X形支撐型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)的整體有限元分析

程 亮，楊 超，魏文暉

(1.中南電力設(shè)計(jì)院有限公司,武漢 430071;2.武漢理工大學(xué)道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

目前，換流站閥廳結(jié)構(gòu)多采用鋼結(jié)構(gòu)框架，少部分采用鋼筋混凝土框架，型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)在電力行業(yè)上的運(yùn)用還較少[1,2]，為了充分了解型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性和結(jié)構(gòu)響應(yīng)，以構(gòu)件極限承載力相近作為設(shè)計(jì)與修改的原則，將電力行業(yè)某鋼筋混凝土閥廳結(jié)構(gòu)修改為型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)，并采用SAP2000建立了型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)的整體模型，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析、反應(yīng)譜分析；同時(shí)，選取了該閥廳具有代表性的一跨X形型鋼混凝土斜支撐結(jié)構(gòu)作為后續(xù)試驗(yàn)的研究對(duì)象，計(jì)算了該研究對(duì)象在各種荷載組合下的柱端內(nèi)力、梁端內(nèi)力以及斜撐內(nèi)力的最不利組合，從而對(duì)后續(xù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 X形支撐型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)整體模型的建立

將某鋼筋混凝土閥廳結(jié)構(gòu)修改為型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)，修改校核后的X形支撐型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)縱向總長(zhǎng)度為86.2 m，橫向總長(zhǎng)度為56 m，山墻長(zhǎng)度為33 m。其中，主體框架的型鋼混凝土柱有矩形，L形和T形，型鋼混凝土梁和斜撐截面形式為矩形。型鋼混凝土閥廳采用的是鋼結(jié)構(gòu)屋架，鋼屋架下弦距地面高度為26.05 m，上弦距地面高度為30.05 m，型鋼混凝土框架和鋼屋架之間的連接形式為鉸接，上下弦桿拼接雙角鋼采用2L200×18，腹桿拼接雙角鋼采用2L110×10，屋架左右兩側(cè)與型鋼混凝土柱連接部位的型鋼分別采用HW250×250×9×14、HM58屋架下弦水平支撐采用□250×250×6，屋架上弦水平系桿與上弦水平支撐均采用□250×250×6，閥廳結(jié)構(gòu)的縱軸結(jié)構(gòu)及X形支撐布置和屋架結(jié)構(gòu)布置如圖1、圖2所示。

閥廳結(jié)構(gòu)框架中型鋼混凝土鋼材強(qiáng)度等級(jí)為Q235，縱筋等級(jí)為HRB400，箍筋等級(jí)為HPB300，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，鋼屋架所用的鋼材強(qiáng)度等級(jí)為Q345，閥廳結(jié)構(gòu)所受各種荷載信息如表1所示。

表1 閥廳結(jié)構(gòu)荷載/作用信息

為了較為精準(zhǔn)的掌握型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況，在建立有限元模型時(shí)，對(duì)實(shí)際閥廳結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化。建模過程中采用框架單元模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)中的柱、梁和斜撐，對(duì)于非承重構(gòu)件，將其自重轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的集中力或均布荷載添加到結(jié)構(gòu)上，閥廳結(jié)構(gòu)和地面的連接采用剛接，型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)整體模型如圖3所示。

2 模態(tài)分析

模態(tài)是結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和振型，模態(tài)分析是研究工程領(lǐng)域中結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的方法[3]。SAP2000在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，引入了“質(zhì)量源”[4]，“質(zhì)量源”將結(jié)構(gòu)部分荷載視為結(jié)構(gòu)自身的質(zhì)量，“質(zhì)量源”需要根據(jù)結(jié)構(gòu)本身特性和所求解的問題來確定。該文根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]的條文規(guī)定，將恒荷載系數(shù)設(shè)為1，活荷載系數(shù)設(shè)為0.5來定義“質(zhì)量源”。

該文進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，主要研究型鋼混凝土主體框架的振動(dòng)特性。由于高階頻率衰減較快，對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較小，故該文只對(duì)整體模型的前三階振型進(jìn)行研究，結(jié)構(gòu)前三階振型圖如圖4～圖6所示，前三階振動(dòng)信息如表2所示。

表2 整體模型前三階振動(dòng)信息

振型階次123周期/s1.030.770.68振型特征Y向(橫向)平動(dòng)X向(縱向)平動(dòng)扭轉(zhuǎn)振型剛度/(kN·m-1)37.8267.6786.76

由圖4～圖6、表2可知：型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)的前三階振型分別為朝Y向(橫向)平動(dòng)、朝X向(縱向)平動(dòng)、扭轉(zhuǎn)，這說明型鋼混凝土閥廳主體結(jié)構(gòu)的剛度分布較為均勻，結(jié)構(gòu)布置較為合理，整體結(jié)構(gòu)縱向剛度要比橫向剛度大。型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)自振周期隨著振型階次的增加而逐漸減小，振型剛度隨著振型階次的增加而逐漸增加。

3 反應(yīng)譜分析

反應(yīng)譜分析是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行擬靜力地震動(dòng)分析的一種方法。從理論上來講，如果結(jié)構(gòu)只進(jìn)行彈性分析，采用時(shí)程分析和反應(yīng)譜分析所得出的結(jié)果基本一致，并且反應(yīng)譜分析可以節(jié)約大量時(shí)間。但是反應(yīng)譜分析不考慮地震的持續(xù)時(shí)間、罕遇地震對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的改變、土體與結(jié)構(gòu)的相互作用。

采用的反應(yīng)譜是基于《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震基本加速度為0.15g，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，將計(jì)算得到的最大位移值提取出來，并用該數(shù)值除以柱高來計(jì)算型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)的層間位移角，X及Y向分別為0.001 7和0.001 9，考慮到計(jì)算柱高為26.05 m，因此，在反應(yīng)譜工況下，模型沿橫向的層間位移角值最大為1/1 371，由《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，彈性層間位移角限值為1/550，大于1/1 371，因此層間位移角符合規(guī)范要求。對(duì)型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)整體模型進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，并選擇典型的H～K軸線處支撐，計(jì)算柱底最不利組合，如表3所示。其中工況1)～4的選擇是根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)(GB50068—2018)》條文規(guī)定[6]，地震作用由反應(yīng)譜法求出：

1)1.3恒荷載+1.5活荷載+0.9風(fēng)荷載；2)1.3恒荷載+1.5風(fēng)荷載+1.05活荷載；3)1.0恒荷載+1.5活荷載+0.9風(fēng)荷載；4)1.2恒荷載+0.6活荷載+1.3地震作用+0.28風(fēng)荷載。

表3 鋼混凝土柱底最不利內(nèi)力組合

該最不利內(nèi)力組合可以用于進(jìn)一步進(jìn)行局部試驗(yàn)提供參考。

4 結(jié) 論

以構(gòu)件極限承載力相近為設(shè)計(jì)和修改原則，將鋼筋混凝土閥廳結(jié)構(gòu)修改為X形支撐型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)，并采用SAP2000軟件對(duì)閥廳結(jié)構(gòu)整體有限元模型進(jìn)行了分析，對(duì)其性能進(jìn)行了一定研究，主要結(jié)論如下：

a.通過模態(tài)分析得到整體模型的振型和自振周期，其第一、二、三階振型分別為朝Y向(橫向)平動(dòng)、朝X向(縱向)平動(dòng)、扭轉(zhuǎn)，說明該閥廳主體結(jié)構(gòu)的剛度分布較為均勻，結(jié)構(gòu)布置較為合理，整體結(jié)構(gòu)縱向剛度要比橫向剛度大。型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)自振周期隨著振型階次的增加而逐漸減小，振型剛度隨著振型階次的增加而逐漸增加。

b.X形支撐型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)整體模型在反應(yīng)譜工況下，模型沿Y向(橫向)的層間位移角值最大為1/1 371，由《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，彈性層間位移角限值為1/550，大于1/1 371，模型層間位移角符合規(guī)范要求。

c.在不同荷載工況組合下，對(duì)X形支撐型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)整體模型進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，選擇具有代表性的一跨斜支撐結(jié)構(gòu)中型鋼混凝土柱考察最不利內(nèi)力組合，為型鋼混凝土斜支撐結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)提供了內(nèi)力依據(jù)。