某电厂钢结构厂房的地震动力弹塑性分析

夏 伟 陈晓强

0 引言

相对而言,动力弹塑性时程分析需要较高的技术水平。电厂的建筑结构一般不会超过抗震规范[1]的相关限制,不需要进行罕遇地震验算,动力弹塑性时程分析更为少见。事实上,对常见的电厂结构补充进行罕遇地震下的动力弹塑性时程分析,一方面可以使设计人员对自己的设计更有把握,另一方面也可以对结构进行优化设计,节约建筑材料;另外,基于性能的抗震设计理念已逐渐被接受,即将写入抗震规范,动力弹塑性时程分析是实现性能化设计的基础内容之一。本文以一电厂工程的某个钢结构厂房为例,说明对电厂类建筑结构进行地震动力弹塑性分析的基本过程及结果分析。

1 工程概况

本工程是某电厂的输煤综合楼,建筑总长30 m,宽 22 m,高14.6 m。共有3层,1层为空压机室,层高7.5 m;2层为电缆夹层,层高3 m;3层为配电室,层高4.1 m。端部2.7 m跨设置楼梯一部。工程所在场地土为中软土,场地类别Ⅲ类,场地特征周期为0.65 s,设计基本地震加速度0.30g,属于高烈度区。结构为钢框架结构,楼板采用钢梁—混凝土组合楼板;梁、柱均为Q345B钢材,支撑采用Q235B钢材。

2 计算方法及模型

建模时,对钢材采用双线性随动强化模型和Von Mises屈服准则。弹性模量、屈服强度等参数根据钢结构设计规范选用[3]。梁柱等均选择Beam188梁单元,采用自定义截面,准确模拟构件实际几何截面特性;楼板则采用Shell63壳单元。结构整体模型如图1所示。

先进行模态分析,了解结构的整体振动特性,并根据结构的主要自振频率范围获得动力弹塑性时程分析时结构的瑞利阻尼系数α,β[4]。注意,模态分析质量源为“1恒+0.5活”,不仅是结构自重。

根据模态分析结果,获取结构的强轴、弱轴方向以及扭转情况,确定动力弹塑性时程分析时地震波的输入方向。时程分析中,根据规范要求[1],选取了三条地震波:两条天然波,El Centro波及Taff波,信号主要周期成分介于 0.30 s与0.55 s之间;一条人工波,根据Vanmarcke等人的方法生成[5],周期成分包含从0.02 s到6.0 s。对每条地震波加速度进行调整,对应8.5度的罕遇地震,最大峰值加速度取5.1 m/s2。时间步长取0.02 s,计算801步共计16 s,其中第一步是重力作用下结构的响应,作为地震时程分析的初始条件。

3 结果分析

3.1 模态分析结果

结构前十阶频率及周期见表1;前三阶振型均为整体模态:一阶振型沿宽度方向(Y向)平动,二阶振型沿长度方向(X向)平动,三阶振型则是扭转,由此可知,结构体系布置、整体刚度比较合理;结构整体刚度的强轴是X向,弱轴是Y向。考虑到扭转振型出现得较早,采用双向地震输入,X向与Y向的地震最大峰值加速度比例取0.85∶1.0。

结构前三阶周期介于0.1 s及场地特征周期(Tg=0.65 s)之间,对应地震影响系数曲线的最大值区段(平台段)[1],又因地处于高烈度区,故地震作用对设计起控制作用。因此,一方面为保证结构安全,另一方面为结构优化设计(一般的设计计算为了保证地震作用下结构的安全性,可能过分加大了结构构件尺寸),本结构有必要补充罕遇地震下的动力弹塑性时程分析。

表1 结构前十阶频率及周期

3.2 动力弹塑性分析结果

整个地震作用过程中,不同地震波作用下结构最大位移及加速度见表2。总体上,本结构位移反应较小,X向最大位移为27.15 mm,Y方向最大位移为41.53 mm,弱轴位移响应略大于强轴。加速度反应较大,X向最大加速度响应达到15.20 m/s2,Y方向则为19.14 m/s2,相比输入最大地震波峰值4.335 m/s2,5.1 m/s2,X向、Y向结构最大的动力系数达到了3.51,3.75,超过了规范反应谱中对应阻尼比0.05最大动力系数(平台段)2.25,这是因为本结构基本周期小于场地的特征周期,输入地震波中包含与此对应的主要周期成分,引起了结构共振。限于篇幅,这里仅选取代表性的结构顶部节点 A,画出El Centro作用下Y向位移响应时程(见图2)及Taff波作用下 Y向加速度响应(见图3)。

表2 结构顶点 A位移、加速度响应最大值

三条地震波作用下结构层间位移角见表3,最大的层间位移角仅 1/313,远小于抗震规范的限值1/50[1],因此,即使在罕遇地震作用下,结构仍具有很好的安全性。

考察三条地震波作用下结构构件的Von Mises塑性应变,该应变直接反映了构件各部分是否发生屈服(值是否大于0)以及屈服的程度。结果表明,仅有少数支撑发生屈服,绝大部分构件在罕遇地震作用下仍保持弹性。以人工波为例,仅①轴线这榀框架有三根支撑发生屈服,最大塑性应变仅有162×10-6,即162个微应变。

表3 结构层间位移角

上述分析结果表明,对于本结构而言,地震作用相当大,起控制作用,但是结构具有足够的安全性,即使在罕遇地震作用下,绝大部分结构构件仍处于弹性状态;结构层间位移角等指标远低于抗震规范的限制。因此,本结构设计满足安全性要求。

考虑到结构具有过高的安全性,可以对此设计进行一定的优化,既能保证安全,又能减少钢材用量,降低造价,节约资源。

4 结语

有必要对电厂类建筑结构进行地震动力弹塑性分析,一方面可以保证结构在罕遇地震作用下具有足够的安全性,同时又能在该分析的指导下进行一定的结构优化,减小建筑材料的用量,达到安全、经济的目的。本文对一电厂的除灰输煤综合楼进行了罕遇地震下的非线性动力弹塑性时程分析,结果表明该结构偏于安全,可以进行一定程度的优化设计,减少用钢量。

[1]GB 50011-2001,结构抗震设计规范[S].

[2]尚晓江,邱 峰,赵海峰,等.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用[M].北京:中国水利水电出版社,2008.

[3]GB 50017-2003,钢结构设计规范[S].

[4]克拉夫,彭 津.结构动力学[M].北京:高等教育出版社,2006.

[5]Vanmarcke,E.H.,Fenton,G.A.Conditioned simulation of local fields of earthquake ground motion[J].Structural Safety,Special Issue on Spatial Variation of Earthquake Ground Motion,1991(2):39-40.