大型火電廠主廠房鋼框排架結構的動力特性與地震反應譜分析

楊迎春,宗文明 (安徽農業大學工學院,安徽合肥 230036)

大型火電廠主廠房鋼框排架結構的動力特性與地震反應譜分析

楊迎春,宗文明 (安徽農業大學工學院,安徽合肥 230036)

為研究大型火電廠主廠房鋼框排架結構抗震性能,在地震作用下,扭轉對鋼框排架結構有一定影響。運用有限元軟件ANSYS,以桿系模型為主對其結構進行了計算分析,并對鋼框排架結構的動力特性與地震反應譜進行了研究。研究結果表明,在地震作用下,扭轉對鋼框排架結構有一定影響,地震作用下縱橫向樓層水平位移和層間剪力均存在較大差異;煤斗橫梁是鋼框排架結構的薄弱部位,在結構設計時應特別加以注意。

鋼框排架結構;大型火電廠主廠房;ANSYS;地震反應譜分析

隨著火電廠裝機容量的不斷增大,其主廠房跨度、高度也越來越大。鋼框排架結構具有布置靈活、自重輕、強度高、施工方便等特點,因而逐漸成為大型火電廠主廠房的主要結構形式[1]。由于生產工藝的限制,火電廠主廠房結構存在多種不規則,包括體型不規則、平面布置不規則、立面布置不規則、結構質量分布不均勻、錯層等,這樣在地震作用下容易出現平動與扭轉響應的耦合等問題[2]。為此,筆者選取某單機容量1000MW的火力發電廠主廠房為計算結構,利用有限元軟件ANSYS進行模態分析和地震反應譜分析,研究8度抗震設防情況下鋼框排架結構的水平位移和樓層剪力沿樓層高度的分布情況,由此了解其抗震性能,為大型火電廠主廠房的合理設計提供依據。

1 計算結構建模

計算結構為某單機容量1000MW級鋼結構火電廠主廠房,采用煤倉間、除氧間和汽機房相連的鋼框排架結構,結構平面和剖面布置分別如圖1和圖2所示。A、B列柱的截面尺寸分別為700mm×400mm× 40mm×60mm、1200mm×600mm×40mm×60mm;C、D列柱的截面尺寸為1000mm×1000mm×60mm×60mm。煤倉間共5層,其中26.0m處設置煤斗梁,煤斗梁的截面尺寸為1800mm×800mm×60mm ×80mm;除氧間共5層,其中6.90m處布置低壓加熱器,26.00m處設置除氧器,13.800m處布置高壓加熱器、汽動給水泵。樓屋面板采用混凝土-鋼次梁組合結構。鋼材采用Q345-B鋼。建筑結構抗震設防烈度定為8度(0.20g),設計地震分組為第一組,場地類別為Ⅱ類,鋼框排架結構抗震等級為一級。

圖1 鋼框排架結構平面布置圖

圖2 鋼框排架結構剖面布置圖

采用通用有限元軟件ANSYS,以桿系模型為主進行結構計算分析。利用該軟件的Beam188單元模擬鋼框排架的梁、柱,利用shell63單元模擬異形柱框架的樓板,利用mass21單元模擬結構上的集中質量。考慮到原結構形式的復雜性,在有限元建模時對鋼框排架結構計算結構作如下簡化[3]:將屋架部分簡化為一軸力桿件,并假定屋架與排架理想鉸接;采用剛性樓板假定;將梁柱簡化為三維空間桿單元,將樓板簡化為各向同性的三維矩形殼單元。在建模的過程中,桿、殼單元通過程序自動形成的節點進行連接,從而生成考慮樓板平面內和平面外變形的整體三維有限空間計算模型(見圖3)。

圖3 鋼框排架結構有限元模型圖

2 結構動力特性分析

通過ANSYS的模態分析模塊,計算出各振型所對應的自振頻率和周期(見表1),從而了解鋼框排架結構的動力特性。圖4所示為鋼框排架結構的前3階振型圖。由圖4可知,第1階振型為沿廠房橫向的平動,整體變形為剪切變形;第2階振型為沿廠房縱向的平動,整體變形為剪切變形,伴隨有扭轉振動;第3階振型為扭轉振型。通過計算可知,扭轉第一周期與平動第一周期之比為0.78,說明扭轉對鋼框排架結構有一定影響,故設計分析時需適當考慮結構的扭轉效應[4]。

表1 鋼框排架結構前8階自振頻率與振型描述表

3 地震反應譜分析

在進行鋼框排架結構地震反應譜分析中,分別沿橫向和縱向輸入反應譜,可以得到結構樓層水平位移圖和樓層剪力圖。圖5所示為8度地震作用下鋼框排架結構樓層水平位移圖。從圖5可以看出,8度地震作用下鋼框排架結構的縱向和橫向樓層的水平位移存在較大差異。這是由于鋼框排架結構的最大水平位移不僅受地震強度的影響,還與結構自振特性有關,因為該鋼框排架結構縱橫向的自振頻率存在差異,所以該結構縱向與橫向樓層的水平位移相差較大。

圖6所示為鋼框排架的樓層剪力隨結構高度變化情況圖。從圖6可以看出,橫向層間剪力大于縱向層間剪力。這是由于結構縱橫向的剛度相差較大,故層間剪力相差較大。此外,由于鋼框排架結構中煤斗橫梁剛度大,其層間剪力較大,因而是鋼框排架結構的薄弱部位,設計時應特別加以注意。

圖5 8度地震作用下鋼框排架結構樓層水平位移圖

圖6 8度地震作用下鋼框排架結構樓層剪力圖

4 結論與建議

1)根據模態分析獲得的結構自振頻率計算可知,扭轉第一周期與平動第一周期之比為0.78,說明扭轉對鋼框排架結構有一定影響,故設計分析時需適當考慮結構的扭轉效應。

2)8度地震作用下鋼框排架結構的縱向與橫向樓層水平位移與層間剪力均存在較大差異。

3)煤斗橫梁剛度大,其層間剪力較大,因而是鋼框排架結構的薄弱部位,在設計時應特別加以注意。

[1]張文元,于海豐,張耀春,等.大型火電廠鋼結構主廠房鉸接中心支撐框架體系的振動臺試驗研究[J].建筑結構學報,2009, 30(3):11-19.

[2]薛建陽,梁炯豐,彭修寧,等.大型火電廠鋼結構主廠房彈性地震反應分析[J].工業建筑,2012,42(6):137-141.

[3]吳濤,劉伯權,白國良.大型火力發電廠鋼筋混凝土框排架主廠房平扭耦聯地震反應分析[J].工業建筑,2004,34(11):27-29.

[4]Gupta B,Kunnath S K.Adaptive Spectra-Based PushoverProcedure for Seismic Evaluation of Structures[J].Earthquake Spectra, 2000,16(2):367-391.

[編輯] 李啟棟

TU311.3

A

1673-1409(2014)22-0081-03

2014-04-20

安徽省高校省級科研項目(KJ2013Z081);安徽省自然科學基金項目(1308085MC30);安徽農業大學青年科學基金項目(2010zr06)。

楊迎春(1 9 8 3-),女,碩士,講師,現主要從事工程結構抗震方面的教學與研究工作。