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摘要:為對(duì)比分析不同支撐結(jié)構(gòu)形式下型鋼混凝土閥廳的抗震性能，建立了整體結(jié)構(gòu)的有限元模型。首先對(duì)兩種不同形式支撐下結(jié)構(gòu)的模態(tài)進(jìn)行了計(jì)算，得出其前三階模態(tài)為橫向、縱向及扭轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)的布置滿足設(shè)計(jì)要求，自振頻率也符合初步分析結(jié)果，說明模型滿足抗震動(dòng)力分析需求。在此基礎(chǔ)上對(duì)不同支撐的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了動(dòng)力時(shí)程分析。將求出的基底剪力與采用反應(yīng)譜法計(jì)算得出的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示:兩種支撐結(jié)構(gòu)在不同地震波作用下，整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形均滿足設(shè)計(jì)及抗震分析要求，從而顯示出帶支撐的型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)良好的抗震性能。X形支撐具有更為良好的抗側(cè)及抗震能力，可依據(jù)實(shí)際需要用于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的閥廳中。

關(guān)鍵詞:型鋼混凝土支撐;閥廳結(jié)構(gòu);動(dòng)力時(shí)程分析

0引言

由閥廳建造材料和結(jié)構(gòu)受力的不同，主要分為全混凝土結(jié)構(gòu)、全鋼結(jié)構(gòu)、鋼－鋼筋混凝土混合結(jié)構(gòu)三種結(jié)構(gòu)形式。其中全混凝土結(jié)構(gòu)在水平地震作用下表現(xiàn)不佳，因此高度較大的閥廳一般不予采用。全鋼結(jié)構(gòu)閥廳和混合結(jié)構(gòu)閥廳由于四面或三面為鋼柱，防火性能較差，特別是換流站閥廳存在特高壓電網(wǎng)，極易發(fā)生火災(zāi)，還有造價(jià)高，維護(hù)困難等問題。使用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)替代鋼－鋼筋混凝土混合結(jié)構(gòu)閥廳中的鋼結(jié)構(gòu)框架，可較好的解決上述問題。同傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)相比，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)有更大的剛度和強(qiáng)度，更好的局部和整體穩(wěn)定性，耐腐蝕和防火性能好，節(jié)約鋼材。同時(shí)，與全鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，這種結(jié)構(gòu)承載力和剛度大，具有更好的變形能力和延性，抗震性能優(yōu)越［1－3］。閥廳結(jié)構(gòu)具有跨度大、結(jié)構(gòu)體型不規(guī)則的特性，在地震作用和自身設(shè)備等荷載作用下，整體結(jié)構(gòu)受力十分復(fù)雜，且兩種不同形式材料的特征對(duì)整體結(jié)構(gòu)也有一定的影響。此外，在不同的使用環(huán)境下，不同形式的支撐對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性也有影響。為此，為了更好的研究帶支撐的型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)在地震作用下的內(nèi)力和變形特征，采用動(dòng)力時(shí)程分析對(duì)兩種典型的支撐閥廳的整體結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行分析，為進(jìn)一步推進(jìn)該結(jié)構(gòu)的使用打下良好基礎(chǔ)。

1兩種支撐形式的整體模型的建立

依據(jù)實(shí)際工程，選擇某典型的混凝土閥廳，改為型鋼混凝土閥廳，其中結(jié)構(gòu)的尺寸為86．2m×56m，山墻高度為33m，屋面采用鋼屋架與型鋼混凝土柱連接，二者的連接形式為鉸接［4］，屋架下弦距地面高度為26．05m，上弦距地面高度為30．05m。為較好的分析型鋼混凝土閥廳中設(shè)置不同類型支撐的影響，分別選擇X形和人字形兩種形式的支撐結(jié)構(gòu)［5］，前者剛度較大可以抵抗較大水平荷載，后者則方便儀器設(shè)備和車輛通行，均有各自的優(yōu)勢，其在閥廳結(jié)構(gòu)的縱軸中的布置如圖1，圖2所示。采用SAP2000建立了型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)的整體有限元模型。建模過程中采用框架單元模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)中的柱、梁和斜撐，對(duì)于非承重構(gòu)件，將其自重轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的集中力添加到結(jié)構(gòu)上，X形和人字形兩種形式的支撐結(jié)構(gòu)的有限元模型可見圖3，圖4。

2模態(tài)分析

模態(tài)是結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性的研究，包含固有頻率、阻尼比和振型，是進(jìn)行動(dòng)力特性和抗震分析的前提和準(zhǔn)備?；谲浖赜械?ldquo;質(zhì)量源”特征，并考慮規(guī)范中對(duì)重力荷載代表值的定義，設(shè)定具體的“質(zhì)量源”。同時(shí)，考慮到結(jié)構(gòu)體系高階振型因衰減較快，導(dǎo)致對(duì)整體動(dòng)力特性影響較小，為方便研究，僅考慮其前三階振型進(jìn)行分析，根據(jù)計(jì)算分析，得出其振型信息如表1所示。由分析可知:兩種支撐形式的型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)的前三階振型分別為朝Y向(橫向)平動(dòng)、朝X向(縱向)平動(dòng)、扭轉(zhuǎn)，這說明兩種形式的支撐作用下，結(jié)構(gòu)的整體剛度分布均較為均勻，結(jié)構(gòu)布置合理，也符合初步設(shè)計(jì)中整體結(jié)構(gòu)縱向剛度要比橫向剛度大這一特征。型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)自振周期隨著振型階次的增加而逐漸減小，振型剛度隨著振型階次的增加而逐漸增加。對(duì)比兩種形式的模態(tài)計(jì)算結(jié)果，X形支撐的周期值均小于人字形的，與該形式結(jié)構(gòu)剛度大于人字形相符。綜合模態(tài)分析結(jié)果，該模型設(shè)置合理，可用于后續(xù)的動(dòng)力時(shí)程分析。

3多遇地震下的時(shí)程分析

時(shí)程分析法是對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力方程直接進(jìn)行逐步積分求解的動(dòng)力分析方法，可以得到質(zhì)點(diǎn)隨時(shí)間變化的動(dòng)力響應(yīng)，并進(jìn)而求出構(gòu)件內(nèi)力的時(shí)程變化關(guān)系，是現(xiàn)階段對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能最為直接的分析方法。現(xiàn)采用SAP2000軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)程分析，選取El-centro地震波、Taft地震波進(jìn)行計(jì)算，并且依據(jù)規(guī)范［6］要求選取了一條人工合成地震波(以下簡稱人工波)，各波型加速度時(shí)程曲線分別如圖5～圖7所示。將三條地震波的加速度峰值按照抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)地震基本加速度0．15g的多遇地震調(diào)整為0．55m/s2，采用單方向(X向)輸入地震波，將各模型柱底剪力幅值進(jìn)行比較，如表2所示。表2中β表示時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的比值，γ表示多條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的比值。其中反應(yīng)譜是基于GB50010—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜，按抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)地震基本加速度0．15g，場地類別Ⅲ類，設(shè)計(jì)地震分組為第二組計(jì)算的柱底剪力值。由表2可知，選取El-centro波、Taft波和人工波時(shí)程曲線是符合規(guī)范［6］要求的。通過動(dòng)力時(shí)程分析，獲得了兩種不同結(jié)構(gòu)形式在7度0．15g的多遇地震作用下柱底剪力(見表2)，其剪力滿足結(jié)構(gòu)的抗剪設(shè)計(jì)要求。兩種形式的結(jié)構(gòu)的最大層間位移分別為0．19m和0．17m，而結(jié)構(gòu)的總高為26．05m，因而層間位移角分別為1/1372和1/1532，均遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)位移角要求，從而說明配有此兩種形式支撐的型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)在地震作用下變形性能良好，能滿足一般閥廳的抗震要求。利用反應(yīng)譜法計(jì)算得到的人字形支撐的基底剪力值與人工波得出的相近，而X形支撐的反應(yīng)譜結(jié)果則與El-centro波作用下接近，但整體差值符合分析要求。兩種支撐的抗側(cè)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，X形支撐的抗側(cè)能力更強(qiáng)，在滿足工藝和建筑要求的前提下，采用X形支撐能提供更好的抗震性能。

4結(jié)論

本文選取某實(shí)際的混凝土閥廳結(jié)構(gòu)為原型，在將其改進(jìn)為型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)后，利用有限元分析軟件SAP2000，建立了兩種典型形式(X形和人字形)支撐的型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)整體有限元模型，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，主要結(jié)論如下:

1)由模態(tài)分析可以得出結(jié)構(gòu)的前三階振型和自振周期，其中前兩階振型為平動(dòng)，第三階為扭轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)體系的布置滿足一般設(shè)計(jì)要求。同時(shí)結(jié)構(gòu)剛度和周期也符合預(yù)期分析，表明整體結(jié)構(gòu)模型建立合理，選擇的地震波滿足規(guī)范的選波要求，可以利用此整體模型和地震波進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析。

2)選用El-centro波、Taft波和人工波對(duì)閥廳結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力時(shí)程分析，獲取其柱底剪力和位移變形，兩種地震波作用下，兩種不同形式支撐的型鋼混凝土閥廳結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形均滿足設(shè)計(jì)要求，顯示出帶支撐的型鋼混凝土結(jié)構(gòu)良好的抗震性能，可以作為主要結(jié)構(gòu)形式用于閥廳的使用。

3)不同地震波作用下兩種形式的支撐計(jì)算得出的剪力值，與反應(yīng)譜計(jì)算得出的有所差別，但均滿足分析要求，也均顯示了良好的抗震性能，顯示出兩種支撐對(duì)抗側(cè)和抗震的作用。X形支撐的抗側(cè)及抗震能力更強(qiáng)，在滿足工藝要求的前提下，采用X形支撐能提供更為良好的抗震能力。

作者：程亮 高湛 吳必華 楊超 單位：中南電力設(shè)計(jì)院有限公司 武漢理工大學(xué)道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室