PDF《高地震危害地区大容量机组锅炉构架抗震设计》

设计舟析计算蔫 高地震危害地区大容量机组锅炉构架抗震设计 研究及应用 黄永苍'

倪勇.

陈勇军1闺晓1余友华.马立武1赖采峰1 易方民2程招革2朱勇军2徐海波2谭保峰2 (L东方锅炉(集团)股份有限公司技术中心成都011731) (2中国建筑科学院工程抗震研究所北京10001 3) 摘要.拳i舟F7在2 007年7月一2008年12月乏目自末}qp(集目)n*有%公目较术十一.和十目建a科学&

抗震研≈*台*依托ti%#*Ⅲ幢抗震设自要求∞i8《目自*晨的计对高地震危害地B^客t机组%#构幕 抗震设计M作∞专% ￡ 关键目女容量#n;

高地震危害Fp*槊抗震&

计 引言 简介 锅炉构架是用于支承悬吊式电站锅炉炉 体的中心支撑空间框架结构;

大容量机组锅 炉构架则是相对更复杂的空间结构体系,咀600姗机组为例,其结构高度90米.荷载包括 自重近30000吨,如图l所示.依据经验当抗 震设防要求达到8度II 类及更高要求时,锅炉 构架抗震设计将成为结 构设计的主导因素.由此,我们称抗震设防要 求高于此类的地区为高 地震危害地区. 田1锅炉犄架示意田 过去东方锅炉的电站锅炉项目基本上都 位于地震危害较小的地R,位于高地震危害 地区的项目不到10%,无9度抗震设防要求;

但近年来特别尾随着国外市场的开拓,高地 震危害地区锅炉项目己占相当比重.在这些 项目中600h'

W机组项目还出现了相当于我国标 准9度、Ⅲ类场地的抗麓设计要求.为此中国 建筑科学院抗震研究所应东方锅炉(集团) 股份有限公司的邀请和东方锅炉拄术中心 道对高地震危害地区大容量机纽锅炉构架的 抗震设计进行丁专题研究,项目使用的软件 为SAP2000和PKPM软件.本文是对此项研究的 2锅炉构架动态计算模型的简化 悬吊式锅炉结构体系包括锅炉顶板、 锅炉构架、悬吊炉体以及两者之间的连接装 置、导向装置等.锅炉构架一般均采用钢 框架一中心支撑结构,其主要结构构件包括 柱、梁(包括次粱)、支撑(垂直支撑和水 平支撑)等构件以^受一些附属结构;

荷载主 要包括构架自重,部分楼层的活荷载、设备 及管道运行荷载等. 在整个结构体系中悬吊炉体是其重要组 成部分,炉体荷载要占到整个结构荷载的一 半以上.因此进行锅炉构架的动态抗震设计 应将悬吊炉体及与之相关的吊杆系统、导向 装置等作为整个计算模型的重要组成部分纳 入整个计算模型中.

2 1锅妒悬吊炉体的模拟 锅炉悬吊炉体是由水冷壁、横向及竖 向刚性粱、保温层等组成的一个组台体,其 中水冷壁金属重量厦介质重量是炉体重量的 主要组成部分.对丁锅炉构架的计算分析及 **#黄采苍,男,1964年1月出生.高%I 程Ⅻ. 2009全国钢结构≠术年台*女集[2009・10] 离地震危害地Ⅱ九睿量机蛆锝p构泉抗震**研￡及口月 设计来说,炉体对锅炉构架作用效应的影响 主要体现在对结构动力特性的影响及荷栽方 面,在炉体模拟时需要体现炉体刚度及荷载 的实际分布状况. 围2掏集∞态计算模ⅢⅡ其中的炉体模型

2 2锅炉吊杆的模拟 吊杆布冠主要起到传递竖向荷载的作 用,对锅炉构颦的整体性能影响很小.在作 动力计算时只需建立一定数量的吊杆即町. 采用底部剪力法进行地震作用计算时,在结 构项部需要施加顶部附加地震作用,采用振 型分解反应谱法时无此规定.在悬吊锅炉构 架结构体系中,虽然炉体重量是通过吊杆传 递至结构顶扳,但当吊杆两端铰接时.水平 刚度很小,由此引起的顶部附加地震力亦很 d、o

2 3导向装置的模批 导向装置是用来控制锅炉在水平方向的 位移,保持锅炉水 平方向的稳定性, 如图3所示.导向装 置的模拟应充分体 现该装置的结构特 囤3导向装置}意闺

2 4炉体刚度和导向装置剐度对构架地震效 应的影响 由丁结构的复杂性,动态计算模型与实 际结构总回存在一定的差异,因而我们时模 型简化对计算结果的影响作r分析.分析了 导向装置刚度和炉体刚度对构架地震效应的 影响.分析结论表明导向装置刚度和炉体刚 度对构架地震效应的影响都较大,在进行动 态计算时应台理估计模型简化的影响. 3锅炉构槊抗震设计中一些设计参数的选取 、2009全目F结构学术年会论文集[2009・10

3 1阻尼比:多遇地震下的阻尼止和罕遇地 震下的阻尼比 据有关实测数据锅炉构架的平动阻 尼比在0 012~0 04之间:扭转阻尼比在

0 04~0

0 6之间;

在冲击时阻尼比则在

0 04~0

0 5之间.现行《建筑抗震设计规 范》则规定:在多遇地震作用下.钢筋混凝 土结构的阻尼比为0 05,不超过12层的钢结 构阻尼取0 035,超过1 2层的钢结构阻尼取

0 02;

罕遇地震作用F.铜结构的阻尼比均 取o 05.但目前《建筑抗震设}P规范》正在 修订,新版规范中拟将多遇地震F多高层钢 结构的阻尼比均调整为o 035.鉴于上述情 况,同时实际悬吊锅炉构架中布有很多管道 等,其对结构也起到耗能的作用.因此建议 对单机容量大干200椰的悬吊锅炉构架的阻尼 比取0 035.鉴于结构进入弹塑性状态后构件 的耗能能力将太大提高,在罕遇地震下阻尼 比可采用0 05.

3 2周期折减系数 工程实测表明建筑物的自振周期短于计 算的周期.悬吊锅炉构架结构虽无填充墙, 但次要结构、支架等较多,可能也影响结构 的自振周期:固此地震作用计算时可根据次 要结构的多少将计算自振周期适当折减.

3 3竖向地震作用系敏的研究 在高地震烈度情况下,锅炉掏架的竖向 地震作用是必须考虑的因素.本文以实际的 锅炉构架和顶板结构为依据对竖向地震作用 的影响作了分析,分析表明以现有建筑抗震 设训规范的要求考虑竖向地震作用是符台实 际的.

3 4时程曲线的选棒 作为抗震设计的补充计算,时程分析对 时程曲线的依赖很大;

由于地震记录选择不 同.会使对同建筑结构物在相同强度下的 不同地震输入的计算结果差异很大,与底都 剪力法或振型分解反应谱法的计算结果也有 很大出入.通常.这种差别有数倍乃至敬十 倍.园此时程分析法中正确的选择地震加速 设计分析计算篇 度时程曲线尤为重要,要满足地震动三要素 的要求,即频谱特性、有效峰值和持续时间 均要符合规定.采用时程分析法时,要求选 择不少于两组的实际强震记录和一组人工模 拟的加速度时程曲线,并且要求每条时程曲 线计算的结构底部剪力不小于振型分解反映 谱法计算结果的65%,多条时程曲线计算所 得结构底部剪力的平均值不小于振型分解反 应谱法计算结果的80%,如不满足则需重新 选择地震时程曲线. 4.锅炉构架抗震概念设计中的动态指标及抗 震构造措施: 4.1锅炉构架抗震概念设计中的动态指标 合理的结构布置在抗震设计中非常重 要,提倡平、立面以及结构抗侧力构件布置 简单对称.大量震害表明,简单、对称的建 筑在地震时较不容易破坏.因为简单、对称 的结构地震反应相对偏小,明显薄弱部位较 少,容易计算其地震时的反应,容易采取抗 震构造措施和进行细部处理. 锅炉构架由于其使用功能上的要求, 在结构布置如层间布置、支撑体系的布置等 方面都受到许多限制.由于有所占空间较 大的悬吊炉体和较重的支承设备的存在,锅 炉构架的布置要满足抗震概念设计中提倡的 简单、对称、连续、均匀等要求相对更为困 难.在采用等效静力算法(底部剪力算法) 进行抗震设计时,由于锅炉构架的复杂性, 我们无法按常规建筑的衡量标准从抗震概念 设计角度对结构进行抗震性能评价;

因而在 这一领域引入动态分析,以动态指标来评价 结构抗震设计的合理性以及结构抗震性能是 很有必要的. 规则 包含了对建筑的平、 立面外形尺寸,抗侧力构件布置、质量分 布,直至承载力分布等诸多因素的综合要 求. 规则 的具体界限随结构类型的不同 而异,其具体在结构计算中主要通过振型、 周期比、位移比、刚度比等指标来控制. 4.2锅炉构架的结构特点及抗震构造要求 锅炉构架和普通的钢框架一中心支撑结 构有很大区别,具体如下:(1)由于构架之 上有许多的设备,同时炉体与许多管道等也 悬挂于构架之上,因此造成结构的平面和竖 向在平面上,每个楼层的楼板均为有大孔楼 板,楼层的平面内整体刚度相对较弱;

在竖 向,柱间支撑沿竖向无法在同一柱间贯通, 并且在横向布置不对称:(2)建筑的层数不 多,但层高很高并且每层层高相差较大;

(3) 质量沿平面和竖向分布均不均匀,并且荷载 较大;

(4)结构项部设置有跨度超过20m跨的 大钢梁,并且重量超过万吨的锅炉悬挂于之 上;

(5)结构支承有较多的大型重型设备.因此,锅炉构架属于复杂结构.根据上述特点 本文对锅炉构架抗震构造措施提出了建议. 5.在锅炉构架抗震设计中罕遇地震作用下弹 塑性变形验算的应用 震害经验表明建筑结构在强烈地震作用 下薄弱层或薄弱部位产生的弹塑性变形会导 致结构构件严重破坏甚至引起结构倒塌.由 于电站在抗震救灾、恢复重建及生产、生活 方面有很大影响,保证锅炉构架在罕遇地震 作用下不至于倒塌并能尽快恢复生产是必要 的.由此需要进行罕遇地震作用锅炉构架的 弹塑性变形验算.由于动力弹塑性计算的困 难性,采用三维静力弹塑性方法(如PUSH― OVER)对结构在罕遇地震作用下进行弹塑性 变形计算是一种有效的计算方法. 5.1静力弹塑性分析方法(PUSH-OVER法)的 原理 静力弹塑性分析(PUSH-OVER)是在结构上 施加竖向静载和活荷载并保持不变,同时施 加沿高度分布的某种水平荷载或位移作用, 随着水平作用的不断增加,结构构件逐渐进 入塑性状态,结构的梁、柱和剪力墙等构件 出现塑性铰,最终达到结构侧向破坏.这一 过程反映了结构的抗侧力弹塑性性能.侧推 分析过程中可获得结构基底剪力和顶点位移 的关系曲线,又可称为PUSH―ov职能力曲线. 如何利用静力弹塑性分析得到的PUSH- OVER能力曲线来判断不同抗震设防条件下建 筑结构的表现,是静力弹塑性分析最重要的 组成部分,也是最困难的一环.目前的方法

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2009全国钢结构学术年会论文集[2009・10] 黄永苍,等:高地震危害地区大容量机组锅炉构架抗震设计研究及应用 力位l晦图4结构能力谱曲线和需求谱曲线 主要有两种:一种是等效位移系数法;

另一 种是能力谱方法.本文采用能力谱方法.该 方法将PUSH-OVER曲线转换为能力谱曲线,与 设计反应谱转换而来的需求谱对比,图4所示 为能力谱曲线和需求谱曲线示意图. 将结构的能力谱与规范在罕遇地震下的 需求谱叠加,可计算结构的性能点,如图5. 计算出能力谱曲 线上每一点的阻 尼比,阻尼比沿 耋 曲线由小到大变 譬化,而需求谱则墓 随阻尼比增加, 由外到里收缩. 因此能力谱曲线 图6性能点计算 上必有一点的谱值与该点同阻尼比的需求谱 值重合,这一点就是结构的性能点. 由结构的性能点,可得相应结构的顶 点位移,相应的结构变形即反映结构在罕遇 地震下的位移.计算结构层间位移角,与规 范要求对比,判定结构是否满足大震变形要 求;

由结构构件塑性铰的分布,判断结构薄 弱层所在. 5.2 Pushover分析方法的具体计算过程 Pushover分析是基于性能设计的有力工 具.基于性能的设计可以使工程师更深入理 解和控制不同荷载水平作用下的结构行为. SAP2000的非线性版本提供了Pushover分析功 能.进行Pushover分析的一般过程如下: (1)建立结构和构件的计算模型;

(2)定义框架铰属性并将其指定给框架;

(3)定义结构设计可能需要的任意荷载工 况和静力与动力分析工况,特别是使用默认 铰时;

(4)运行设计需要的分析;

(5)当钢铰是基于程序对自动选择框架界 面计算的默认值时,必须进行钢设计且接受 程序选择的截面. (6)定义Pushover分析所需的工况,包括:重力荷载和其他可能在施加横向地震荷 载前作用在结构的荷载.可能在前顽对于设 计已经定义了这些荷载工况;

用来推导结构 的横向荷载.若准备使用加速度荷载或模态 荷载,不需要任何新的荷载工况,虽然模态 荷载需要定义一个模态分析工况. (7)定义Pushover分析使用的非线性静力 分析工况,包括:一系列的一个或多个使用 荷载控制的从零开始施加重力和其他固定荷 载的工况,这些工况包括阶段施工和几何非 线性;

从此系列开始并施加横向Pushover荷 载的一个或多个Pushover工况,这些荷载应 使用位移控制,被监测的位移通常位于结构 项部,用来绘$0Pushover曲线. (8)运行Pushover分析工况;

(9)审阅Pushover结果:绘$0Pushover 曲线、显示铰状态的变形形状、力和弯距图 形,且打印或显示需要的结果;

⑩按需要修改模型并重复. 6.锅炉构架抗震设计底部剪力算法和动态计 算方法的比较: 抗震设计中的底部剪力算法和振型分解 反应谱算法都是基于设计反映谱理论基础之 上的地震作用计算方法,但两种方法计算模 型、计算公式不同,计算结果的精度以及适 用范围也相差较大.底部剪力法计算模型简 单、应用方便,但存在很大局限性;

仅适用 于高度低、结构规则并且质量和刚度沿高度 分布比较均匀的结构. (下转第19页) '

2009全国钢结构学术年会论文集[2009・10]

23 蛘霉R0 袁跃文,等:加劲单层网壳的成功应用 求. 通过分析可以知道,加劲单层网壳中的 |{亍架只起到 加劲肋 的................