关于电厂钢筋混凝土结构的研究

2010-01-01纪中山

中国新技术新产品 2010年17期

纪中山

(电力建设公司神华神东店塔电厂工程项目部,天津 300000)

1 前言

《建筑抗震设计规范》[1]中采用“二阶段三水准设计”抗震设计方法，仅仅是以保证人的生命安全为单一设防目标，在罕遇地震作用下，只是避免主体结构发生倒塌破坏，从而保护人的生命安全。但对于大型火电厂主厂房这类特殊的工业建筑，由于另外设置控制室，人员较少，主厂房内设备的价值远远超过结构本身的造价。主厂房结构在地震破坏中造成的经济损失、次生灾害以及社会影响，往往超出了业主和社会的承受能力。因此火电厂主厂房结构的抗震设计不仅要考虑保障人身安全，更要通过控制地震中重要设备的破坏所产生的经济损失，保证结构使用功能的延续，从而达到业主提出的性能要求。

历次地震震害表明，结构破坏倒塌的主要原因是变形过大，超过了结构构件能承受的塑性变形能力。在结构进入塑性后，决定结构破坏的主要因素是结构的位移反应，更合理的结构抗震设计方法应该是基于结构位移的抗震设计方法，因此对结构在大震作用下的变形验算是非常必要的。目前，框架结构地震反应分析方法主要有两种：弹塑性时程分析和静力弹塑性分析。弹塑性时程分析是较为理想的非线性分析方法，且被认为是结构弹塑性分析的最可靠方法，但由于地震波和恢复力模型的选择对时程分析结果影响很大，其应用受到了限制。而静力弹塑性分析分析方法(简称Pushover分析)既考虑了计算的简便性，又考虑了结构在地震作用下的非线性响应特性，是目前一种比较经济可行的结构非线性分析方法。

2 静力弹塑性分析研究现状

近10多年来，自从基于性能的抗震设计理论提出后，各国都投入大量人力物力致力于这方面的研究。静力弹塑性分析又称Push-over analysis，是近年来得到国内外学者大力推广的一种非线性静力抗震分析方法。在抗震工程中对静力弹塑性分析方法的使用最旱要追溯到Gulkan和Sozen所做的工作，他们用等效单自由度来代替多自由度结构。Freeman等人在静力弹塑性分析基础之上提出了对结构进行静力弹塑性分析的能力谱方法，后来经过不断地完善和改进，成为结构静力弹塑性分析的重要方法之一。Saiidi等依据动力理论把多自由度体系转化为等效单自由度体系来进行结构的非弹性地震反应的研究，为静力弹塑性分析方法的研究和应用起到了推动作用。该方法目前只适用于中低层的规则建筑物，对于较高的建筑物，由于高振型的影响不可忽视，因而Sasak取结构的前几阶振型来确定荷载的分布形式。

与国外相比较，我国对Push-over分析方法的研究工作开展较少。近年来Push-over在国内也开始得到了重视，其中主要体现在我国的建筑抗震设计规范，我国的《建筑抗震设计规范》[1]第3.6.2条规定“不规则且具有明显薄弱部位可能导致地震时严重破坏的建筑结构，应按本规范规定进行罕遇地震作用下的弹塑性变形分析，此时可根据结构特点采用静力弹塑性分析或弹塑性时程分析方法”。其中的静力弹塑性分析方法就是指Push-over分析方法。

3 钢筋混凝土框排架结构的研究现状

自唐山地震以后，我国学者对火力发电厂钢筋混凝土框排架结构开始进行深入的分析与研究。国家地震局工程力学研究所李树祯等对八十年代建成投产的五座300MW机组的横向单榀钢筋混凝土框排架结构进行弹塑胜动力时程分析，计算结果表明：常规设计方法设计的主厂房结构基本满足抗震设防的要求，但各自的抗震可靠度各异。强震下个别构件可能严重破坏，整体厂房还做不到“强柱弱梁”。西北电力设计院的洪柏年等对已建成的某电厂主厂房钢筋混凝土框排架结构进行弹塑性动力时程分析，研究结果表明：按规范计算的结果并不一定保证该类结构达到抗震目的，建议对主厂房应尽量做到质量、刚度分布均匀。西安建筑科技大学对600MW机组发电厂主厂房按1/7取三跨三榀钢筋混凝土框排架子空间模型，进行模型结构动力特性试验，研究了结构在水平地震作用下的受力特点、结构的薄弱环节及薄弱层以及框排架协同工作性能等。研究结果表明：该类结构存在明显的薄弱层，主要的薄弱环节在上部变截面处和异型开动节点处。

4 静力弹塑性分析方法

静力弹塑性分析是一种结构非线性地震反应的简化方法，易为广大工程人员接受[2]。作为一种新型的结构抗震能力评估手段，静力弹塑性分析方法近年来在国内外得到广泛的应用。该方法是逐步对结构施加一定分布形式的侧向荷载，随着侧向荷载的增加，使得部分构件依次进入塑性状态，出现塑性铰，直到结构丧失稳定或位移达到限值。这种方法最根本的特征是用静力荷载描述地震作用，在地震作用下考虑结构的弹塑性性能，可以对关键单元或重要构件的变形做近似估计，发现一些设计中潜在的不利因素，如强度或刚度突变等；找到结构可能发生突变的部位，以及结构的传力途径、构件塑性铰的发展和屈服次序等。

能力谱方法(Capacity Spectrum Method)在实现基于结构性能抗震设计理论中主要体现在对结构抗震性能的评估上。能力谱方法实质上是通过地震反应谱曲线和结构能力谱曲线的叠加来评估结构在给定地震作用下的反应特性。评价结构的耐震性能和性能水准时会使用能力谱和需求谱的概念。通过Pushover分析将获得荷载－位移关系(V-U)，响应谱也可获得加速度－周期(A-T)的相关关系。为了比较两个谱，需要将其转换为加速度－位移谱。如果结构的位移在目标性能范围内，则继续评价各构件的性能。