大型火电厂钢结构主厂房抗震性能评估

大型火电厂钢结构主厂房抗震性能评估作者：易孝强
来源：《电力与能源系统学报·中旬刊》2019年第02期
摘要：大型火电厂主厂房因工艺设备布置的原因，导致结构体系存在较多的错层和楼面大开孔，以及满足煤斗大荷载的需要存在不等高梁和异型节点，结构受力复杂，属于不规则的结构。

本文选取大型火电厂钢结构主厂房中的一榀中间钢框排架，利用SAP2000有限元软件对其抗震性能进行分析。

进行模态分析和非线性时程分析，得到了不同峰值加速度地震波下的层间位移等时程曲线，分析结构在大震下塑性铰出现次序和规律，总结破坏机制。

关键词：钢框排架 ;;异型节点;; 抗震;; 时程分析
0 前言
随着火电机组的增大，结构体型也越来越复杂，相应的对主厂房的抗震性能要求更高。

钢结构因其质量轻，安装快捷、抗震性能好等优点，因此在高烈度地区是主厂房结构形式的首选。

本文选取某超临界机组主厂房中一榀钢框排架结构，采用SAP2000有限元分析软件进行弹塑性时程分析，得到结构在罕遇地震作用下结构的塑性铰发展规律，结构的薄弱位置，分析结构的抗震性能，为今后结构抗震性能设计提供参考。

1 结构模型
火电厂主厂房结构中，应某些楼层设备荷载的要求，导致楼面梁截面非常大，比如煤斗大梁。

因结构中存在左右梁高度相差很大引起的异型节点以及“强梁弱柱”情况，对结构的抗震性能不利。

因此选取某超临界机组主厂房中一榀含异型节点的钢框排架结构进行模拟分析，结构尺寸如下图1.1所示。

其中AD跨为汽机房、DE跨为除氧间、EF跨为煤斗间。

材料选用Q235B钢（屈服强度，抗拉强度，弹性模量）。

梁、柱和支撑截面主要为工字形和箱形。

采用框架单元建立了整榀框排架模型，梁柱连接、支撑与节点连接均考虑为刚接，蒸汽间屋顶钢梁设置成与柱铰接，各柱底与地面固接。

框排架所承受的恒荷载比重很大，在考虑了恒载与活载组合以后可以得到如图1.2荷载作用图。

2 时程分析
2.1 地震波及本构关系
本文研究对象的原型火电厂属于乙类抗震设防，建筑结构安全等级为二级，设防烈度为8度，所处场地设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，场地特征周期多遇时为0.35 s，罕遇时为0.40 s。

综合考虑以上因素，本文选择了El-centro波（南北向，1940），持时为20 s，积分步长为0.02 s。

为了模拟8度多遇、9度多遇、8度罕遇、9度罕遇地震下的结构反应，需将El-centro波的峰值加速度分别调整为70 gal、140 gal、400 gal、620 gal。

输入方向为框排架平面内的水平方向，只考虑该方向的平动。

地震波形如图2.1所示。

本文梁两端设置弯矩铰和剪力铰，梁跨中设置弯矩铰;柱两端设置PMM耦合铰;支撑两端和中部设置轴力铰。

各种塑性铰的本构关系如图2.2所示。

其中AB、BC、CD、DE段分别表示弹性段、强化段、卸载段和破坏段。

在强化段BC之间的IO、LS、CP分别对应铰的能力水平，分别为直接使用、生命安全和防止倒塌。

2.2 层间位移
计算得到各地震加速度作用下结构的层间位移如图2.3～图2.6所示。

结构的底层的层间位移最大，因结构刚度突变，存在比较明显的薄弱层，导致层间位移产生突变。

2.3 塑性铰发展规律
当输入峰值加速度为70 ga1和140 gal时，框排架结构没有出现塑性铰，说明在多遇地震下结构没有发生破坏，满足“小震不坏”的要求。

当输入400 gal和620 gal时的塑性铰出现顺序分别如图2.7和图2.8以及倒塌时的塑性铰图2.9。

塑性铰出现的规律总结为：一是该类钢框排架结构主厂房的抗震性能较好，在9度罕遇地震作用下结构没有发生倒塌，满足大震不倒的设防要求;二是结构塑性铰发生的顺序基本是“中部支撑—底部梁端—中柱柱底—边跨支撑及边柱柱底—上部梁端”;三是塑性铰较多较早的出现在结构的底部，上部包含煤斗大梁都比较晚出现塑性铰，主要是结构底部受力较大，刚度上下布置不均匀的缘故。

3 总结
1）结构在设防地震作用下结构未出现塑性铰，结构处于弹性变形阶段。

2）结构竖向刚度和水平刚度布置不均匀，结构存在薄弱层，薄弱层在结构的底部;
3）结构的倒塌機制是“中间层支撑屈服—底部梁端屈服—柱脚屈服”，最终因柱脚屈服产生塑性铰而失去承载能力。

参考文献
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