型钢混凝土框排架结构主厂房拟动力实验研究

2009年9月WORLDEARTHQUAKEENGINEERING

Vol.25No.3

Sep.2009

文章编号:1007-6069(2009)03-0055-06

型钢混凝土框排架结构主厂房拟动力实验研究

白国良,刘志钦

1

1,2

,康灵果

1

(1.西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安710055;2.河南城建学院土木系,河南平顶山467000)

摘　要:针对高烈度区大容量火电厂主厂房不适于应用钢筋混凝土框排架结构和钢支撑钢排架结构的情况,提出了采用新型型钢混凝土框排架混合结构体系。以1000MW机组电厂主厂房为原型,按1/7进行缩尺的3跨3榀框排架子结构进行空间模型的拟动力试验,研究了在水平地震作用下模型结构的裂缝发展规律及破坏机制、结构的滞回特性及变形性能、框排架结构协同工作性能等。研究结果表明:在地震加速度0.1g地震波作用下结构满足“小震不坏”的要求,在0.4g时满足“大震不倒”的要求;结构弹塑性层间位移角限值为1/95;排架结构的设计剪力应不小于整体结构7%的基底总剪力等。

关键词:框排架结构;主厂房;大容量火电厂;拟动力;抗震性能中图分类号:TU317+11　　　　　文献标志码:A

Pseudodynamicteststudyonthemainbuildingofa

sectionsteelconcreteframe2bentstructure

BAIGuoliang,LIUZhiqin

1

1,2

1

,KANGLingguo

(1.SchoolofCivilEngineering,Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’an710055,China;2.DepartmentofCivilEngineering,HenanUniversityofUrbanConstruction,Pingdingshan467000,China)

Abstract:Anewtypeofsectionsteelconcreteframe2benthybridstructureisappliedtoalargecapacitypowerplantinhighintensityseismicregionforreplacingRCframe2bentstructureandsteel2bracing2steel2bentstructure.Thepseudo2dynamictestofa1/7scalemodelwithtwospansandthreebayshasbeenperformedbasedonthepro2totypestructureofmainbuildingin1000MWpowerplant.Thestudiedcontentsincludedevelopinglawofcrack,damagemechanism,hystereticcharacteristic,deformationpropertyandcoordinatedworkingperformanceofthestructureunderhorizontalearthquakes.Experimentalresultsshowthatthestructuredoesnotcrackunder0.1gearthquakeacceleration,anddoesnotcollapseunder0.4gaccelerationgroundmotioninput;themostelastic2plas2ticstorydriftangleis1/95;thedesignshearofthebentstructureshouldnotbelessthan7%ofthetotalbaseshear.

Keywords:frame2bentstructure;mainbuilding;largecapacitypowerplant;pseudodynamictest;seismicbehavior

引言

火电厂主厂房是体系复杂、质量和刚度既不规则也不均匀的结构形式,随着国家电力行业的发展,单机

　　收稿日期:2009-03-02;　修订日期:2009-04-17

　　基金项目:国家自然科学基金项目(50778150);陕西省“13115”科技创新工程重大科技专项(2007ZDKG-39)　　作者简介:白国良(1955-),男,教授,博士,主要从事结构防灾减灾及防护研究.E2mail:guoliangbai@126.com

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[1]

容量不断增大,钢筋混凝土结构主厂房达到600MW,钢结构主厂房达到1000MW。此时,传统的钢筋混凝

土框排架结构主厂房在高烈度区大容量机组主厂房中已不适合,结构出现部分底层柱轴压比偏大,地震作用下结构层间位移、顶点位移偏大。而在高烈度区大容量机组主厂房采用的钢支撑钢框架结构,因设置大量支撑了工艺的布置和运行检修空间,结构造价及维护费用较高。针对高烈度区主厂房结构的复杂性、存在问题和我国国情,在低烈度区主厂房结构体系仍采用钢筋混凝土结构前提下,本文以已投产的1000MW机组电厂主厂房为原型,提出高烈度区大容量火力发电厂主厂房采用型钢混凝土框架(含部分钢筋混凝土分散剪力墙)钢筋混凝土排架的混合结构体系,研究该结构体系在地震作用下的抗震性能和破坏机理。

1　试验概况

1.1　试件情况

原型主厂房结构轴线长度122m,宽度58m,最高处标高59.9m,工程按8度抗震设防、构造按9度考虑,场地为II类,试件设计选取含有汽机房、除氧间(型钢混凝土框架及钢筋混凝土分散剪力墙结构)及煤仓间(钢筋混凝土排架结构)的三跨三榀框排架子空间模型进行拟动力试验,结构试件制作及试验在西安建筑科技大学结构与抗震实验室完成,考虑主厂房结构实际情况及试验反力台座的加载条件,结构试件的缩尺比为1/7。试验中采用平面刚度无限大的钢梁(4.800标高处的AB跨梁)模拟原型主厂房汽机房屋盖系统,钢梁之间采用方钢管模拟屋盖支撑。整个结构试件的混凝土浇注分14次完成,在标高为1.200m、1.850m、2.400m、4.100m、4.800m、6.000m、7.200m处分别设置60mm厚的钢筋混凝土现浇板,以传递水平力。试件中框架梁、柱及分散剪力墙的混凝土强度等级均采用C45,板C30。试件尺寸及配筋见图1,其中模型结构1～3层柱布置及配筋图见图1(a),西立面图见图1(b),1层梁配筋图见图1(c)所示。第3期　　　　　　　　　　　　白国良,等:型钢混凝土框排架结构主厂房拟动力实验研究57

图1　试件的尺寸及配筋Fig.1　Dimensionandreinforcementofa1/7scaledmodel

1.2　相似系数

原型结构荷重大,结构轴向荷载的模拟主要以楼板配重解决,由于受原型结构形式和构件尺寸的约束,所配竖向重量为模型满载的20%,所以该模型为竖向配重不足模型,模型线长度相似系数为1/7,应力、应变

[2,3]

相似系数为1,其他物理量的相似系数通过量纲分析法及参考文献确定,则本试验原型与模型的主要相似关系见表1所示。

表1　模型结构与原型结构的相似比例

Table1　Similarityratiobetweenscaledmodelandprototype

构件原型

模型

线长度

11/7

面积

11/49

弹性模量竖向应力

11

11/5

质量

11/245

位移

11/7

剪力

11/49

刚度

11/7

地震作用

11/49

频率

135反应加速度

15

1.3　加载制度和测试内容

试验加载内容:竖向荷载在施加水平荷载前一次加载完毕,水平荷载通过钢筋混凝土反力墙,借助3台电液伺服作动器对模型结构的2.400m、4.800m、7.200m标高处施加水平荷载,在2.400m、4.800m标高处设置作动器最大出力为±1000kN,冲程±250mm的加载器,在7.200m标高处设置作动器最大出力为±500kN,冲程±150mm的加载器,考虑模型结构质量、刚度的分布,标高2.400m、4.800m、7.200m三点的加载比例为F1∶F2∶F3∶=0.55∶1∶0.36。

模型结构的拟动力加载,输入ElCentro波N2S分量,其加速度峰值分别为100Gal、250Gal、500Gal、1000Gal、1500Gal、2000Gal、3000Gal(相当于原型结构0.02g,0.05g,0.1g,0.2g,0.3g,0.4g,0.6g),强震持时为10s。试验量测的主要内容为:模型结构的裂缝出现及发展规律、各层侧移、各阶段的荷载与相应位移、型钢、钢筋及混凝土的应变分布等。为了量测控制部位梁、柱、节点的型钢及钢筋应变,分别在底层型钢混凝土框架柱、钢筋混凝土排架柱、煤斗梁、节点等部位的型钢、纵筋、箍筋布置了161片3mm×5mm的钢筋应变片,同时在底层柱和节点处布置了21片混凝土应变片,以量测该部位混凝土应变的变化,此外在标高

58世　界　地　震　工　程　　　　　　　　　　　　　　　　　　第25卷

1.200m、2.400m、4.100m、4.800m、6.000m、7.200m处共设置了16个电子位移计以量测各楼层的位移,所

有测点的数据都通过智能信号采集仪7V08采集数据并处理。

2　试验结果分析

2.1　试件的破坏过程

当输入加速度峰值为100Gal、250Gal时,模型结构处于弹性工作阶段,没有裂缝出现。输入加速度峰值

为500Gal时,在605步(拟动力试验每一工况为1000步,最后200步为自由衰减)达到反向(拉)最大荷载,顶层位移-5.0mm,基底剪力-101.5kN,在681步达到正向(推)最大荷载,顶层位移5.1mm,基底剪力108.8kN。模型底层横向剪力墙顶距梁底2cm处和墙底5cm处出现水平细微裂缝,标高4.1～4.8m处C列6

轴超短柱柱顶与煤斗梁交界处出现细微裂缝。其余部位未出现裂缝,整体结构刚度下降不大。

模型结构输入加速度峰值达到1000Gal时,在609步达到反向最大荷载,顶层位移-10.2mm,基底剪力-193.3kN,在6步达到正向最大荷载,顶层位移14.4mm,基底剪力185.1kN。C列柱柱底出现水平裂缝,D列横向剪力墙原有裂缝继续向两侧延伸,5轴和7轴柱底出现水平裂缝。汽机平台中间柱1.2～2.4m段柱底出现水平细微裂缝,D列2.4～4.8m5轴和7轴柱、B列2.4～4.1m5轴和7轴柱、6.0～7.2mC列和D列柱柱根均出现水平裂缝。煤斗大梁下横向剪力墙顶出现水平裂缝。超短柱原有裂缝继续向两侧延伸5cm。此工况下,结构刚度开始下降。该地震工况作用下结构框架柱承担的水平剪力比例增大。

模型结构输入加速度峰值达到1500Gal时,在609步达到反向最大荷载,顶层位移-18.6mm,基底剪力-275.7kN,在687步达到正向最大荷载,顶层位移9.0mm,基底剪力237.3kN。模型各构件原有裂缝继续发展,并出现新的水平裂缝,C列柱的裂缝比其他柱裂缝出现的较少,开展也较慢。模型结构输入加速度峰值达到2000Gal时,在548步达到正向最大荷载,顶层位移24.8mm,基底剪力332kN,在624步达到反向最大荷载,顶层位移-31.7mm,基底剪力-362.3kN。模型各构件开始出现较多裂缝,部分构件裂缝已经贯通。值得注意的是D列中间柱,没有设置剪力墙,在先前几个地震工况中均没有裂缝出现,在此工况下柱底才出现一些裂缝,而设置的横向剪力墙裂缝已经斜向延伸贯通了,这可以说明剪力墙作为整体结构的第1道防线起到了很好的作用。

模型结构输入加速度峰值达到3000Gal时,在549步达到正向最大荷载,顶层位移43.5mm,基底剪力442.2kN,在637步达到反向最大荷载,顶层位移-48.7mm,基底剪力-455.4kN。模型结构各构件出现大量裂缝,并延伸贯通。底层D列剪力墙出现大量交叉斜裂缝;C列柱1层、2层节点出现交叉斜裂缝,梁上与横向剪力墙连接处,出现交叉斜裂缝并向跨中发展;标高4.1～4.8mC26短柱两侧出现许多整体交叉斜裂缝。此工况下,构件裂缝大量开展,结构刚度下降较大。

由试件的破坏过程可知:

(1)模型结构在最大加速度峰值500Gal,相当于实际结构0.1g地震作用下,结构个别构件开裂,但仍然总体处于弹性阶段,刚度下降较小,可以满足“小震不坏”的要求;模型结构在最大加速度峰值2000Gal,相当于实际结构0.4g地震作用下,刚度下降明显,基本上各个构件均有裂缝出现,虽部分构件已出现贯通裂缝,但仍能满足“大震不倒”的要求。

(2)模型结构在试验过程中,底层构件开裂的顺序是:横向剪力墙—B列柱、D列柱—A列柱、1/A列柱—C列柱,由于C列柱承受竖向荷载较大,轴压比较大,延缓了裂缝的开展。

(3)横向剪力墙很好的起到了第1道抗震防线的作用,它不仅延缓了设置剪力墙框架柱的开裂,更大大延缓了未设置剪力墙框架柱的开裂,因此该体系框架剪力墙系统在遭受水平地震作用时可以细分为3道抗震防线:横向剪力墙—设置横向剪力墙的框架—未设置横向剪力墙的框架。2.2　结构的滞回特性

滞回曲线是结构或构件在循环往复荷载作用下的荷载变形曲线,揭示了构件或结构承担的力与该力引

[4]

起变形之间的定量关系,是分析结构抗震性能的重要依据。通过对该框排架结构拟动力(100Gal、250Gal、500Gal、1000Gal、1500Gal、2000Gal、3000Gal)试验的数据分析,得到不同工况下的滞回曲线,以模型结构中间层(标高4.800m)、工况500Gal、2000Gal、3000Gal的滞回曲线为例示于图2。

第3期　　　　　　　　　　　　白国良,等:型钢混凝土框排架结构主厂房拟动力实验研究59

图2　模型结构中间层荷载位移滞回曲线

Fig.2　Load2displacementhystereticcurvesofmiddlelayeronmodelstructure

根据模型结构的中间层滞回曲线可以发现:在弹性阶段混凝土尚未开裂,结构的滞回曲线基本沿直线循环,当荷载降低为0时,变形基本回到0点,表明结构处于线弹性阶段;当结构开裂后,滞回环面积加大,卸载时残余变形很小但已不能完全恢复,表明结构的塑性变形逐步加大,刚度退化较慢,滞回曲线呈稳定的梭形;随着荷载的逐级增加达到结构极限荷载之后,结构有明显残余变形,强度和刚度衰减趋于明显,滞回曲线兼有梭形和倒S形的性质,形状介于两者之间。接近破坏时,由于混凝土保护层的压溃剥落,混凝土作用减弱,滞回曲线接近于纯钢节点,呈纺锤形。荷载方向变换时,先前裂开的裂缝逐步闭合,结构的刚度有所上升,当荷载加大到反向的裂缝出现后,结构的刚度逐步下降。因此,从滞回曲线来看,模型结构的滞回曲线较传统钢筋混凝土结构的滞回曲线丰满,滞回面积较大,其耗能能力有较为明显的改善。2.3　结构的变形性能

表2为模型结构在不同输入加速度作用下的顶点位移和相应侧移,由此可知:在弹性阶段,模型结构正负向的整体侧移都小于1/1400,并且2个方向数值基本一致。在模型结构开裂后(500Gal左右),结构的整体位移有明显增加,正向侧移为1/1443,而此时结构的正负向位移分别为5.086mm和-4.968mm,结构在推拉2个方向的位移表现较为对称,这与地震波的特性和型钢混凝土本身的性能及新型结构自身动力特性有关。随着输入最大加速度的增加,结构的整体位移有显著的增加,结构位移的不对称趋于明显但变化缓慢,在输入最大加速度3000Gal时,结构的整体侧移在正负向分别达到1/169和1/151。

表2　模型结构的顶点位移和相应侧移

Table2　Topdisplacementandlateraldisplacementofmodelstructure

输入加速度峰值

100Gal250Gal500Gal1000Gal1500Gal2000Gal3000Gal

标高7.200m

侧移

负向

1/96071/29571/14771/7111/3941/2321/151

顶点位移Δ/mm

正向

1.2522.515.0869.05414.43424.8443.526

负向

-0.7-2.482-4.968-10.328-18.63-31.702-48.734

正向

1/58631/29241/14431/8111/5091/2951/169

图3为模型结构在不同输入加速度作用下结构的层间变形包络图,根据变形包络图可以发现,在弹性阶

段结构各层间位移角基本一致,表明加载比例F1∶F2∶F3=0.55∶1∶0.36基本符合模型结构在弹性阶段的质量、刚度分布;结构开裂后,各层的位移角都有明显的增加,特别是第1层抗侧刚度偏小,在达到屈服位移时,第1层的层间位移角限值为1/107,而4层的层间位移角限值则为1/95(4层标高为4.100m,层高为1.700m,为模型结构的薄弱层)。在达到极限荷载位移时,底层层间位移角由屈服时的1/107增加到1/48。由文献可知,钢筋混凝土框架结构的弹塑性层间位移角限值为1/50,框架2抗震墙结构为1/100,而本次试验的型钢混凝土框排架结构的弹塑性层间位移角限值为1/95。可见,该新型型钢混凝土框排架结构屈服时层间位移角限值较小,既满足钢筋混凝土框架结构、又基本满足钢筋混凝土框架2抗震墙结构的要求。

[5]

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图4　不同加速度峰值下排架承担剪力与结构总剪力的比值

图3　模型结构层间变形包络图

Fig.3　Envelopediagramofinterstory

deformationofmodelstructure

Fig.4　Ratioofbentbearingshearforcetototalshearforceofthe

structurefordifferentaccelerationpeaks

2.4　型钢混凝土框排架混合结构协同工作分析

同钢筋混凝土框架剪力墙结构类似,在不断增大的水平剪力作用下,型钢混凝土框架(含分散剪力

墙)与排架发生了内力重分布。采用杆系模型,按照最大基底剪力相等的方法,用DRAIN22D软件对模型结构的内力重分布进行了研究,在不同试验阶段,排架部分承担的水平剪力与基底总剪力的关系见图4所示。在弹性阶段结构的水平荷载主要由型钢混凝土框架部分承担,随着水平力的增大,框架和排架刚度都发生退化,但由于框架的刚度退化速率快于排架,致使排架的相对刚度增加,造成排架结构随整体结构损伤的增加而承担更多的水平作用,但由图4可知,最终排架承担的水平力未超过7%的结构总剪力。所以,在框排架整体结构设计中,应考虑框架与排架之间的内力重分布对排架的影响,根据本次试验,排架结构部分的设计剪力应不小于7%的基底总剪力。

[6]

3　主要结论与建议

(1)根据模型结构的拟动力试验研究结果,主厂房混合结构横向体系在输入加速度峰值0.1g时,结构

基本处于弹性阶段,能满足“小震不坏”的要求;在输入加速度峰值0.4g时,主厂房混合结构横向体系能满足“大震不倒”的要求。

(2)该体系的框架2分散剪力墙系统在遭受水平地震作用时可以细分为3道抗震防线:横向剪力墙设置横向剪力墙的框架未设置横向剪力墙的框架。

(3)型钢混凝土框排架混合结构的弹塑性层间位移角限值为1/95,小于规范规定的钢筋混凝土框架结构弹塑性层间位移角限值1/50。

(4)在型钢混凝土框排架混合结构设计中,应考虑框架(含分散剪力墙)与排架之间的内力重分布对排架部分的影响,根据本次试验分析,对于排架结构,其设计剪力应不小于整体结构7%的基底总剪力。

(5)模型结构在拟动力试验中,存在一定的扭转效应,所以该型钢混凝土框排架混合结构的扭转振动有待进一步研究。

参考文献:

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[6]　KabeyaswaT,ShioharaH,OtaniS.Analysisofthefull2scaleseven2storyreinforcedconcreteteststructure[J].JournaloftheFacultyofEngineer2

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