带斜撑型直接空冷钢-混凝土竖向混合结构非线性地震响应分析

第一作者代慧娟女，博士，讲师，1985年10月生

带斜撑型直接空冷钢-混凝土竖向混合结构非线性地震响应分析

代慧娟1，白国良2，王博2，张淑云1，董叶辉2

(1.西安科技大学建筑与土木工程学院，西安710054； 2.西安建筑科技大学 土木工程学院，西安710055)

摘要：带斜撑型钢-混凝土竖向混合结构是为将直接空冷技术推广应用于高烈度地区而提出的一种新型结构体系，根据上部结构平台型式的不同，可分为钢桁架+斜撑结构与实腹梁+斜撑结构两种类型。在钢桁架+斜撑结构模型抗震试验研究的基础上，采用ABAQUS有限元软件计算分析两类结构在不同强度地震作用下的基底剪力响应规律、变形性能与钢筋混凝土管柱的损伤演化特性。结果表明：提出的模型简化原则与有限元建模方法比较合理，计算值与试验值吻合较好；不同强度地震作用下，钢桁架+斜撑结构的最大基底剪力与剪重比均大于实腹梁+斜撑结构；两类结构的侧移变形随地震作用的增强均由弯剪型趋于剪切型，钢桁架+斜撑结构的牛腿及下部位移略大于实腹梁+斜撑结构，而牛腿上部位移则略小；钢桁架+斜撑结构的最大柱顶侧移角略小于实腹梁+斜撑结构；两类结构的抗震性能均较好，能够满足大容量机组火电厂在高烈度区的抗震需求。

关键词：直接空冷钢-混凝土竖向混合结构；斜撑；抗震性能；损伤演化特性；有限元

基金项目：国家自然科学基金项目(51178383)；陕西省教育厅科研专项(2010JK669)

收稿日期：2013-11-08修改稿收到日期：2014-04-16

中图分类号:TU352.1+1

文献标志码：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.07.023

Abstract:Steel-concrete vertical hybrid structure with diagonal bracing is a new structure system which has been proposed for applying the direct air-cooled technology in high earthquake intensity areas, according to the type of platform. The structure can be divided into two types: steel truss-diagonal bracing structure and solid web girder-diagonal bracing structure. On the basis of the seismic experiments of steel truss-diagonal bracing model structures, finite element software ABAQUS was used to calculate and analyze the base shear response, deformation properties and damage evolution characteristics of reinforced concrete pipe columns of the two kinds of structures with diagonal bracing. The results show that: the proposed simplification principles and finite element modeling methods are reasonable, the calculated results agree well with the test results; under different earthquake intensities, the biggest base shear force and the shear-weight ratio of the steel truss-diagonal bracing structure are greater than those of the solid web girder-diagonal structure; the lateral displacement curves for the two kinds of structures are both shifting from shear-moment-type toward shear-type as the earthquake intensity increases; the lateral displacements on and below the corbel of the steel truss-diagonal bracing structure is slightly greater than those of the solid web girder-diagonal structure, while above the corbel, it is just the opposite; the lateral displacement angle at the top of the column for the steel truss-diagonal bracing structure is slightly smaller than that of the solid web girder-diagonal structure; seismic performances of the two kinds of structures are both good, which can meet the seismic requirement of the large-capacity units in high earthquake intensity areas.

Nonlinear seismic response analysis of direct air-cooled vertical hybrid structures with diagonal bracing

DAIHui-juan1,BAIGuo-liang2,WANGBo2,ZHANGShu-yun1,DONGYe-hui2(1.School of Architecture and Civil Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China;2.School of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture &Technology, Xi’an 710055,China)

Key words:direct air-cooled steel-concrete vertical hybrid structure; diagonal bracing; seismic performance; damage evolution characteristics; finite element

因节水效果显著，直接空冷技术目前在我国富煤缺水的“三北”地区得到广泛应用，而作为空冷设备的重要支撑，空冷支架结构的抗震安全性关系到整个火电厂的正常运行。目前，工程中主要采用的空冷支架结构型式主要有钢框架-支撑结构、钢筋混凝土框架结构、钢桁架-钢筋混凝土管柱结构等[1-4]。已有研究表明，随着火电厂机组容量的不断增加，传统的空冷支架结构体系已经不能满足大容量机组火电厂在高烈度区的抗震需求[5-7]。为解决此问题，课题组研究提出带斜撑型的空冷支架结构体系，根据钢结构上部平台型式的不同，该类结构体系可以分为钢桁架+斜撑结构与实腹梁+斜撑结构两种类型[5]。为研究该类结构体系的抗震性能，课题组以钢桁架+斜撑结构为例，通过模型结构拟动力与伪静力试验研究了其滞回性能与耗能能力，初步表明该类结构具有较好的抗震性能[8]。但一方面，作为大型复杂的结构体系，在模型结构试验研究的基础上有必要结合整体结构的非线性地震响应分析进行更为深入的研究；另一方面，已有研究主要针对钢桁架+斜撑结构，而尚未对实腹梁+斜撑结构展开相关分析。鉴于此，本文首先在钢桁架+斜撑结构模型试验研究的基础上，通过比较验证提出适用于此类钢-混凝土竖向混合结构计算分析时的简化原则与建模方法；然后采用ABAQUS软件分别建立钢桁架+斜撑结构以及实腹梁+斜撑结构的弹塑性有限元模型，进行非线性地震响应分析，通过结构在不同强度地震作用下的基底剪力时程曲线、侧移包络曲线、侧移角以及结构损伤演化特性的分析与比较，进一步探讨带斜撑型空冷支架结构体系的抗震性能，为在高烈度区推广应用该类结构体系提供基础研究资料。

1工程概况

根据8度抗震设防要求设计出1 000 MW钢桁架+斜撑空冷支架结构与实腹梁+斜撑空冷支架结构。两类结构中的风机数量均为100台，平台柱数量均为25根，钢筋混凝土管柱高度均为50.00 m，直径4 m，壁厚0.4 m。

空冷支架结构体系通常由钢筋混凝土管柱、钢桁架平台、A形架三部分组成[1]。其中，钢桁架+斜撑结构中的钢平台为空间正交钢桁架结构，桁架上下弦采用H型钢，腹杆采用圆钢管，桁架下部增设斜向支撑，支撑类型为截面450 mm×450 mm×30 mm的方钢管。实腹梁+斜撑结构中的钢平台为空间正交实腹梁结构，实腹梁下部设置加强杆件，采用截面250 mm×250 mm×12 mm的方钢管，平台下部增设斜向支撑，采用截面450 mm×450 mm×20 mm的方钢管。在两种结构的平台上部均设置八角梁作为风机甲板的支撑梁及风筒的连接梁。为增加结构的整体刚度，平台下弦设置平面内支撑。

两类结构的平面布置相同，如图1所示。图2与图3分别为钢桁架+斜撑结构与实腹梁+斜撑结构的立面图。

图1　柱网平面布置图 Fig.1 Layout plan of column net

图2　钢桁架+斜撑结构立面图 Fig.2 Elevation of steel truss-diagonal bracing structure

图3　实腹梁+斜撑结构立面图 Fig.3 Elevation of solid web girder-diagonal bracing structure

2试验研究与有限元模型的建立

2.1试验研究概况

图4　试验模型 Fig.4 Experiment model

选取钢桁架+斜撑原型结构的1/4，并按照1/8缩尺比制作试验模型，进行动力特性测试、拟动力试验与伪静力试验研究，获得该结构体系的动力特性参数，分析其滞回性能、变形性能以及破坏模式等。试验模型如图4所示。

采用锤击法使结构产生自由振动进行动力特性测试，分YZ面内及XZ面内各测试两次，记录结构自由振动衰减曲线，通过传递函数得到整体结构的动力特性参数。拟动力试验时，顺A型架方向输入EL-Centro地震波，地震动峰值依次调整为50 gal、100 gal、200 gal、300 gal、400 gal、600 gal、800 gal。伪静力试验时，位移首先以最大值10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm、70 mm各循环一次，然后以80 mm、90 mm、110 mm、130 mm、150 mm、170 mm各循环三周，以190 mm循环一次，加载至模型破坏。加载点位于A型架顶部及钢桁架平台处，加载比为1∶1.28，其中钢桁架平台处的作动器作为主控点。

具体的模型设计过程及试验研究方案详见文献[7]。

2.2有限元建模方法及其验证

2.2.1模型的主要简化方法

建模过程中对于牛腿与柱顶节点部位作了较大简化，分述如下：

(1)牛腿的简化

考虑到牛腿的作用主要是传递由斜撑传递至管柱的内力，对整体结构刚度影响不大，建立模型时，将混凝土管柱作为通长空心管柱模拟，斜撑直接与管柱连接。为避免简化后斜撑与管柱连接点出现应力集中现象，在连接点周围四个单元上附加4块钢板。同时，为避免简化后牛腿位置可能出现强度降低而导致开裂的情况，适当加密牛腿位置管柱配筋。图5所示为牛腿部位实际情况与简化模型比较图。

图5　牛腿的简化 Fig.5 Simplify of bracket

(2)柱顶节点的简化

工程中钢筋混凝土管柱与钢桁架的连接主要采取在柱顶预埋钢板，并与钢桁架柱顶节点连接板通过焊接连接的方式，有限元分析时将连接点作为刚节点；同时，省略顶端部分实心混凝土柱，而采用桁架单元T3D2实现钢桁架与管柱之间的荷载传递。图6为柱顶连接节点实际情况与简化模型比较图。

图6　柱顶连接节点的简化 Fig.6 Simplify connection of pillars

2.2.2单元选取与本构关系

表1为建模时单元的选取情况[9-11]。其中，为减少模型计算自由度，将配重块按集中质量等效到A型架相应节点上。

表1　单元类型的选取

采用双线性动力强化模型模拟型钢和钢筋，不考虑材料的刚度退化，采用Von Mises屈服准则，混凝土材料采用损伤塑性模型[9-10]。钢材的屈服应力与应变、极限应力、弹性模量，以及混凝土材料的轴心抗压强度标准值、弹性模量均由材性试验测得，见表2所示。

表2　材料实测性能

2.2.3有限元建模方法的验证

图7　试验结构的计算模型 Fig.7 Calculation model of the experiment structure

采用上述建模方法建立钢桁架+斜撑试验结构的计算模型，如图7所示。通过比较试验与计算得到的结构动力特性、不同强度地震作用下的位移响应时程曲线以及整体侧移包络曲线验证本文所采取的建模方法的合理性。

表3为动力特性计算结果与试验结果的比较情况，图8为计算得到的结构前四阶振型图。对比结果表明：动力特性计算结果与试验测试结果比较接近，初步说明所采取的建模方法是合理的。

表3　动力特性计算值与试验值比较

图8　结构前四阶振型图 Fig.8 First four vibration types

选取与试验相同的EL-Centro地震波，输入加速度峰值分别为200 gal、400 gal和600 gal，计算钢桁架平台中部与A型架顶部的位移响应时程曲线，并与试验结果进行比较，限于篇幅仅列出峰值加速度为400 gal与600 gal地震动作用下的钢桁架平台中部位移响应时程曲线，如图9所示；同时计算三种工况下的侧移包络曲线，与试验结果进行对比，如图10所示。对比结果表明：计算值与试验值吻合较好，结构的侧移曲线形状较为一致，可以看出由于结构的刚度在管柱牛腿设置处发生突变，结构的位移响应在牛腿处分为明显的两段。

综上分析表明，本文提出的针对牛腿和柱顶节点部位的简化方法以及所选取的单元和本构关系均较为合理，采用该建模方法进行两类带斜撑结构的非线性地震响应分析是可靠的。

图9　钢桁架平台中部位移响应时程曲线比较 Fig.9 Comparison of displacement time history curves for steel truss platform

图10　模型结构的侧移包络曲线对比图 Fig.10 Comparison of lateral displacement envelope curves for model structure

2.3带斜撑型空冷支架结构有限元模型的建立

图11~图12分别为采用上述建模方法建立的原型钢桁架+斜撑结构与实腹梁+斜撑结构的有限元分析模型。

图11　钢桁架+斜撑空冷支架结构有限元模型 Fig.11 Finite model of steel truss-diagonal bracing air-cooled condenser structure

图12　实腹梁+斜撑空冷支架结构有限元模型 Fig.12 Finite model of solid web girder-diagonal bracing air-cooled condenser structure

3钢桁架+斜撑结构非线性地震响应分析

3.1结构的动力特性参数

钢桁架+斜撑结构的动力特性参数如表4所示。

表4　钢桁架+斜撑结构动力特性参数

3.2地震作用

图13为钢桁架+斜撑结构在不同强度地震作用下的基底剪力时程曲线。

图13　不同强度地震作用下钢桁架+斜撑 结构基底剪力时程曲线 Fig.13 Base shear time-history curves under different earthquake intensities of steel truss-diagonal bracing structure

计算分析表明：在8度小震作用下，结构处于弹性阶段，基底剪力时程曲线与输入地震波波形基本一致，最大正向与负向基底剪力分别为19 823 kN和-17 730 kN，剪重比分别为6.47%和-5.79%；在8度中震作用下， 6.5 s后，地震作用的相位比小震作用下的相位有所滞后，但滞后现象不明显，表明结构已有轻微的塑性变形，最大正向与负向基底剪力分别为32 253 kN和-35 736 kN，剪重比分别为10.53%和-11.67%；在8度大震和9度大震作用下，地震作用增长幅度较小，相位偏差出现较早，且偏差明显，说明在较大地震作用下，结构损伤出现较早，损伤程度较严重，刚度退化较快，在8度大震和9度大震的地震作用后期，结构基底剪力甚至小于8度中震作用时的基底剪力，说明结构累积损伤较大，刚度退化明显，结构的动力特性发生较大改变。其中，在8度大震情况下，最大正向与负向基底剪力分别为43 745 kN和-43 732 kN，剪重比分别为14.28%和-14.28%；在9度大震情况下，最大正向与负向基底剪力分别为60 916 kN和-63 447kN，剪重比分别为19.89%和-20.72%。

3.3变形性能

图14为8度大震作用下钢桁架+斜撑结构的整体变形图；图15为不同强度地震作用下的结构侧移包络曲线。

图14　8度大震作用下钢桁架+斜撑结构整体变形 Fig.14 Deformation of steel truss-diagonal bracing structure under 8 degree major earthquake

图15　不同强度地震作用下钢桁架+斜撑 结构的侧移包络曲线 Fig.15 Lateral displacement envelope curves under different earthquake intensities of steel truss-diagonal bracing structure

计算分析表明：地震作用下，钢桁架平台近似为整体平动，由于斜撑对管柱的约束作用，在水平地震作用下，管柱出现反弯点。结构整体侧移随地震强度的增大由弯剪型逐渐向剪切型转变；8度小震作用下，结构处于弹性阶段，柱顶最大侧移角为1/1736；8度中震作用下，管柱出现轻微开裂，结构进入弹塑性阶段，柱顶最大侧移角为1/710；8度大震作用下，结构损伤程度较大，剪切变形所占比例逐渐增大，柱顶最大侧移角为1/360；9度大震作用下，结构损伤累积比较严重，柱顶最大侧移角为1/199。

3.4钢筋混凝土管柱的损伤演化特性

图(16-18)为钢筋混凝土管柱在8度中震、8度大震和9度大震作用下的损伤形态。

图16　8度中震作用下钢桁架+斜撑结构整体损伤 Fig.16 Overall damage of steel truss-diagonal bracing structure under 8 degree moderate earthquake

图17　8度大震作用下钢桁架+斜撑结构整体损伤 Fig.17 Overall damage of steel truss-diagonal bracing structure under 8 degree major earthquake

图18　9度大震作用下钢桁架+斜撑结构整体损伤 Fig.18 Overall damage of steel truss-diagonal bracing structure under 9 degree major earthquake

计算分析表明：8度中震作用下，管柱开裂范围较小，受拉损伤值最高约为0.75，结构刚度退化为初始刚度的70%左右，处于可修复状态；8度大震作用下，管柱受拉损伤增长较快，开裂范围主要集中在柱底1/4处、牛腿下部和柱顶附近，柱底混凝土出现局部压碎现象，结构刚度退化为初始刚度的48%左右，满足“大震不倒”的抗震设防要求；9度大震作用下，结构损伤累积严重，管柱底部开裂与混凝土受压损伤的范围与程度远大于8度大震时的情况，刚度退化为初始刚度的36%，结构仍能保持直立。

4实腹梁+斜撑结构非线性地震响应分析

4.1结构的动力特性参数

实腹梁+斜撑结构的动力特性参数如表5所示。

表5　实腹梁+斜撑结构动力特性参数

4.2地震作用

图19为实腹梁+斜撑结构在不同强度地震作用下的基底剪力时程曲线。

计算分析表明：实腹梁+斜撑结构的基底剪力时程曲线与钢桁架+斜撑结构的基底剪力时程曲线特点较为一致。8度小震作用下，结构基本处于弹性状态，最大正向与负向基底剪力分别为18 361 kN和-15 741 kN，剪重比分别为5.85%和-5.02%；随着地震强度的增大，结构刚度退化，地震作用随地震强度的增加趋缓，8度中震作用下，最大正向与负向基底剪力分别为29 612 kN和-32 927 kN，剪重比分别为9.44%和-10.50%；随着结构损伤的累积发展，结构刚度退化严重，动力特性发生较大变化，基底剪力不再与地震强度成线性关系，峰值点出现时刻延迟，在地震作用后期，结构基底剪力曲线相邻峰值之间的时间间距大于小震作用下基底剪力时程曲线相邻波峰之间的间距，后期基底剪力峰值甚至小于较小地震作用下的结构基底剪力峰值。其中，8度大震情况下，最大正向与负向基底剪力分别为43 055 kN和-41 666 kN，剪重比分别为13.73%和-13.28%；9度大震情况下，最大正向与负向基底剪力分别为60 826 kN和-61 718 kN，剪重比分别为19.39%和-19.68%。

图19　不同强度地震实腹梁+斜撑结构 作用下基底剪力时程曲线 Fig.19 Base shear time-history curves under different earthquake intensities of solid web girder-diagonal bracing structure

4.3变形性能

图20为8度大震作用下实腹梁+斜撑结构的整体变形图；图21为不同强度地震作用下的结构侧移包络曲线。

图20　8度大震作用下实腹梁+斜撑结构整体变形 Fig.20 Deformation of solid web girder-diagonal bracing structure under 8 degree major earthquake

计算分析表明：实腹梁+斜撑结构中的管柱在水平地震作用下存在反弯点，随着地震作用的增强，侧移中的剪切变形增大，整体侧移逐渐趋于剪切型；8度小震作用下，柱顶最大侧移角为1/1604，结构处于弹性状态；8度中震、8度大震和9度大震作用下，结构均进入弹塑性阶段，发生不同程度的损伤，柱顶最大侧移角分别为1/682、1/348、1/193。同时，计算表明：在各强度地震作用下，钢桁架及A型架各构件均处于弹性状态，即主要依靠钢筋混凝土管柱来提供延性，而依靠钢桁架来承担较大的竖向荷载，若钢桁架在地震时发生严重破坏，则其上部支撑的昂贵设备的安全性则无法得到保证。

图21　不同强度地震作用下 实腹梁+斜撑结构侧移包络曲线 Fig.21 Lateral displacement envelope curves under different earthquake intensities of solid web girder-diagonal bracing structure

4.4管柱的损伤演化特性

图(22-24)为钢筋混凝土管柱在8度中震、8度大震和9度大震作用下的损伤形态。

图22　8度中震作用下实腹梁+斜撑结构整体损伤 Fig.22 Overall damage of solid web girder-diagonal bracing structure under 8 degree moderate earthquake

图23　8度大震作用下实腹梁+斜撑结构整体损伤 Fig.23 Overall damage of solid web girder-diagonal bracing structure under 8 degree major earthquake

图24　9度大震作用下实腹梁+斜撑结构整体损伤 Fig.24 Overall damage of solid web girder-diagonal bracing structure under 9 degree major earthquake

计算分析表明：8度中震作用下，仅在管柱底部和牛腿下部局部范围内出现受拉损伤，柱底局部混凝土有轻微的受压损伤，结构刚度退化为初始刚度的81%左右，处于可修复状态；8度大震作用下，管柱损伤累积较大，受拉开裂范围扩大，柱底和牛腿底部纵筋已经屈服，混凝土局部压碎，结构刚度退化为初始刚度的56%左右，满足“大震不倒”的抗震设防要求；9度大震作用下，结构损伤比较严重，管柱开裂范围达60%以上，柱底、牛腿底部和柱顶下部出现较大范围受压损伤，刚度退化为初始刚度的38%左右，结构仍能保持直立。相较于钢桁架+斜撑结构，随着地震强度的增大，实腹梁+斜撑结构的刚度退化速度较慢。

5两种带斜撑型空冷支架结构抗震性能对比

5.1地震作用对比

对比图13和图19所示钢桁架+斜撑结构与实腹梁+斜撑结构的基底剪力时程曲线可以看出，两类结构基底剪力时程曲线的波形、幅值和变化特点均比较相似。表6为两类结构在不同强度地震作用下的最大基底剪力及剪重比对比情况。可以看出，在不同强度地震作用下，钢桁架+斜撑结构对应的基底剪力与剪重比均大于实腹梁+斜撑结构。分析认为这主要是由于钢桁架平台平面外刚度比实腹梁平台大导致的。

表6　两类结构的地震作用对比

5.2结构位移响应对比

对比图15与图21所示两种结构在不同强度地震作用下的结构侧移包络曲线，可以看出，两类结构的侧移曲线变化特点相同，随着地震作用的增强均由弯剪型趋于剪切型。

表7和表8分别为两种结构在不同强度地震作用下的最大位移与柱顶最大侧移角。可以看出，在各强度地震作用下两种结构的位移大小均比较相近，其中，钢桁架+斜撑结构的牛腿(40m处)及下部位移略大于实腹梁+斜撑结构，而牛腿上部位移略小于实腹梁+斜撑结构。在不同强度地震作用下，钢桁架+斜撑结构的柱顶最大侧移角略小于实腹梁+斜撑结构。

表7　两种结构的最大位移对比

表8　两种结构的柱顶最大侧移角对比

6结论

(1)有限元计算结果与试验结果比较分析表明，本文提出的针对带斜撑型空冷支架结构的牛腿以及管柱顶部节点部位的简化原则与建模方法比较合理。

(2)钢桁架+斜撑结构以及实腹梁+斜撑结构的基底剪力时程曲线特点比较接近，其中，由于钢桁架平台平面外刚度比实腹梁平台大导致钢桁架+斜撑结构对应的最大基底剪力与剪重比均大于实腹梁+斜撑结构。

(3)钢桁架+斜撑结构与实腹梁+斜撑结构的侧移包络曲线特点相同，随着地震强度的增大均由弯剪型趋于剪切型变形，均能够满足“大震不倒”的抗震设防要求；两种结构在不同强度地震作用下的位移响应相近，其中，钢桁架+斜撑结构的牛腿及其下部位移略大于实腹梁+斜撑结构，而牛腿上部位移略小于实腹梁+伞撑结构；不同强度地震作用下，钢桁架+斜撑结构的最大柱顶侧移角略小于实腹梁+斜撑结构。相较于钢桁架+斜撑结构，实腹梁+斜撑结构的刚度退化速度较慢。

(4)研究表明，钢桁架+斜撑结构与实腹梁+斜撑结构均能够满足大容量机组火电厂在高强度区的抗震需求，是值得推广应用的新型结构体系。

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