火电厂预应力框架拟静力试验与推覆分析.pdf

第 2 7卷第 2期 2 0 1 0年 6月 华中科技大学学报 城市科学版 J ．o f H U S T ． U r b a n S c i e n c e E d i t i o n VD 1 ． 2 7 No． 2 J u n ． 2 0 1 0 火 电厂预应力框 架拟静 力试验 与推 覆分析 彭自 强， 葛 翔 武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉4 3 0 0 7 0 摘要 火 电厂作为重点抗震设防建筑 ， 理应具有较强的抗 震性能， 而现行 “ 两 阶段” 结构设计 方法无法提供结 构在地震作用下的整体反应。本文采用静力弹塑性分析方法， 利用 S A P软件， 结合我国现行抗震设计规范， 分 析了火电厂预应力框架在地震作用下的结构反映特性， 并通过与拟静力试验结果的对比， 提出设计建议。分析 表 明该 结构具有 明显 的薄弱环节 ， 在设计 中应予 以重视 。 关键词 静力弹塑性分析 ； 框架结构 ； 拟静力试验 中图分类号 T U 3 7 8 ． 4 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 - 7 0 3 7 【 2 0 1 0 0 2 4 0 4 4 - 0 4 我 国电力行业 的快速发展， 尤其是大容量机 组的投入使用 ， 对火电厂的土建设计 和施工技 术 都提出了更严 的要求 。大机组主厂房结构不仅受 力复杂 、 荷重大 ， 而且平面和空间尺寸大、 结构 自 重大。为满足使用要求 ， 主厂房框 架梁高普遍 过 大 ， 导致“ 强梁弱柱 ” 、 底层柱轴压比超限、 地震作 用下柱端破坏突 出、 梁柱节点抗震性较差 。目前 我国采用的两阶段设防 的设计方法 ， 虽然能够从 实践上满足抗震设计要求 ， 但是却难 以提供结构 在地震作用下 的整体反应 ， 无法定量评估该类结 1 4 构的抗震性能⋯。 拟静力试验是复杂结构抗震性能研究的重要 手段。结合拟静力试验 ， 采用静力弹塑性分析方 法进行结构分析 ， 既能模拟结构 由弹性阶段到承 载力丧失的整个过程 ， 找出薄弱环节 ， 又可以判断 结构的抗震 承载力及不 同设防等级下 的 目标位 移、 层间位移角、 各杆件受力状态。静力弹塑性分 析方法在充分考虑结构 的塑性特性的同时又 比时 程分析法简便 。 一． 6 1 c 2 O’ I 5 ／一 3 I 6 6 9 0 4m’ l 5 ． r一 ● 3 中 I 4 ．．．． J ； l 2 i L 图 1 拟静 力模 型配筋 收稿 日期 2 0 0 9 1 2 1 8 作者简介 彭自强 1 9 7 5 一 ， 男， 湖北黄陂人， 副教授， 工学博 士， 研究方向为结构理论计算与研究， p e n g z q q 1 2 6 ． t o m 。 t●●●●州 ●● 上 第 2期 彭 自强等 火电厂预应力框架拟静力试验与推覆分析 。 4 5 1 工程概况 本实验原型为火电厂煤仓间预应力框架 ， 模 型在框架平面内采用 1 8缩尺 比例 ， 平面外比例 为 1 4 。 试验模型混凝土等级为 C 4 5 ， 普 通纵向受力 钢筋采用 H R B 3 3 5级钢筋 ， 箍筋采用 HP B 2 3 5级 钢筋 ， 预应 力筋采用 1 7 - 1 5 ． 2 0 - 1 8 6 0级高 强低 松弛钢绞线 ， 如图 1 所示。 以跨 中弯矩等效为原则 ， 将作用在结构 上的 荷载等效为多组集中荷载。由于结构的主要恒活 载集 中于一、 二两层 ， 变形 以剪切变形为主 ， 因此 侧 向荷载根据振型分解法求得等效水平作用力施 加于结构上 ， 如图 2所示。 2 分析模型 图 2 试验荷载 2 ． 1 分析方法 静力弹塑性 P u s h O v e r 分 析方法是一种静 力非线性计算方法， 采用逐级单调施加模拟地震 水平惯性力 的侧 向力 ， 对结构进行 静力单调 加载 下的弹塑性分析。这种方法不但能考虑结构的弹 塑性特征 ， 又将设计反应谱 引入了计算过程和计 算成果的解释 “J 。 2 ． 2 铰属性 S A P 2 0 0 0软件采用的静力弹塑性分析方法是 美国 A T C - 4 0规范的能力谱法， 铰属性定义如图 3 所示 。其 中 B点代表屈 服 出现塑性铰 、 C P为 预防倒塌点 ， C为倒塌点 ， 各性能点所对应的横坐 标为相应的弹塑性位移 限值 J 。 图3 A T C - 3 4铰属性定义 本文采用 自定义 弯矩曲率 曲线来定义塑性 铰的本构关 系 ， 如 图4 、 图 5所示。将弯矩 塑 性铰赋予梁的两端 ， 轴力和弯矩相关 P M 铰赋 予柱两端。均假定 出现在距杆端 0 ． 0 5 L和 0 ． 9 5 L 位置 指扣除刚域后的杆长 。 雪 2 0 0 0 R 1 5 0 0 1 0 0 O 5 0 0 0 - 5 0 0 ～ ＼ ⋯ ． 。 一 。s 。 图 4柱 尸 一 肘 屈服面 弯 矩 k N ． 图 5梁弯矩- 曲率曲线 2 ． 3 侧 向加载方式 本文中采 用 的是 S A P 2 0 0 0程序 提供 的振型 mo d e 1 荷载分布 ， 其侧 向力是用给定 的振 型和 该振型下的圆频率 的平方 6 0 及相应 质量分布 的乘积获得 的， 由于采用的是第一振型 ， 故相当于 倒三角分布 。 2 ． 4 反应谱参数转换 由于程序中采用的是 A T C 40中以 c 、 C 为 4 6。 华中科技大学学报 城市科学版 2 O l O年 地震系数 的反应谱 曲线 ， 与我国 建筑抗震设 计 规范 G B 5 0 0 1 1 - 2 0 0 1 的地震反应谱表达方式及 系数略有不同， 需经等效转换【 8 】 。采用 的转换式 为 2 ． 5C ‰ 字 根据上式可得 7度多遇地震 C 0 ． 0 3 8 ， C v 0 ． 0 3 6 ； 7度罕遇地震 C 0 ． 2 3 6 ， C v 0 ． 2 2 5 。 3 结构抗震性能分析 基于倒三角分布侧 向荷载作用下的结构基底 剪力． 位移曲线如 图 6所示。曲线 的第一个转 折 点表明结构中首个塑性铰 的出现 ， 而下降点表 明 首个 B性能点的出现 ， 结构丧失承载能力。采用 通用屈服弯矩法确 定框架模 型的延性 系数约 为 4 ． 5 4 ， 符合规范中对于框架结构延性系数的要求 。 性能点状态时的结构各层侧移及层 间位移 图 7 表明， 结构变形 以剪切变形为主 ， 符合框架结构的 变形特点。 考l 6 0 R 鎏 。 醐8 0 40 0 o l O 2 0 3 0 4 0 5 o 顶点侧移 IlI lI 图6 基底剪力． 位移曲线 0 2 0 4 0 60 侧穆 口∞ a 2 0 4 0 层问位移 m b 图7 性能点时的各层侧移与层间位移 由计算反应谱可知 7度地震作用下的基底剪 力与顶点位移 ， 如表 1 所示。 表 1 7度 地震作用下性能点及层 问位移角 7度多遇 地震 作 用 下， 结 构 的顶 点位 移为 1 ． 4 9 mm， 小于能力谱计算中的 8 ． 0 8 mm， 表 明结 构处于弹性阶段 ， 没有构件 出铰。 7度罕遇 地震 作用 下 ， 结构 的顶点 位 移为 9 ． 1 8 m m， 略大于能力谱计算 中的 8 ． 0 8 m m， 但仍 满足抗震规范中规定的框架结构弹性层间位移角 限值为 1 ／ 5 5 0的要求。 结构 的能力谱 曲线与其需求谱 曲线均有交 点 ， 且性能点基本位于结构能力谱 曲线上的第一 阶段， 表明结构没有出现塑性铰 ， 整体处于弹性状 态。对比 7度地震作用下 的结构反应 ， 认为该结 构能满足 7度地震作用下 的抗震要求 ， 且符合两 阶段设计的结构设计原则。 图 8 7度多遇地震能力谱与需求谱 图9 7度罕遇地震能力谱与需求谱 4 静力弹塑性与试验结果对 比 对比分析模型与拟静力试验模型的破坏形态 表明， 最初出铰位置均为柱端 ， 表明结构的薄弱环 节为柱底 ， 最终破坏都是因为底层柱失效 ， 符合框 架结构在地震作用下的结构反映特点。最终破坏 形态 ， 试验模型表现为节点与柱底 同时破坏 ， 结构 为梁柱混合机制， 而 S A P模型中为柱端铰丧失承 载力 ， 表现为柱铰机制。表明实际工程中， 由于节 点处受弯剪扭共同作用 ， 受力更复杂 ， 而基于杆系 结构的 S A P模型无法表现这一特点。 第2期 彭 自强等 火电厂预应力框架拟静力试验与推覆分析 4 7 通过对比还发现 ， 结构破坏主要集中在有较 大荷载的第一 、 二两层 ， 表明该结构受竖 向荷载影 响较大， 结构 的整体薄弱层为第 一、 二两层。三 、 四两层因为竖向荷载较小 ， 地震作用不大， 未发生 破坏 。 图 l 0 初始出铰位置 图 1 1最终破坏形 态 对比薄弱层的层问剪力一 位移曲线表明 1 层 P A曲线在 弹性 阶段拟合较好 ， 但实际 模型由于受加工误差和试验 中加载误差等各种情 况影响 ， 塑性分析阶段分析值 的位移小于实测值。 2层 P 一 △曲线拟合较好 ， 但分析模型的层间 位移仍略大于试验模型 。 金 l 6。 1 2 0 藿 。 4 。 O 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 层闻位移 m 图 1 2 1层 P 一 △曲线 l 5 。 蔓 蚕 l0 。 噬 5 O 0 2 4 6 8 1 0 l 2 1 4 层向位移 Cam 图 1 3 2层 P ． △曲线 5结 论 1 拟静力试验与静力弹塑性分析在初始结 构的出铰位置、 结构破坏形式、 结构薄弱环节上一 致 ， 表明静力弹塑性分 析是 一种较为准确的评估 结构抗震性能的方法 ， 应加以推广使用 。 2 该结构 最先 出铰位 置在柱底 ， 为 梁柱混 合出铰机制。底层柱为结构 的薄 弱环节 ， 在设计 上应引起注意 ， 可采用全程箍筋 加密或设 置核心 柱来提高结构的抗侧向荷载的能力。 3 结构的能力谱 曲线表 明混凝土结构进人 塑性阶段后其承载力变化较小而位移 变化较大 ， 应采用基于位移 的抗震设计方法加 以辅助分析 ， 对于 7度 以上 的高烈度 地 区的重点抗 震设 防建 筑 ， 如大型火电厂等， 应限制混凝土结构的使用。 参考文献 [ 1 ] G B 5 0 0 1 1 - 2 0 0 1 ， 建筑抗震设计规范 [ s ] ． [ 2 ] 张巍 ， 孟少平， 吕志涛． 预应力混凝土抗震延性的 静力弹塑性分析[ J ] ． 工业建筑， 2 0 0 2 ， 3 2 6 3 6 - 3 8． [ 3 ] 种迅， 孟少平． 钢筋混凝土框架结构全过程 p u s h o v e r 分析[ J ] ． 地震工程与工程振动， 2 0 0 5 ， 2 5 1 3 8_ 4 2． [ 4 ] 俞瑞芳． 钢筋混凝土框架结构 P u s h o v e r - 能力谱法分 析研究[ D ] ． 西安 西安理工大学 ， 2 0 0 2 ． [ 5 ] 田颖， 钱稼茹， 刘凤阁． 在用 R c框架结构基于位 移的抗震性能评估 [ J ] ． 建筑 结构 ， 2 0 0 1 ， 3 1 7 5 3 5 6． [ 6 ] 张巍， 孟少平 ， 吕志涛． 预应力混凝土框架结构抗 震延性的静力弹塑性分 析 [ J ] ． 工业建筑 ， 2 0 0 0 ， 6 3 6 - 3 8 ． [ 7 ] 李刚， 程耿东． 基于性能的结构抗震设计理 论 、 方法与应用[ M] ．北京 科学出版社， 2 0 0 4 ． [ 8 ] 汪梦甫 ， 周锡元． 高层建筑结构抗震弹塑性分析方 法及抗震 性能评估 的研究 [ J ] ． 土 木工程学 报， 2 0 0 3 ， 3 6 1 1 4 4 _ 4 9 ． 下转第 7 0页 7 0 华中科技大学学报 城市科学版 2 0 1 0芷 t i n u o u s l y s i nc e t h e s t r uc t u r e s a bo v e wa t e r，e s p e c i a l l y l o ng s p a n b rid g e s o v e r d e e p wa t e r，a p p e a r i n l a r g e n u m b e r s ．Th e d e e p - wa t e r f o u n d a t i o n c o n s t r u c t i o n p l a tf o r m e x p e r i e n c e s s u c h a pr o c e s s d u rin g wh i c h t h e c o n s t r u e t i o n p l a tf o r m u s e s s t e e l pi pe p i l e s o n l y，s t e e l g u i d e we l l s o n l y a n d s t e e l p i pe pi l e s a n d s t e e l g u i d e we U s a s a s u p p o s y s t e m．Th e c o n s t r u c t i o n t e c h n o fog y a n d c a l c u l a t i o n me t h o d o f t h e d e e p wa t e r f o u nd a t i o n wi t h e mp h a s i s o n t h e c o n s t r u c t i o n p l a t f o rm f o r l o n g s p a n b rid g e s a r e i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r ，u s i n g a h i g h wa y b ri d g e a s e n g i n e e ring b a c k g r o u n d． I t i s o f i mp o r t a nt r e f e r e n c e for c o n s t r u c t i o n a n d c a l c u l a t i o n o f the f o u nd a t i o n o f l o n g s p a n b rid g e s a nd we l l d i g g i n g p l a tfo r m i n l a k e，riv e r a n d s e a wi t h d e e p wa t e r ． Ke y wo r dsl o ng s p a n b rid g e s；d e e p wa t e r fou n d a t i o n；c o n s t ruc ti o n pl a t f o rm ；p i p e p i l e；g ui d e - we l l 上接 第4 7页 Ps e u do - s t a t i c Te s t a nd Pus h Ov e r Ana l y s e s o f Pr est r e s s e d Co n c r e t e Fr a me i n a Th e r ma l Po we r Pl a n t PENG Zi q i an g，GE Xi a n g S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g a n d A r c h i t e c t u r e ， Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 0 ，C h i n a Abs t r ac tAs the k e y a s e i s mi c bu i l d i n g，the r ma l p o we r p l a nt d e ma nd s h i g h l y s e i s mi c p e rfo r ma n c e ．Th e” t wo s t a g e d e s i g n” me t ho d u s e d i n s t ruc t u r e de s i g ni n g c a nt g i v e o u t t h e ma s s i v e r e a c ti o n o f t he wh o l e b u l i d i n g． Th e r e a c t i o n u nd e r e a rth q u a k e o f p r e s t r e s s e d c o n c r e t e f r a me i n the r ma l p o we r p l a n t i s a na l y z e d b y S AP2 0 0 0， b a s e d o n P u s ho v e r Me t h o d，c o m b i n e d w i t h t h e c o d e f o r s e i s mi c d e s i g n ．C o mp a r e d wi t h t h e r e s u l t s o f p s e u d o s t a tic t e s t ，s o me s u g g e s t i o n s a r e p r o p o s e d．Th e a n a l y s i s p r o v e s t ha t thi s k i nd o f s t r uc t u r e me e t s the n e e d s o f r e qu i r e me nt for 7 d e g r e e s e a hq u a k e r e s i s t a n c e p r o t e c t i o n． Th e b o t t o m fla me c o l u mn wi th the we a k e s t p a r t mu s t b e p a y a t t e n ti o n d u ri n g t h e s t r u c t u r e d e s i gn ． Ke y wo r d spu s h- o v e r me t ho d；fra me s t r u c t u r e；ps e u d os t a t i c t e s t 上接第 6 6页 An a l y s i s o n Da ma g e Di a g n o s i s o f Co n t i n u o u s S t e e l Tr us s Br i d g e WE I B a o l i ，DO NG Xi a o l l l ,a， WE I fin h u i S c h ool o f C i v i l E n g i n e e ri n g a n d A r c h i t e c t u r e ， Z h e n g z h o u I n s t i t u t e o f A e r o n a u t i c a l I n d u s t r y Ma n a g e m e n t ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 5 ，C h i n a Abs t r a c t Brid g e he a l t h mo n i t o rin g h a s b e e n c u r r e n tly a p pl i e d t o p r a c t i c a l e n g i ne e rin g f r o m the o r e t i c a l An a l y s i s ．F o r b ri d g e h e a l t h mo n i t o r i n g，d a ma g e d i a gn o s i s o f b ri d g e s u c h a s o l d b ri d g e o r e x i s t i n g b ri d g e p l a y s a n i mp o r t a nt pa r t a nd tha t o f e nv i r o n me nt o f i t i s v e r y c o mp l e x ． Be c a u s e t h e b rid g e i s mu c h a f f e c t e d b y e n v i r o n me nt ．i t i s u r g e n t t o fin d a f e a s i b l e a nd r e a s o n a b l e me tho d o f b rid g e d a ma g e d i a g n o s i s ．I n th i s p a pe r ，t he d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c o f c o n t i n u o u s s t e e l t rus s b r i d g e i s a n a l y z e d ．T h e d a ma g e d e t e c t i o n o f c o n t i n u o u s s t e e l t r u s s b ri d g e c o mb i n e d w i t h n e u r a l n e two r k a n d n a t u r a l fre q u e n c y a n d v i b r a t i o n mo d e i s c a r ri e d o u t ．T h e r e s u l t s o f d a ma g e di a g no s i s a r e di s c u s s e d． I t s h o ws t h a t t h r e e s t e p d a ma g e d i a g n o s i s me t h o d o f l a r g e a n d c o mp l e x b ridg e h a s c l e a r c o n c e pt ，s i mp l e o p e r a t i o n a n d p r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e ． Ke y wo r ds c o n t i n u o u s s t e e l t ru s s b rid g e；d y n a mi c c h a r a c t e ris t i c；a r t i fic i a l n e u r a l n e t wo r k s ；d a ma g e d i a g no - s i s