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大型火力发电厂RC框排架剪力墙-钢支撑结构主厂房地震反应分析


112.大型火力发电厂RC框排架剪力墙一钢支撑 结构主厂房地震反应分析
刘卫辉1
刘煦1

白国良1

刘林1

李红星2

(1.西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安,710055; 2.西北电力设计院,陕西西安,710032)
摘要:RC框排架结构体系是火电厂主厂房

常用的结构形式,由于工艺的限制,结构存 在严重的错层、缩进、楼板不连续等特点,地震作用下结构受力和变形复杂。随着机组容量 的增加,传统的RC框排架结构已不能满足高烈度地区结构刚度及承载力要求。本文以国内 某lOooMw机组钢结构主厂房为原型,在满足工艺要求的前提下,提出了在主厂房结构中分 散布置剪力墙,并在排架部分横向增设支撑的新型结构形式。研究表明,新型主厂房结构动力 特性有较大的改善,地震作用下结构受力性能及抗震性能较好,能够达到多道抗震设防的 要求。 关键词:主厂房;RC框排架剪力墙一钢支撑结构体系;高烈度地区;动力特性;抗震性能

Res咄ch

on

the

seismic氏哪'瞅of RC frame bent shear wall-Steel
Xul,Bai Guolian91,Liu Linl,Li Hongxingz

braced structure in large scale thermal power plant
Liu

Weihuil,Liu

(1.College of Civil Engineering,Xi’an University of Architecture&Technology,Xi’an 710055,China; 2.Northwest Electric Power Design institute,Xi’an 710032,China) Abstract:RC frame-bent scale has been widely used in the main powerhouse structure in large

structure

power

plants.because the technology craft

has
tO

special requirements tO structural arrange— become


ment,which makes the and mas¥is non-uniform

main
along

powerhouse structure
vertical

typical irregular whose stiffness

direction.With

the increase of the units volume,it’S very

difficult tO meet the stiffness and load-capacity requirements for traditional structure in high seismic

zone..With

1000

MW

volume of the RC

Frame

bent

shear wal卜Steel Braced

main

powerhouse
set

Structure which shear walls were layout dispersedly in the the bent part.was

frame

part

and steel braced was

in

wall-Steel Braced structure

proposed in has

this

paper.The

calculation results show that RC Frame bent shear
Ca—

good dynamic characteristic,under seismic action,deformation
are

pacity and energy dissipation capacity of the structure Keywords:main tensity

good. seismic in‘

powerhouse;RC

Frame

bent shear wall-Steel Braced Structure,high
Performance

territory,dynamic properties;Seismic

基金项目:陕西省“13115”科技创新工程重大科技专项(2007ZDKG-39);陕西省科技攻关项目(2006K07-G24)。 作者简介:刘卫辉(1984一),男,河南沈丘人,工学硕士。

一629—

第一篇基本理论

1引言
火力发电是我国目前和今后一段时期 内主要发电形式,电厂结构设施是重要的生

等级均为二级。
厂房结构的剪力墙与支撑布置见图1。 结构总长122m,由11个开间组成,宽62m,

分3跨,其中汽轮机房宽34m,除氧间宽 lOm,煤仓间宽14m;结构总高度为 59.905m。采用钢筋混凝土剪力墙(布置在 框架部分,墙厚400mm),长度为2m、4m、
5m。支撑采用(mm)400×400×14的方钢

命线工程组成部分。20世纪90年代,国产
最大燃煤机组容量已达600MW,而进入本 世纪最大燃煤机组容量可达1000MW。随

着机组容量不断增大,主厂房结构高度、跨
度、荷重也随之加大,加之结构本身存在严

管,梁、柱为钢筋混凝土构件,混凝土强度等
级采用C50。 2.2空间计算模型的建立 考虑到结构形式的复杂性,有限元模型 的建立时应进行适当的简化[5届]:(1)由于

重的错层、缩进、楼板不连续等特性,为此
结构受力和变形更加复杂。对于600MW 机组主厂房,为满足高烈度地区结构刚度

及承载力要求[1’2],设计单位采用了在主厂
房端部布置剪力墙的钢筋混凝土框架一剪 力墙结构形式和钢框架一钢支撑的结构形

排架部分屋面刚度无法精确模拟,考虑到
屋架对整体结构的动力反应影响较小,将

式,但是该类结构形式纵、横向结构刚度相 差悬殊,受力不合理。对于1000Mw机组 主厂房,传统的钢筋混凝土结构形式已不 能满足高烈度地区结构刚度及承载力要
求[3“]。本文以在建的某1000MW机组钢 结构主厂房为原型,在满足工艺要求的前 提下,采用了RC框排架剪力墙一钢支撑结

屋架部分简化为一轴力杆件,并认为屋架
与排架理想铰接;(2)汽机房的运转层选用 大平台布置方式,平台梁与柱在有限元模

拟的时候采用刚接;(3)将离散化的杆壳单
元通过梁、柱、楼板、剪力墙程序自动形成 的节点进行连接,从而生成考虑楼板平面

内和平面外变形的结构整体三维有限元空
间计算模型。 2.3结构动力特性分析 影响主厂房动力特性的因素有:(1)主

构形式,重点研究新型主厂房结构动力特
性及抗震性能。

2主厂房结构动力特性分析
2.1结构设计概况 主厂房结构采用在框架布置分散剪力

厂房结构中框架部分各层梁截面尺寸差别 较大,各楼层支撑的设备与管道的荷载差 别较大,以上造成了主厂房结构的楼层质
量与楼层刚度沿结构竖向分布严重不均

墙,在排架部分加斜撑的结构布置形式,结
构立面布置如图1所示。抗震设防烈度8

度,设计基本加速度为0.209,场地土特征 周期t—o.40s。结构框架、抗震墙的抗震


匀,这便造成了主厂房结构的平动振型与 扭转振型耦合严重。(2)主厂房结构体型
的收进属于典型的大底盘结构,塔楼偏心

布置,造成结构刚度、质量在平面上的偏 心,结构的偏心收进引起结构扭转效应明 显;(3)主厂房结构中出现了楼面板的多次
缩进,这引起结构在4层(A16.725m)处的 体形收进,结构抗侧力刚度在收进出发生




【.
C列柱l】,=44m J ③轴线(爿=32m J

图l结构立面布置图
Fig.1 Facade arrangements of
strcture

突变。引起主厂房振型不规整,高振型影
响明显。

一630—



12.大型火力发电厂RC框排架剪力墙一钢支撑结构主厂房地震反应分析
地震作用下基底剪力对比
Base shear under seismic action
Tab.1

结构第一振型周期为1.487s,以X向 的平动为主,略带有绕么轴的转动;第二振 型周期1.一4。06s,以y向的平动为主,略带有

表1

绕z轴的转动;第三阶振型的周期为
1.010s,以绕Z轴的转动为主,结构的前三 阶振型图见图2。结构的振型顺序较合理, 即第一.二阶振型以平动为主,第三阶振型 以扭转为主,扭转第一周期与平动第一周期 的比值为0.67。新型结构通过在汽机房横 向柱问布置支撑(支撑打到A16.725m层), 结构横向刚度提高.结构的抗扭刚度提高, 伴随的扭转效应有明显降低,且随横向柱间 支撑的外移扭转效应降低越发明显;通过在 B、C、D柱列端部布置剪力墙使结构的抗扭 刚度极大提高。 结构单向、双向地震反应谱作用下层间 剪力如图3所示。结果表明,双向地震作用 对结构横向层问剪力影响大于纵向层间剪 力,双向地震作用下主厂房结构层间剪力比 单向地震作用层间剪力增大幅度约3%~ 5%,建议单向地震作用下主厂房结构纵向 框架柱地震作用放大系数可取5%,对于主 厂房框排架结构地震作用计算时,应进行平 扭耦联的双向地震作用反应分析。横向地 震作用下,支撑承担的层问剪力与剪力墙承 担的层间剪力均等,约占层问剪力的70%, if以共同起到第一道抗震防线的作用。
60 50 一40


≤30
20 10


0 第二振型

5000



0000



5000

20000

2.5000

第二振型

纵向层矧剪/J(kN)

图2结构前二阶振型图
Fig.2 The first three vibration modes of
structure

3结构地震反应分析
3.1地震作用反应谱分析 主厂房框排架结构地震作用计算时.将 地震地而加速度作用在纵向(X向)、横向 (Y向).振型组合采用CQ(:法.方向组合采 用的SRSS法。单向、双向地震作用下结构 基底剪力见表1。汁算结果表明单向’J双 向地震作用下结构基底剪力相差1.o% 左右。 一631
0 5000 10000 15000 20000 2,5000 30000

横向层间剪力(kN) 图3单向、双向地震反应谱作用下结构层问剪力
Fig.3 Story shear under one—way and two—way seismic response spectrum

第一篇基本理论

结构的层间位移角如图4所示,地震作 用下结构最大层间位移角发生在第六层,单 向地震作用下纵向:1/830,横向:1/801;双 向地震作用下纵向:1/754,横向:1/727。单 向地震满足《建筑抗震设计规范》所要求的 抗震剪力墙结构[刃一1/800,对于主厂房框 排架结构来说,常遇地震作用下主厂房结构 侧移控制指标尚不清楚。由于该类结构存 在楼层缩进、楼层错层及夹层,地震作用下 结构及构件的局部变形较大,如个别梁、柱 构件的局部振动严重。结构变形为剪弯、弯 剪变形(结构下部变形以弯曲变形为主,上 部变形以剪切变形为主),结构侧移角限值
在1/850~1/700之间。考虑到地震作用下

3.2地震作用时程分析 考虑到结构的不规则性和在实际地震

作用下的结构受力、变形和破坏形式复杂 性。本文对此RC框排架剪力墙一钢支撑结 构体系进行线性时程分析,输入加速度峰值 为709。为了考察结构在不同加速度峰值、 不同频谱特性的地震波作用下的反应,根据 场地土类别、设计地震分组,选择三条地震 波进行时程分析,分别是ELCENTRO波、
兰州波和一条人工波。 结构纵、横向基底剪力见表2、表3,反 应谱分析和时程分析的基底剪力分配。对

比时程分析和反应谱分析的基底剪力,单条 地震波计算的基底剪力不小于反应谱计算 的65%,三条地震波平均值不小于反应谱 计算的80%。并且反应谱分析结果大于时 程分析结果,以反应谱计算结果为控制值。
X向基底剪力
X-Base shear

结构的扭转作用明显,建议单向地震作用下 主厂房结构的层间侧移角限值可以取为
1/850--1/750。

表2
Tab.2

工况 基底剪力(kN) 反应谱/时程

EI£ENTR()


16303

兰州波
24808

人工波
16527

时程平均
19213

69%

105%

70%

82%

y向基底剪力
15

裹3
Tab-3

卜Base shear 工况 基底剪力(kN) 反应谱/时程
EICENTR()


18618 68%

兰州波
32423

人工波
23627

时程平均
24889

119%

87%

91%

结构在地震波作用下楼层剪力分布如 图5,兰州波作用下楼层层间剪力最大,E卜 CENTR0波、人工波作用下楼层层间剪力 较相似。在结构的下部几层,时程分析所得 层间剪力平均值小于反应谱分析值,设计时 以反应谱分析结果为主;但在结构的七~九 层时程分析所得的层间剪力平均值大于反
图4单向、双向地震反应谱作用下结构层间位移角
KS.4 The ratio of&splaammat under on.way and twoway seismic response spectrum

应谱分析所得的层间剪力,在进行结构设计
时建议对结构的七~九层进行适当放大,建 议乘以1.1的放大系数。

一632~

112.大型火力发电厂RC框排架剪力墙一钢支撑结构主厂房地震反应分析
60 50 ,、40

系,柱子截面尺寸较大,部分柱出现了轴压
比超限的现象。地震作用下结构通过“强

{30
20 10 0 O 5000 10000 15000 20000 25000

度”的降低达到耗能的效果。为此可将结构 中RC柱变为SRC柱,减轻结构自重,加大
结构的承载力和延性。

(4)RC框排架剪力墙一钢支撑结构体 系中存在大量的短柱与异型梁柱连接节点, 地震作用下主厂房结构变形与耗能机制复 杂。为了能使结构有良好的变形与耗能能 力,使结构在强烈地震作用下不至于倒塌,
有必要研究和提出一种带有耗能支撑(或阻
纵向层间剪力(1d町

60 50 ,、40

尼机制)的主厂房结构优化体系【7]。
参考文献
E1]李红星,赵春莲等.1000MW机组主厂房混合 结构体系研究探讨[J].武汉大学学报(工学
0 5000 10000 15000 20000 25(DO 30000 35000

星30
20 ’10 0

横向层问剪力(I【N)

版),2007,40(增刊):175-179. [23吴涛,刘伯权,白国良.大型火力发电厂钢筋

图5结构在地震波作用下层间剪力
Fig.5 Story shear under seismic waves

混凝土框排架主厂房抗震性能试验研究[J]. 建筑结构学报,2006,28(3):46—52.

4结论
(1)RC框排架剪力墙一钢支撑结构形 式在一定程度上弥补了传统钢筋混凝土结 构体系刚度、承载力不足和钢结构造价高的
缺点。

[3]建筑抗震设计规范(GB 50011--2001)Is].北 京:中国建筑工业出版社,2001. [43火力发电厂土建技术规程(GB 50011--2001) [S].北京:中国建筑工业出版社,2001. [5]白国良,安建利,陈亮.大型火力发电厂主厂房 钢筋混凝士框排架结构空间地震反应分析 [J].工程抗震与加固改造,2006,28(5):25-28. [6]吴涛.大型火力发电厂钢筋混凝土框排架抗震 性能及设计方法研究[D].西安:西安建筑科 技大学博士学位,2003.

(2)在主厂房的排架部分增加横向斜
撑,增加了结构的横向刚度,使得结构纵向

和横向刚度较均匀,动力特性较好,受力合
理,结构抗震性能及耗能能力较好,而且支

撑与剪力墙承担楼层绝大部分楼层剪力,共 同构成第一道抗震防线。 (3)RC框排架剪力墙一钢支撑结构体

[73白国良,吴涛,卞琳等.大型火力发电厂钢筋
混凝土框排架主厂房抗震性能试验研究.西安 建筑科技大学土木工程学院资料,2002,9.

一633—

大型火力发电厂RC框排架剪力墙-钢支撑结构主厂房地震反应 分析
作者: 作者单位: 刘卫辉, 刘煦, 白国良, 刘林, 李红星 刘卫辉,刘煦,白国良,刘林(西安建筑科技大学 土木工程学院,陕西西安,710055), 李红 星(西北电力设计院,陕西西安,710032)

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_6730537.aspx


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