单跨高位输煤转运站结构减震设计及地震作用弹塑性分析

单跨高位输煤转运站结构减震设计及地震作用弹塑性分析

孙巍

孙巍

西北电力设计院有限公司西安710075

摘要：结合抗震设防烈度为7度的某燃煤发电工程单跨高位输煤转运站，采用现浇钢筋混凝土框架-屈曲约束支撑作为结构方案，并进行地震作用下的弹塑性计算分析。结果表明，对此类建筑物，采用现浇钢筋混凝土框架-屈曲约束支撑结构方案可满足设计要求。

关键词：单跨高位输煤转运站；现浇钢筋混凝土框架-屈曲约束支撑结构方案；地震作用弹塑性分析

1引言

发电工程输煤系统末端高位输煤转运站为独立建筑物，整体高度较高，下部空旷，纵、横向均为单跨。当该建筑位于高烈度地区时，应充分重视建筑结构的抗震性能，尤其是罕遇地震下结构的抗倒塌性能，为了提高该建筑在地震作用下的安全性，可采用减震设计以加强其抗震性能。

以下结合工程实例，对此类建筑物的结构及减震设计进行研究和探讨，并进行地震作用弹塑性分析。

2工程主要参数

2.1基本设计参数及结构抗震设防标准

某1000MW级燃煤发电工程，抗震设防烈度7度，地表峰值加速度0.120g，场地类别Ⅱ类，场地特征周期0.45s，水平地震影响系数最大值αmax=0.09，地震分组第二组；基本风压0.50kN/m2，雪压0.30kN/m2。

按《电力设施抗震设计规范》GB50260-2013、《建筑工程抗震设防分类标准》GB50223-2008和《火力发电厂土建结构设计技术规定》DL5022-2012规定，输煤转运站的抗震设计按乙类建筑要求执行。地震作用应符合本地区抗震设防烈度要求，按7度计算；抗震措施应符合本地区抗震设防烈度要求，应提高一度采取抗震措施，按8度取用。

2.2主要结构尺寸

该建筑为单跨高位输煤转运站，下部空旷，横向跨度14.50米，纵向跨度13.00米，从标高36.00米开始设置楼板，共36.00米、42.00米、54.80米三层楼板，屋面标高62.80米。

3结构减震设计

3.1结构减震方案和目标

本建筑采用现浇钢筋混凝土结构，为实现结构设计的安全、经济，根据规范及减隔震技术相关规定及工艺建筑布置，采用现浇钢筋混凝土框架-屈曲约束支撑（BRB）减震结构方案。按规范要求，钢筋混凝土框架-钢支撑结构在多遇地震和罕遇地震作用下层间位移角分别≤1/800和1/100，根据工艺及运行使用要求将该高位输煤转运站的减震目标设定为≤1/900和1/200。

3.2屈曲约束支撑（BRB）布置原则

屈曲约束支撑（BRB）应布置在能最大限度地发挥其减震耗能作用的部位，同时不影响建筑功能与布置，并满足结构整体受力的需要。其布置原则为：①地震作用下产生较大支撑内力的部位。②地震作用下层间位移较大的楼层。③宜沿结构两个主轴方向分别设置。④可采用单斜撑、人字型或V型支撑布置，也可采用偏心支撑的布置形式，当采用偏心支撑布置时候，设计中应保证支撑先于框架梁屈服。

3.3结构减震布置方案

单跨高位输煤转运站结构布置方案及相应的ETABS三维结构计算模型见图1。

图1单跨高位输煤转运站结构布置方案及ETABS三维结构计算模型

4结构减震计算及分析

4.1建立ETABS模型

使用连接单元Plastic（Wen）模拟BRB，输入屈曲约束支撑的相关参数，详见表1。

4.2弹性时程分析

采用ETABS软件进行弹性时程分析作为结构多遇地震下的补充计算，并与振型分解反应谱法计算结果进行对比。根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010的5.1.2条规定，7度（0.10g）和8度（0.20g）多遇地震峰值加速度分别取为35cm/s²和70cm/s²；罕遇地震取值220cm/s²和400cm/s²。本工程水平地震影响系数最大值取0.09，使用插值法，多遇地震加速度取42cm/s²，罕遇地震加速度取256cm/s²。

4.2.1地震波选取

依据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010及《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010的相关规定，采用时程分析法时，应按建筑场地类别和设计地震分组确定的场地特征周期Tg选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线，其中实际强震记录的数量不应少于总数的2/3，多组时程曲线的平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。

进行弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%，不大于振型分解反应谱法计算结果的135%；多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%，不大于振型分解反应谱法计算结果的120%。

本工程使用ETABS选用nahanni，canada_NO_796，tg（0.45）（后简称天然波-1）、ImperialValley-06NO_187，tg（0.46）（后简称天然波-2）两条天然波和LAN1-2兰州（RH3）人工波，Ⅱ类场地人工波进行弹性时程分析。

对所选用地震波的时程曲线进行反应谱分析，并与规范进行对比可知，在前3个周期点上多组时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相差很小，不大于20%，满足规范要求。

4.2.2弹性时程分析结果

ETABS结构模型中，各条地震波弹性时程计算的基底剪力及与振型分解反应谱法的计算结果的对比见表2。由表2可知，结构基底剪力弹性时程分析结果均满足大于CQC的65%并小于135%，且3条波计算所得的结构底部剪力的平均值满足大于CQC法求得的底部剪力80%并小于120%的要求。综上所述，使用ETABS选波结果符合规范要求。

4.3弹塑性时程分析

为实现规范所要求的三水准设防目标，除按常规结构进行第一阶段（多遇地震下）的计算分析和构造设计外，有必要补充进行第三阶段（罕遇地震下）的弹塑性变形验算，以达到以下目的：①了解结构在罕遇地震下的弹塑性性能，判断结构在罕遇地震下的抗倒塌能力；②了解框架及屈曲约束支撑（BRB）的损伤和塑性变形情况，着重发现结构的薄弱楼层以及薄弱构件；③根据以上分析结果，针对结构薄弱部位和薄弱构件提出相应的加强措施，并在施工图设计中予以落实。

4.3.1建立大震模型

为了能考虑结构高阶阵型影响，采用动力弹塑性时程分析法对结构抗大震性能进行评估。为所有构件设置相应的塑性铰（本工程中包括混凝土梁M3绞，钢梁M3绞以及柱构件PM2-M3绞）。弹塑性时程分析过程考虑材料非线性，采用小变形假定，不考虑结构的几何非线性。对于运动微分方程的求解，选择程序提供的Hilber-Hughes-Taylor逐步积分法，β值取0.25，γ取0.5，Alpha系数为0。弹塑性时程分析过程中，根据规范对所选地震波进行调幅。使用NolinearDirectIntegratior时程方式，采用比例阻尼法通过周期计算得到，选取弹性时程分析中的三条地震波进行大震分析，分析结果取包络值。

4.3.2结构弹塑性时程分析结果

在罕遇地震下，3条地震时程曲线减震结构的层间位移角详见表3。

由表3可知，3条地震波取最大值，减震结构X方向最大层间位移角为1/231，位于模型标准层8；Y方向最大层间位移角为1/219，位于模型标准层8。各层间位移角均小于1/200，远小于规范规定的1/100。由此可知，在罕遇地震作用下，结构位移指标达到减震目标。

4.3.3罕遇地震作用下结构塑性铰

根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010规定，为保证“大震不倒”，结构在地震作用下必须具有合理的耗能机制，允许结构在大震作用下部分构件进入塑性，结构耗能与结构出铰情况及出铰顺序有关。限于篇幅，三条地震波作用下的结构出铰情况这里不再赘述。根据分析结果，在罕遇地震情况下，该结构仅出现轻微破坏，并未出现严重破坏，符合规范要求。由出铰过程可知，本结构梁截面先出铰，柱截面后出铰，且出铰数量较少，符合强柱弱梁的设计理念。

4.3.4在多遇地震和罕遇地震作用下，屈曲约束支撑（BRB）的内力

从表4看，在多遇地震和罕遇地震作用下，屈曲约束支撑（BRB）最大内力均小于BRB屈服承载力，均为弹性工作状态，屈曲约束支撑（BRB）受力和变形情况良好，满足设计要求。

5结论

单跨高位输煤转运站由于结构体型细长，受侧向力影响较大。屈曲约束支撑（BRB）是支撑构件与耗能阻尼器的完美结合，可提供较强的抗侧承载力，在地震时可耗散地震能量，能够有效控制地震作用下的结构位移，使得结构刚度适当、整体延性较好。通过计算分析可知，在多遇地震作用下，该输煤转运站结构完好，结构弹性位移远小于规范限值；在罕遇地震作用下，该输煤转运站结构基本完好，梁柱出现轻微破坏，承载型屈曲约束支撑（BRB）仍处于弹性工作状态，其最大内力小于屈服承载力，满足要求。

综上所述，对于单跨高位输煤转运站及类似建筑物，采用现浇钢筋混凝土框架-屈曲约束支撑（BRB）是较为合适的结构减震方案，可满足结构在多遇及罕遇地震下的受力需求，使结构具有较大的安全贮备。

参考文献：

[1]GB50011-2010（2016年版），建筑抗震设计规范[S]．北京：中国建筑工业出版社，2016.

[2]DL5022-2012，火力发电厂土建结构设计技术规程[S]．北京：中国计划出版社，2012.

[3]JGJ3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S]．北京：中国建筑工业出版社，2010.

作者简介：孙巍（1972–），男，高级工程师，从事发电工程结构设计与研究。