PDF《防屈曲支撑及高强钢在某钢结构火力发电厂中的应用》

第1 5卷第5期2013年1 0月建筑钢结构进展ProgressinS t e e lB u i l d i n gS t r u c t u r e s V o l .

1 5N o .

5 O c t .

2 0

1 3 收稿日期:

2 0

1 3-0 1-1 1;

收到修改稿日期:

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1 3-0 3-1

4 作者简介: 陈素文(

1 9

7 4―) , 女, 博士, 副教授, 主要从事结构健康检测、 钢结构抗震、 工程结构抗爆及结构多重灾害的防护. E m a i l : s w c h e n @ t o n g j i . e d u . c n . 陆志立(

1 9

8 7―) , 男, 硕士, 主要从事钢结构研究. 防屈曲支撑及高强钢在某钢结构火力发电厂中的应用 陈素文1 , 陆志立1 , 李红星2 , 赵春莲2 , 李国强1 , 汪杪杪1 , 史宏伟2 ( 1. 同济大学 土木工程学院, 上海

2 0

0 0

9 2;

2. 中国电力工程顾问集团西北电力设计院, 西安

7 1

0 0

7 5 ) 摘要: 火力发电厂作为生命线工程, 地震时要求其使用功能不可中断或需尽快恢复, 从而为抗震救灾和灾后重建提 供有力的支持和保障.因此, 火力发电厂结构的抗震性能及经济性一直备受关注.在传统钢结构电力主厂 房中引入防屈曲支撑以提高抗震性能, 同时采用高强钢以减少钢材用量.采用 S A P

2 0

0 0有限元分析软件对 某钢结构火力发电厂置换防屈曲支撑及高强钢柱前后进行多遇地震下弹性分析及罕遇地震作用下弹塑性动 力时程分析, 从结构自振周期、 底部剪力、 用钢量、 层间位移角、 塑性铰分布等角度, 探讨防屈曲支撑及高强钢 在钢结构火力发电厂中应用的优势. 关键词: 防屈曲支撑;

高强钢;

电力厂房;

弹塑性时程分析 中图分类号: TU3

9 1, TU3

5 2.

1 文献标识码:A 文章编号:

1 6

7 1-9

3 7

9 (

2 0

1 3 )

0 5-0

0 4 1-0

7 A p p l i c a t i o no fB u c k l i n gR e s t r a i n e dB r a c ea n dH i g hS t r e n g t hS t e e l i n S t e e l F r a m eS t r u c t u r eo f T h e r m a lP o w e rP l a n t 跑 酹遄1 , 楠1, 镒绐樽2, 踝椽嶙2 , 铼嶙1,淋 铼1,犁 镒绐2(1. C o l l e g eo fC i v i lE n g i n e e r i n g , T o n g j iU n i v e r s i t y , S h a n g h a i

2 0

0 0

9 2, C h i n a ;

2. N o r t h w e s tE l e c t r i cP o w e rD e s i g nI n s t i t u t eo fC h i n aP o w e rE n g i n e e r i n gC o n s u l t i n gG r o u p , X i ′ a n7

1 0

0 7 5, C h i n a ) CHE NS u w e n : s w c h e n @ t o n g j i . e d u . c n : D u e t ov i t a l i m p o r t a n c e i np r o v i d i n gs u f f i c i e n t e l e c t r i c i t y , t h e r m a lp o w e rp l a n t i ss u p p o s e dt ob ef u n c t i o n a l e v e ni na n e a r t h q u a k e , f o r r e s c u ea n dr e c o n s t r u c t i o n . T h e r e f o r e , t h es e i s m i cb e h a v i o ro fp o w e rp l a n t s i sa l w a y sac o n c e r n . I nt h i s p a p e r , B u c k l i n gR e s t r a i n e dB r a c e( B R B) a n dh i g hs t r e n g t hs t e e l c o l u m n s a r e a p p l i e d i n t h ed e s i g no f a t r a d i t i o n a l s t e e l f r a m es t r u c t u r eo f t h e r m a lp o w e rp l a n t . I no r d e r t oe v a l u a t es e i s m i cb e h a v i o r a n de c o n o m i c a l e f f i c i e n c yo f t h i sd e s i g n , b o t he l a s t i ca n a l y s e su n d e rf r e q u e n t l y o c c u r r e de a r t h q u a k ea n de l a s t o p l a s t i ct i m e h i s t o r y a n a l y s e su n d e rr a r e l y o c c u r r e de a r t h q u a k ea r ep e r f o r m e du s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s( F E A) s o f t w a r eS A P

2 0

0 0. T h ea d v a n t a g e so fB R B a n dh i g hs t r e n g t hs t e e la r ed e m o n s t r a t e dt h r o u g hac o m p a r i s o no fn a t u r a lp e r i o d , b a s es h e a rf o r c e , i n t e r s t o r yd r i f t , s t e e lu s a g ea n dd i s t r i b u t i o no fp l a s t i ch i n g e s . :BRB;

h i g hs t r e n g t hs t e e l ;

t h e r m a lp o w e rp l a n t ;

e l a s t o p l a s t i c t i m e h i s t o r ya n a l y s i s 重要的大型火力发电厂往往是重要的生命线工程, 地 震时其使用功能不可中断或需尽快恢复, 从而为抗震救灾 和灾后重建提供有力的支持和保障.汶川地震中, 四川某 大型火电厂因其核心建筑― ― ―主厂房破坏较严重, 导致电 厂短期内无法正常发电, 影响了抗震救灾的开展. 随着大容量机组的引进、 中国钢材产量的增加, 同时 钢结构具有强度高、 自重轻、 抗震性能好、 施工快, 以及布 置灵活更适于大型火力发电厂复杂的工艺要求等优点, 钢结构已成为中国大型火电厂主厂房的主要结构形式, 尤其在抗震设防烈度较高的地区. 大型火力发电厂的主厂房, 由于生产工艺的需要, 多 采用部分多层、 部分单层的大空间体系, 即形成了多层框 建筑钢结构进展第1 5卷架、 单层排架相互连成一体的框排架结构体系;

同时因为 工艺管道、 设备布置及设备检修的影响, 结构形式一般都 属于平面不规则结构且结构质量分布非常不均匀, 从而导 致抗震性能较差, 这就给大型火电厂钢结构主厂房的设计 提出了新的要求.然而中国现有的钢结构设计规范、 抗震 设计规范对电厂主厂房的抗震设计还缺乏针对性内容, 尚 不能完全反映出电厂主厂房抗震设计的特殊性. 为保障重要生命线工程震后的使用功能, 本文提出 在电厂主厂房中引入防屈曲支撑( B R B) [

1 4] , 以提高抗震 性能;

同时引入高强钢[

5 6] 以降低结构成本, 提高经济效益.通过弹塑性有限元分析, 研究了某电力主厂房采用 防屈曲支撑和高强钢的抗震性能和经济性.

1 工程概况 项目位于宁夏回族自治区灵武市境内.该火力发电 厂主厂 房总占地面积约63

2 5 m

2 , 其中长115m, 宽55m.厂房主要 由汽机房和除氧煤仓间两部分组成, 由于生产工艺需要, 汽机房采用单层钢结构排架体系, 结构高 度为3 7m;

除氧煤仓间部分采用多层钢框架体系, 结构高 度为5 3m, 两部分相互连成一体形成框排架结构体系( 图 1和图2 ) . 图1 犁2000有限元模型 .1犁2000 焱2 结构平面图 .2犁嶙垂こ炭拐鹕璺赖燃段8度, 设计基本地震加速度为 0.

2 0g , 场地类别为Ⅱ类, 设计地震分组为第2组.场地 特征周期为0.

4 0s .钢结构安全等级二级, 结构设计使 用年限为5 0年.

2 采用防屈曲支撑和高强钢的结构方案 2.

1 原方案 该厂房柱底均为铰接.梁、 柱沿结构纵向采用铰接, 因此该 方向主要由普通支撑来抵抗侧向力作用(图3(a)).而沿结构横向, 除汽机房梁、 柱铰接外, 其余梁、 柱 采用刚接( 图3 ( b ) ) .汽机房钢排架柱采用 H 形截面, 除 氧煤仓间由于作用荷载较大, 框架柱采用箱形截面.工 程楼 面钢梁均采用工字形截面. 钢柱、 钢梁均采用Q345B钢.支撑根据内力及构造要求采用 H 形及箱形截面, 支撑形 式考虑到厂房工艺要求, 主要采用X形支撑、 人字撑和单斜撑的形式, 采用 Q

2 3

5 B钢. 原方案 有以下一些问题: 纵向为铰接框架支撑体系, 只有一道抗震防线, 弹塑性分析表明, 大震下支撑很 容易破坏, 结构抗倒塌能力不足.在横向煤仓间的底层, 由于工艺限制只能布置单斜撑, 支撑长 度较长(

2 0 m 左右) 而截面较大, 但其抗侧力贡献却有限. 图3 原方案犁 2000有限元模型立面图 .3镒 樽嶙( 犁2000 )24第5期 防屈曲支撑及高强钢在某钢结构火力发电厂中的应用 2.

2 新方案 新方案采用了防屈曲支撑和高强钢, 主要是通过将 部分内力较大受压易屈曲的普通支撑置换为 B R B, 以改 善电力厂房的抗震性能;

同时将内力较大的钢柱置换为 高强钢柱, 达到减小用钢量、 提高经济效益的目的. 支撑置换方面, 主要将纵向 X 形普通支撑及人字形 普通支撑替换成单斜撑 B R B 或人字形 B R B;

将横向1

4 层 X形普通支撑或人 字形普通支撑替换成单斜撑BRB或人字形 B R B.特别是横向煤仓间长度近2 0m 的单斜 撑也替换成 B R B, 同时取消与其连接的隅撑( 图4 ) . 图4 新方案犁 2000有限元模型立面图 .4镒 孀 嶙( 犁2000 )根据原方案弹性分析结果, 将靠近煤仓间的 B 轴处 H 形柱以及煤仓间 C、 D轴处的箱形柱置换为 Q

4 2 0高强 钢H形柱, 既减少了用钢 量, 又避免了箱形柱与梁的连接不便, 使梁柱连接更为简便, 也减少了节点处的用钢量.

3 多遇地震下弹性分析 3.

1 两方案结构自振周期及基底剪力 对比两方案结构的自振周期( 表1 ) 可以发现, 新方案 前9阶自振周期比原方案大很多.与原方案相比, 新方 案的抗侧刚度远小于原方案, 结构体系更柔, 这样更加有 利于避开场地特征周期, 有效地减少地震作用.这一点 从基底剪力的分析结果( 表2 ) 也可以看出, 新方案与原方 案相比, 纵、 横向基底剪力分别减少了2 3%和3 1%. 3.

2 用钢量对比 从两种方案总体用钢量来说( 表3 ) , 新方案节省钢材

10 0 0t , 约占原方案整体用钢量的1 4%, 其中采用高强钢 柱和置换 B R B 钢材的节省量各占一半.因此采用 B R B 及高强钢柱后效果非常显著, 有效地减少了结构用钢量. 表1 两种方案结构自振周期比较( 单位: ).1镒 孀 ( 兆:)振型

1 2

3 4

5 6

7 8

9 原方案 1.

5 1

9 1.

1 3

2 0.

9 8

4 0.

7 0

1 0.

6 8

8 0.

6 7

5 0.

5 8

2 0.

5 5

6 0.

5 5

0 新方案 2.

2 0

4 1.

6 8

5 1.

4 8

1 1.

0 0

5 1.

0 0

1 0.

9 6

4 0.

8 4

0 0.

8 1

3 0.

8 0

8 表2 两种方案基底剪力比较( 单位: 胲) .2镒 ( 兆:胲) 基底剪力 原方案 新方案 减少 地震沿纵向作用

2 26

2 5

1 74

1 3

2 3% 地震沿横向作用

3 28

8 4

2 28

3 4

3 1% 3.

3 弹性下层间位移角对比 对比两方案中结构的纵向层间位移角( 图5 ) , 可发现 原方案纵向的抗侧刚度存在突变, 造成结构侧向刚度突 变的主要原因主要是普通支撑受到长细比等构造要求的 表3 两种方案结构用钢量比较( 单位: ).3 镒 ( 兆:)用钢量 新方案 原方案 构件 总重

59 2 9.

6 构件总重

69 2 2.

9 梁、 柱56

1 5 Q

4 2 0高强钢柱

12 9 1.

3 Q

3 4 5梁、 柱43

2 3.

7 Q

3 4 5梁、 柱61

2 5.

1 支撑

3 1 4.

6 Q

2 3 5B R B

1 7 0.

5 Q

2 3 5普通支撑

1 4 4.

1 Q

2 3 5普通支撑

7 9 7.

8 3

4 建筑钢结构进展第1 5卷 限制.而新方案层间位移角沿高度方向分布较为均匀, 层间位移角基本控制在1 /

4 0 0以内, 小于《 建筑抗震设计 规范》 ( G B5

0 0

1 1―2

0 1 0) [ 7] 中规定的多遇地震 作用下钢结构弹性层间位移角1 /

2 5 0的限值. 原方案沿结构横向的层间位移角分布较为均匀, 新 方案横向的层间位移角略呈现 下大上小 的现象, 这主 要是由于新方案中仅对结构下部几层的普通支撑置换为 B R B, 而上部普通支撑截面由长细比限值控制, 刚度较大, 因此, 新方案上部侧向刚度略大于结构下部侧向刚度, 但总体上新方案........