江賽雄 ，傅 強(qiáng)

（1.中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計院有限公司，四川 成都 610021；2.新一代建筑技術(shù)及應(yīng)用研究中心，四川 成都 610021）

0 引言

電力系統(tǒng)是保障國家經(jīng)濟(jì)生命線正常運作的重要支撐，對廠區(qū)內(nèi)的建(構(gòu))筑物的抗震性能研究也是專家學(xué)者的研究熱點[1-4]。轉(zhuǎn)運站是火力發(fā)電廠輸煤系統(tǒng)中的核心建筑物，是設(shè)置在輸煤皮帶之間的輸煤中轉(zhuǎn)站。由皮帶機(jī)層及一般樓層組成，主要布置有皮帶機(jī)、落煤管及檢修設(shè)施，與輸煤棧橋均設(shè)置有接口。建筑物高度根據(jù)輸煤皮帶機(jī)及檢修吊車的高度確定，結(jié)構(gòu)具有高寬比較大、跨數(shù)較少、層高較大、結(jié)構(gòu)平立面開洞多且不規(guī)則等特點，屬于電廠抗震重點設(shè)防類建筑。

某電廠處于抗震設(shè)防烈度為8度(0.3g)區(qū)，特征周期0.45 s，場地為II類，設(shè)計地震分組為第三組，轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)選用鋼結(jié)構(gòu)。

為提高轉(zhuǎn)運站的抗震性能，研究設(shè)置抗震層的效果，分別建立了兩層和五層兩個結(jié)構(gòu)模型，選取了5條典型地震波和2條人工地震波，采用時程分析法，對結(jié)構(gòu)設(shè)置隔震層與不設(shè)置抗震層進(jìn)行了抗震性能比較，并從技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的原則出發(fā)，提出了高烈度區(qū)鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運站隔震設(shè)計方案。

1 隔震結(jié)構(gòu)模型

1.1 模型的建立

以某火力發(fā)電廠鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運站為原型，選取兩層和五層結(jié)構(gòu)布置形式，兩層結(jié)構(gòu)中第二層為輸煤頭部皮帶層，結(jié)構(gòu)寬度12 m，高度16.294 m，結(jié)構(gòu)高寬比約1.36；五層結(jié)構(gòu)中第三層、第五層為輸煤頭部皮帶層，結(jié)構(gòu)寬度12 m，高度31.794 m，結(jié)構(gòu)高寬比約2.65。

為便于對比分析，模型分別建立了不設(shè)基礎(chǔ)隔震支座和設(shè)置基礎(chǔ)隔震支座兩種。不設(shè)基礎(chǔ)隔震支座結(jié)構(gòu)，柱腳連接采用橫向固接、縱向鉸接的形式；設(shè)置基礎(chǔ)隔震支座結(jié)構(gòu)，柱腳連接橫向及縱向均采用固接的形式；上部結(jié)構(gòu)橫向框架為剛接結(jié)構(gòu)體系，縱向框架為鉸接排架+中心支撐結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)布置、隔震支座設(shè)置、結(jié)構(gòu)分析等均執(zhí)行相關(guān)國家現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范[5-9]。

鋼梁和鋼柱均采用Q235B；樓面采用壓型鋼板底模的現(xiàn)澆混凝土組合樓板，壓型鋼板波高76 mm，混凝土板厚度120 mm，混凝土強(qiáng)度等級C30，恒荷載取4.1 kN/m2。皮帶機(jī)層活荷載取10.0 kN/m2，其他層活荷載取4.0 kN/m2，屋面活荷載取1.0 kN/m2；皮帶拉力荷載按集中力輸入到樓面鋼梁上。結(jié)構(gòu)阻尼比取0.04。轉(zhuǎn)運站所在地區(qū)的設(shè)防烈度為8度(0.3g)，特征周期0.45 s，場地為II類，設(shè)計地震分組為第三組。50 a一遇基本風(fēng)壓約0.5 kN/m2，不考慮雪荷載。

結(jié)構(gòu)計算采用有限元軟件SAP2000進(jìn)行分析，在軟件中框架單元建立結(jié)構(gòu)桿系模型，模型結(jié)構(gòu)的建立進(jìn)行了一定的簡化，未輸入對結(jié)構(gòu)分析影響較小的樓面鋼次梁以及非主要結(jié)構(gòu)荷載，并且對部分同類鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面作了歸一化處理。隔震支座利用桿件連接截面屬性進(jìn)行定義，再采取桿件繪制的方式建入有限元模型。轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)的剖面布置圖及梁、柱截面尺寸如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)剖面圖

1.2 隔震支座參數(shù)確定及隔震層模型的建立

根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第12.1.3條要求，風(fēng)荷載和其他非地震作用的水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的總水平力不宜超過結(jié)構(gòu)總重力的10%，另根據(jù)GB/T 51408—2021《建筑隔震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》第4.6.8條規(guī)定，風(fēng)荷載下隔震層水平剪力設(shè)計值應(yīng)小于隔震層抗風(fēng)承載力設(shè)計值，隔震層抗風(fēng)承載力主要由抗風(fēng)裝置和隔震支座的屈服力構(gòu)成，該轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)未設(shè)置抗風(fēng)裝置，因此隔震層抗風(fēng)承載力設(shè)計值按隔震層總屈服強(qiáng)度設(shè)計值確定。

隔震層總屈服力：

式中：γw為風(fēng)荷載分項系數(shù)；Vwk為風(fēng)荷載作用下隔震層水平剪力標(biāo)準(zhǔn)值；VRw為隔震層總屈服力。

由于橡膠隔震支座不能提供足夠的支座屈服力，因此所有框架柱底均采用鉛芯橡膠隔震支座(LRB)。經(jīng)試算，五層結(jié)構(gòu)選用屈服力較大的LRB700隔震支座，鉛芯橡膠隔震支座總屈服力與上部結(jié)構(gòu)重力比值(屈重比)約7.0%；兩層結(jié)構(gòu)選用屈服力較小的LRB500隔震支座，鉛芯橡膠隔震支座總屈服力與上部結(jié)構(gòu)重力比值(屈重比)約為2.3%。

此外，為對隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行較真實的分析模擬，數(shù)值模型中隔震支座主要結(jié)構(gòu)力學(xué)性能參數(shù)設(shè)計值應(yīng)通過隔震支座的滯回模型分析求得。

在時程分析中，LRB隔震支座的非線性滯回曲線可以簡化為雙線性模型，如圖2所示，由該簡化模型可求出隔震支座初始剛度Kb1和屈服后剛度Kb2：

圖2 滯回模型

圖2模型上的點(Xy，Qy)即為支座的屈服點，簡化的雙線性模型中Keq為等效水平剪切剛度，它是雙線性模型曲線上兩個對角點a、b連線的斜率，計算式為：

式中：Keq為等效水平剛度；Xb為最大水平正位移；Xa為最大水平負(fù)位移；Qb為與Xb對應(yīng)的水平剪力；Qa為與Xa對應(yīng)的水平剪力。

隔震結(jié)構(gòu)所選鉛芯橡膠隔震支座參數(shù)見表1所列。如圖3所示給出了隔震結(jié)構(gòu)隔震層隔震支座的布置情況(括號中內(nèi)容對應(yīng)于五層模型結(jié)構(gòu))。

表1 隔震支座參數(shù)

圖3 結(jié)構(gòu)隔震層隔震支座平面布置示意圖

2 地震波選取與輸入

2.1 地震波的選取

根據(jù)規(guī)范要求，時程分析需要選取不少于3條地震波進(jìn)行數(shù)值分析，且自然地震波不能少于總波數(shù)的2/3，本文擬選取5條自然地震波以及2條人工地震波。其中自然地震波從美國太平洋地震工程研究中心(PEER)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行選取，為更真實反應(yīng)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，從數(shù)據(jù)庫中篩選出結(jié)構(gòu)主要周期范圍內(nèi)地震波反應(yīng)譜與目標(biāo)反應(yīng)譜數(shù)值吻合的地震波，并對自然地震波原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了相應(yīng)的處理，剔除了具有脈沖性的地震波。人工地震波則利用MATLAB軟件生成與目標(biāo)反應(yīng)譜相擬合的地震波。見表2所列為本文選用的7條地震波基本信息，如圖4所示為地震波加速度—時間曲線圖。

表2 結(jié)構(gòu)動力分析所用地震波信息

圖4 7條地震波加速度-時間反應(yīng)

2.2 地震波的輸入

作者對兩層及五層轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)進(jìn)行了8度(0.3g)多遇地震、設(shè)防地震、罕遇地震下的地震動響應(yīng)對分析，為了更直觀的對其隔震效果進(jìn)行比較，統(tǒng)一提取了罕遇地震作用下的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。同時，地震波輸入時，考慮地震動水平雙向輸入，將地震波動峰值加速度按1∶0.85進(jìn)行調(diào)幅，并將處理后的地震波在轉(zhuǎn)運站兩層結(jié)構(gòu)與五層結(jié)構(gòu)的水平X向、水平Y(jié)向輸入。如圖5所示為7條地震動速度反應(yīng)譜。

圖5 7條地震動速度反應(yīng)譜

3 隔震效果分析

利用國際通用結(jié)構(gòu)分析軟件SAP2000對轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析。為對結(jié)構(gòu)隔震性能有較直觀的比較，分別對未設(shè)置基礎(chǔ)隔震支座結(jié)構(gòu)與設(shè)置了基礎(chǔ)隔震支座結(jié)構(gòu)進(jìn)行了8度(0.2g)多遇地震下的地震動響應(yīng)分析。

3.1 結(jié)構(gòu)動力特性分析

如圖6所示給出未設(shè)置基礎(chǔ)隔震支座，前3階模態(tài)的振型，兩個結(jié)構(gòu)的第1階振型主要是縱方向，其中兩層結(jié)構(gòu)振動周期最大為0.651 s，五層結(jié)構(gòu)振動周期最大為1.489 s；第2階振型均為橫方向，其中兩層結(jié)構(gòu)振動周期最大為0.429 s，五層結(jié)構(gòu)振動周期最大為1.178 s；第3階振型均為反對稱振動，兩層結(jié)構(gòu)振動周期最大為0.278 s，五層結(jié)構(gòu)振動周期最大為0.827 s?？梢娢鍖咏Y(jié)構(gòu)相比兩層結(jié)構(gòu)剛度偏柔，且結(jié)構(gòu)的橫向剛度要大于縱向剛度。

圖6 結(jié)構(gòu)前3階自振振型

同時，為比較隔震前結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)動力特性差異，本文統(tǒng)計了兩層結(jié)構(gòu)與五層結(jié)構(gòu)設(shè)置了基礎(chǔ)隔震支座前后前12階振型的結(jié)構(gòu)自振周期變化情況，見表3所列。

表3 結(jié)構(gòu)自振周期對比表

隔震支座有效的延長了結(jié)構(gòu)的自振周期，兩層結(jié)構(gòu)第1階自振周期從0.651 s提高到了2.147 s，增長率達(dá)到了329.8%，第2階自振周期從0.429 s提高到了1.955 s，增長率達(dá)到了455.7%，第3階自振周期從0.278 s提高到了0.911 s，增長率達(dá)到了327.7%，前3階自振周期平均增大了371.1%；五層結(jié)構(gòu)第1階自振周期從1.489 s提高到了2.396 s，增長率達(dá)到了160.9%，第2階自振周期從1.178s提高到了2.106 s，增長率達(dá)到了178.8%，第3階自振周期從0.827 s提高到了1.572 s，增長率達(dá)到了190.1%，前3階自振周期平均增大了176.6%。

對比結(jié)果表明，隔震支座延長了結(jié)構(gòu)自振周期，兩層結(jié)構(gòu)比五層結(jié)構(gòu)延長的周期比例更高，使結(jié)構(gòu)的自振周期遠(yuǎn)離了場地卓越周期，有效的避開了地震的高頻地帶，很大程度上減少了由基礎(chǔ)傳遞到上部結(jié)構(gòu)的水平地震作用，提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。

3.2 基底剪力

為進(jìn)一步研究轉(zhuǎn)運站隔震結(jié)構(gòu)的隔震效果，提取了在7條地震波作用下隔震前原結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)的基底剪力數(shù)值，通過對比隔震前后基底剪力變化，分析兩個結(jié)構(gòu)的隔震效果差異。轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)基底剪力統(tǒng)計如圖7所示。

圖7 結(jié)構(gòu)基底剪力統(tǒng)計圖

兩層結(jié)構(gòu)與五層結(jié)構(gòu)在設(shè)置了基礎(chǔ)隔震后，基底剪力相比隔震前原結(jié)構(gòu)均有不同幅度的降低，兩層結(jié)構(gòu)隔震前在7條地震波作用下，基底剪力平均值為92.60 kN，隔震后在7條地震波作用下，基底剪力平均值為43.04 kN，隔震效率達(dá)到了53.52%；五層結(jié)構(gòu)隔震前在7條地震波作用下，基底剪力平均值為131.26 kN，隔震后在7條地震波作用下，基底剪力平均值為105.60 kN，隔震效率達(dá)到了19.55%。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，設(shè)置基礎(chǔ)隔震支座對減小柱底剪力起到了有效作用，且兩層結(jié)構(gòu)基底剪力降低幅度比較五層結(jié)構(gòu)更加大，兩層結(jié)構(gòu)隔震效率較五層結(jié)構(gòu)更高。這是由于兩層結(jié)構(gòu)隔震層屈重比約2.3%，五層結(jié)構(gòu)隔震層屈重比7.0%，隨著隔震層屈重比增大，隔震層耗能減少，因此提供的附加阻尼作用減弱，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)隔震效果降低。

3.3 層間位移與層間剪力

進(jìn)一步，提取轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)樓層層間位移與樓層層間剪力數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，統(tǒng)計了地震響應(yīng)參數(shù)在7條地震波作用下的數(shù)據(jù)平均值。以考察兩層結(jié)構(gòu)與五層結(jié)構(gòu)的隔震效果差異。結(jié)構(gòu)層間位移與層間剪力對比見表4、表5所列。

表4 兩層結(jié)構(gòu)隔震后結(jié)構(gòu)層間位移角與層間剪力變化

表5 五層結(jié)構(gòu)隔震后結(jié)構(gòu)層間位移角與層間剪力變化

由表4、表5可知，轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)設(shè)置了基礎(chǔ)隔震支座后，兩層結(jié)構(gòu)與五層結(jié)構(gòu)的樓層層間位移與層間剪力均得到了有效降低，其中兩層結(jié)構(gòu)隔震后位移角降低最大幅度達(dá)到了33.7%，層間剪力降低最大幅度達(dá)到了28.4%；五層結(jié)構(gòu)隔震后位移角降低最大幅度達(dá)到了29.7%，層間剪力降低最大幅度達(dá)到了15.5%。同樣的，由于結(jié)構(gòu)屈重比的差異，導(dǎo)致轉(zhuǎn)運站兩層結(jié)構(gòu)隔震效果較五層結(jié)構(gòu)更好。

4 經(jīng)濟(jì)性及適用性分析

為了對采用隔震技術(shù)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行工程經(jīng)濟(jì)性量化分析，本文根據(jù)某河北某隔震支座廠家提供的數(shù)據(jù)，對原結(jié)構(gòu)與隔震后結(jié)構(gòu)的造價情況進(jìn)行了對比分析，經(jīng)統(tǒng)計，在不考慮基礎(chǔ)土建成本及裝飾裝修、工藝設(shè)備的情況下，兩層結(jié)構(gòu)土建成本造價約42萬元，采用隔震技術(shù)后，主體結(jié)構(gòu)造價約能降低到35萬元，隔震支座以及隔震層費用約10萬元，總造價約45萬元；五層結(jié)構(gòu)土建成本造價約120萬元，采用隔震技術(shù)后，主體結(jié)構(gòu)造價約能降低到108萬元，隔震支座以及隔震層費用約15萬元，總造價約123萬元。采用隔震技術(shù)后，本文所選典型轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能與結(jié)構(gòu)安全性，但結(jié)構(gòu)的工程造價會略有提高。此外，隨著地震設(shè)防烈度的增大，建筑物投影面積的增加，以及設(shè)計合理的隔震方案，選取恰當(dāng)?shù)母粽饏?shù)，可以進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的工程經(jīng)濟(jì)性。

此外，由于采用了隔震技術(shù)，通常上部結(jié)構(gòu)的絕對位移在下部樓層會增大，在上部樓層可能會減小。根據(jù)規(guī)范要求，隔震結(jié)構(gòu)周邊應(yīng)考慮豎向隔離縫，縫寬不宜小于各隔震支座在罕遇地震作用下最大水平位移值的1.2倍，且不小于200 mm。由于本文采用了7條地震波進(jìn)行了時程分析，計算地震水平位移時可以取7條地震波的平均值。經(jīng)統(tǒng)計，兩層結(jié)構(gòu)需要預(yù)留的結(jié)構(gòu)變形縫尺寸為384 mm，五層結(jié)構(gòu)需要預(yù)留的結(jié)構(gòu)變形縫尺寸為200 mm。因此在進(jìn)行隔震設(shè)計時，需要結(jié)構(gòu)專業(yè)將結(jié)構(gòu)變形值提供給工藝專業(yè)，專業(yè)間緊密配合，對與建筑有接口的輸煤皮帶、管道或電纜采取設(shè)置膨脹節(jié)、彈簧吊架等措施，以消除結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力，以免對結(jié)構(gòu)或設(shè)備造成損壞。若實在有處理難度時，也可以通過調(diào)整隔震支座參數(shù)，對隔震層位移進(jìn)行有效控制。

5 結(jié)論

本文以某高烈度區(qū)大型火力發(fā)電廠典型鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運站為研究對象，分別建立了兩層結(jié)構(gòu)模型與五層結(jié)構(gòu)模型，并選擇了5條自然波與2條人工波對兩層隔震結(jié)構(gòu)與五層隔震結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了時程分析，對其隔震后的結(jié)構(gòu)動力特性、基底水平剪力、層間位移、層間剪力進(jìn)行了對比分析，得到以下結(jié)論：

1)在高烈度區(qū)轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)能有效延長結(jié)構(gòu)自振周期，降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)強(qiáng)度，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

2)設(shè)置了基礎(chǔ)隔震支座后，轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)柱底水平剪力、樓層層間位移、樓層層間剪力相比隔震前均得到了有效降低，這表明轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)設(shè)置了隔震支座后能有效降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，建議高烈度區(qū)轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)有條件時宜采用結(jié)構(gòu)隔震措施。

3)結(jié)構(gòu)隔震層的屈重比較大，會造成隔震層耗能減少，提供附加阻尼作用減弱，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)隔震效果降低。因此，合理的控制隔震層屈重比能有效提高結(jié)構(gòu)的隔震效果。建議高烈度區(qū)鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運站隔震技術(shù)盡量應(yīng)用在高寬比較小的結(jié)構(gòu)上，并選用屈服力大小適當(dāng)?shù)母粽鹬ё?，使得結(jié)構(gòu)有更好的經(jīng)濟(jì)性，同時，隔震設(shè)計時需要考慮隔震層以上結(jié)構(gòu)變形對工藝專業(yè)的影響，以消除由于相鄰建筑變形不一致產(chǎn)生的附加應(yīng)力。