)計人員預(yù)測結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的響應(yīng)情況，了解構(gòu)件的破壞情況及發(fā)展規(guī)律，鎖定結(jié)構(gòu)的薄弱部位，使設(shè)計更加安全、合理。