汶川-江油波作用下主廠房地震響應(yīng)分析

汶川-江油波作用下主廠房地震響應(yīng)分析

川地震震級(jí)大，震源淺，烈度高，釋放能量大，破壞力強(qiáng)。與一般點(diǎn)源地震的圓形衰減規(guī)律不同，衰減的特點(diǎn)是短的衰減。速度反應(yīng)譜中的長(zhǎng)周期成分很長(zhǎng)，具有很長(zhǎng)的維護(hù)時(shí)間和特別長(zhǎng)的維護(hù)范圍，造成了嚴(yán)重?fù)p失。大型核氣廠是一個(gè)重要的生命線工程。為了滿足生產(chǎn)工藝的要求，主要工藝廠通常采用鋼筋混凝土框架框架結(jié)構(gòu)體系。由于結(jié)構(gòu)不規(guī)則，在四川地震中造成不同程度的破壞，直接和間接損失是不可避免的。因此，對(duì)四川地震特殊地震源的影響具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在現(xiàn)有的研究中，吳濤等人在鋼混框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法、單雙向地震作用、子結(jié)構(gòu)的概念和結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新方面進(jìn)行了系統(tǒng)和深入的研究，但不包括該結(jié)構(gòu)對(duì)川良地震作用下反應(yīng)特征的識(shí)別。本文基于ANSYS軟件首先通過(guò)對(duì)比不同強(qiáng)震作用下主廠房的變形和內(nèi)力響應(yīng),揭示鋼混框排架主廠房這類典型結(jié)構(gòu)在汶川地震動(dòng)下的響應(yīng)特性.然后直接采用江油地震臺(tái)記錄的地震動(dòng)進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析,以期模擬主廠房在汶川地震中的真實(shí)受力狀態(tài),通過(guò)對(duì)其位移反應(yīng)、內(nèi)力響應(yīng)、框排架協(xié)同工作性、汽機(jī)房屋面網(wǎng)架的破壞情況及結(jié)構(gòu)塑性發(fā)展情況的分析,以探究該類結(jié)構(gòu)的震損原因.1汽機(jī)房網(wǎng)架結(jié)構(gòu)以單機(jī)容量600MW的某已投產(chǎn)火電廠鋼混框排架主廠房為原型,結(jié)構(gòu)布置見圖1,橫向?yàn)榭蚺偶芙Y(jié)構(gòu),縱向?yàn)榭蚣?剪力墻和框架-支撐體系,工程按7度設(shè)防,8度抗震構(gòu)造要求,汽機(jī)房屋面為變厚度雙面起坡網(wǎng)架,面板為現(xiàn)澆鋼筋混凝土板.選用BEAM188單元模擬框架梁、柱,按配筋面積相等的原則將鋼筋均勻分配在截面邊緣來(lái)模擬鋼筋混凝土組合截面;選用LINK8單元模擬汽機(jī)房網(wǎng)架,對(duì)于僅考慮受拉的支撐選用LINK10單元模擬;選用SHELL181單元模擬樓板、屋面板及剪力墻;選用MASS21單元模擬非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的質(zhì)量,將其分布到相應(yīng)樓層上.混凝土和鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分別采用GB50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中分段式模型和理想彈塑性模型.2實(shí)際地震動(dòng)計(jì)算考慮到框排架結(jié)構(gòu)抗震性能分析的普遍適用性,地震動(dòng)選擇考慮Ⅱ、Ⅲ類場(chǎng)地條件,取ElCentro波、Taft波、汶川-江油波三條實(shí)際地震動(dòng)進(jìn)行計(jì)算,地震動(dòng)持時(shí)為20s,按抗震規(guī)范調(diào)整有效峰值加速度至設(shè)防烈度7度(0.15g)罕遇地震所對(duì)應(yīng)的310Gal.每條地震動(dòng)水平加速度記錄中峰值較大的沿結(jié)構(gòu)橫向、峰值較小的沿結(jié)構(gòu)縱向,豎向加速度記錄沿結(jié)構(gòu)高度方向同時(shí)輸入.2.1頂板向位移、波形位移結(jié)構(gòu)頂層縱橫向位移時(shí)程曲線見圖2,位移反應(yīng)對(duì)比統(tǒng)計(jì)見圖3.可看出,結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)相差較大,頂層縱橫向位移在不同時(shí)刻達(dá)到最大值,波形曲線形狀變化較大;ElCentro波作用下結(jié)構(gòu)橫向位移反應(yīng)最為突出,Taft波作用下結(jié)構(gòu)縱向位移反應(yīng)最為突出,汶川-江油波作用下結(jié)構(gòu)縱橫向位移反應(yīng)相對(duì)較小,但排架柱橫向變形更不均勻.2.2煤斗層結(jié)構(gòu)突變的原因框架部分層間剪力及排架柱剪力對(duì)比統(tǒng)計(jì)見圖4,總體上汶川-江油波作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)較其他波小,但框架底層橫向?qū)娱g剪力大于其他強(qiáng)震作用的情況,結(jié)構(gòu)均在第四層煤斗層發(fā)生突變,煤斗層始終為結(jié)構(gòu)薄弱層;排架柱剪力始終為Taft波作用時(shí)最大,ElCentro波作用時(shí)次之,汶川-江油波作用時(shí)最小,頂層與底層排架柱剪力差別相比中間位置大,由于汽機(jī)房采用面內(nèi)剛度較大網(wǎng)架上覆鋼筋混凝土板的形式,水平地震作用通過(guò)支座直接傳遞到柱頂,故排架柱頂層剪力較中間部位大.3分析川康乃馨主工廠的地震反應(yīng)3.1結(jié)構(gòu)橫向位移反應(yīng)以汶川-江油實(shí)際地震動(dòng)為激勵(lì),對(duì)比分析峰值加速度為小震55Gal、大震310Gal和實(shí)際地震511Gal時(shí),結(jié)構(gòu)框架部分縱橫向的層位移、層間位移角及排架柱柱頂縱橫向位移見圖5.從圖中可看出:結(jié)構(gòu)縱橫向位移反應(yīng)相差明顯,橫向較縱向位移反應(yīng)大得多.由于結(jié)構(gòu)橫向的不規(guī)則性問(wèn)題較縱向突出,地震作用引起結(jié)構(gòu)薄弱部位變形集中,率先進(jìn)入塑性受力狀態(tài),甚至提前發(fā)生破壞.中國(guó)抗震規(guī)范要求鋼筋混凝土框架-抗震墻結(jié)構(gòu)彈性及彈塑性最大層間位移角應(yīng)分別小于1/800和1/100,橫向?qū)娱g位移角曲線在第四層煤斗層位置位移角有明顯突變,彈性階段結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/1299,彈塑性階段結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/214,均能滿足規(guī)范要求.隨著地震作用的增大,排架柱橫向變形不均勻程度增加,這種趨勢(shì)加劇了屋蓋系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)效應(yīng),對(duì)屋蓋系統(tǒng)支座受力極為不利.3.2層間剛度分配框排架主廠房模型框架部分層間剪力分布、排架柱各層剪力分布見圖6.層間剪力最大值都出現(xiàn)在煤倉(cāng)間第四層煤斗層,由于煤斗大梁為大尺寸深梁,局部剛度、質(zhì)量過(guò)分懸殊,在層間剛度分配中容易吸收較大地震作用,在設(shè)計(jì)驗(yàn)算中應(yīng)予以足夠重視.由于排架柱縱向靠連梁和柱間支撐連成一體,剛度較排架橫向平面外剛度大得多,排架柱縱向剪力明顯大于橫向剪力;屋蓋系統(tǒng)水平地震作用由支座直接傳遞到排架柱柱頂,故排架柱上部剪力較中間部位大,如果支座強(qiáng)度或構(gòu)造不滿足要求將率先破壞,危及屋蓋整體安全.3.3結(jié)構(gòu)彈性階段鋼混框排架結(jié)構(gòu)在遭受地震作用時(shí),框架部分與排架部分按剛度比和變形協(xié)調(diào)條件分配地震作用.在端部設(shè)有剪力墻的鋼混框排架結(jié)構(gòu)中,剪力墻能夠吸收縱向結(jié)構(gòu)體系90%以上的地震剪力,分析中只考慮框排架柱的基底剪力.不同峰值加速度的汶川-江油波作用下,排架承擔(dān)的地震剪力與基底總剪力之間統(tǒng)計(jì)關(guān)系見圖7(a)、(b).在結(jié)構(gòu)彈性階段,各模型中排架承擔(dān)的縱、橫向地震剪力分別占結(jié)構(gòu)基底縱、橫向總剪力的18.99%和4.02%;隨著地震動(dòng)峰值加速度的提高,框架部分剛度退化快于排架部分,在罕遇地震作用下,排架部分承擔(dān)的縱橫向地震作用占總地震作用的比例較多遇地震時(shí)均有提高,分別提高到24.07%和4.63%,但進(jìn)入塑性階段后比例基本不變,分別為24.19%和4.69%.各排架柱承擔(dān)縱橫向剪力與所在軸線基底總剪力比見圖7(c)、(d),由圖中結(jié)果可知,排架柱縱向剪力與相應(yīng)軸線基底剪力的比例明顯大于橫向,①、②和⑦、⑧軸線排架柱縱向剪力占所在軸線總剪力比例低于其他軸線,主要由于該處設(shè)有剪力墻,與剪力墻相連的框架柱剪力較大,①、②和⑦、⑧軸線總剪力明顯大于其他軸線.結(jié)構(gòu)在塑性階段,框架與排架塑性內(nèi)力重分布不明顯,總體上排架部分仍處于較低水平,幾乎無(wú)法起到繼框架-剪力墻之后第二道抗震防線作用.3.4屋頂破壞原因.通過(guò)構(gòu)件強(qiáng)度驗(yàn)算和整體變形驗(yàn)算來(lái)評(píng)估屋蓋系統(tǒng)的地震安全性.由于罕遇地震屬于偶然荷載,構(gòu)件截面強(qiáng)度驗(yàn)算及結(jié)構(gòu)變形驗(yàn)算均采用重力荷載和罕遇地震作用組合的標(biāo)準(zhǔn)值.構(gòu)件強(qiáng)度驗(yàn)算以應(yīng)力比為衡量指標(biāo),構(gòu)件驗(yàn)算應(yīng)力值與材料設(shè)計(jì)應(yīng)力之比為構(gòu)件應(yīng)力比,其表達(dá)式為式中:N為構(gòu)件軸力,為軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù),其值按GB50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求計(jì)算(受拉構(gòu)件=1.0),A為構(gòu)件截面面積,f為鋼材屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,屋架結(jié)構(gòu)鋼材為Q235級(jí),屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取215MPa.網(wǎng)架屋面超限桿件(應(yīng)力比大于1.0)應(yīng)力比云圖及其統(tǒng)計(jì)圖見圖8(a)、(b).應(yīng)力比云圖為正放四角錐網(wǎng)架水平投影圖,水平和豎直桿件為上、下弦桿,傾斜桿件均為腹桿.從圖8(a)可看出,網(wǎng)架超限桿件總數(shù)為238根,占桿件總數(shù)比例達(dá)到8.85%,超限桿件大部分為腹桿,少量弦桿超限破壞,主要受力桿件應(yīng)力水平仍在安全范圍內(nèi),網(wǎng)架屋面體系因桿件強(qiáng)度破壞而導(dǎo)致整體垮塌的可能性較小.但由于屋蓋系統(tǒng)采用無(wú)檁體系,鋼筋混凝土板直接鋪設(shè)在支撐系統(tǒng)上弦,對(duì)上弦桿件起到有利保護(hù)作用.在極罕遇地震作用下,如果屋面板由于連接失效等原因破壞后,結(jié)構(gòu)上弦桿件應(yīng)力水平將迅速升高,還將有部分上弦桿件發(fā)生強(qiáng)度破壞.網(wǎng)架屋面總位移極值云圖見圖8(c).圖中上部深色位移值最小,圖右側(cè)灰色位移值最大.由計(jì)算結(jié)果可知:屋蓋整體位移極值發(fā)生于邊榀排架柱支座處,其值為0.164m,橫向位移極值亦為該處值為0.151m,排架柱支承側(cè)縱向位移明顯大于框架柱支承側(cè),其最大值為0.063m,扭轉(zhuǎn)變形趨勢(shì)相當(dāng)明顯.豎向位移極值發(fā)生于邊跨跨中,其值為0.078m.網(wǎng)架屋面排架柱頂支座附近位移極為不均勻,兩端支座位移大于中間支座,支座平面扭轉(zhuǎn)效應(yīng)顯著.網(wǎng)架支座為平板壓力支座,連接螺栓為4M24(8.8級(jí)普通螺栓),支座抗剪承載力為451.8kN.本文計(jì)算得出網(wǎng)架支座承擔(dān)最大地震剪力高達(dá)975kN,超出其抗剪承載力一倍以上,因此強(qiáng)度或構(gòu)造不滿足要求的支座必然率先發(fā)生破壞,改變了網(wǎng)架原有的受力狀態(tài),最終導(dǎo)致了屋蓋系統(tǒng)失去穩(wěn)定直至垮塌.這在一定程度上證明了汶川地震中江油電廠汽機(jī)房網(wǎng)架屋面的破壞原因.3.5框架柱底層柱端及梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)應(yīng)力水平比較以時(shí)間間隔0.02s的汶川-江油實(shí)際地震動(dòng)作為激勵(lì),定性研究主廠房結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力變化發(fā)展順序,借此判斷結(jié)構(gòu)中的薄弱構(gòu)件.由于構(gòu)件處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài),取VonMises應(yīng)力作為衡量指標(biāo).不同時(shí)刻結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況見圖9.在瞬態(tài)分析初期所有構(gòu)件均未出現(xiàn)較大的應(yīng)力區(qū)域;隨著加載的持續(xù)進(jìn)行,1.76s時(shí)刻底層柱底、煤倉(cāng)間大梁梁柱節(jié)點(diǎn)、除氧間大梁梁柱節(jié)點(diǎn)逐步出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象;在3.66s時(shí)刻,結(jié)構(gòu)底層及關(guān)鍵梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)應(yīng)力區(qū)域逐步擴(kuò)大,剪力墻、煤斗層柱端及排架柱柱底應(yīng)力逐步提高;在8.08s時(shí)刻,與剪力墻相連的框架柱底層柱端及煤斗層梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)應(yīng)力水平提高較快,結(jié)構(gòu)兩端邊榀構(gòu)件應(yīng)力明顯大于相應(yīng)中間榀構(gòu)件,柱尤其是梁柱節(jié)點(diǎn)部位應(yīng)力水平明顯高于梁;隨后加載至12.44s時(shí),煤斗層柱端、除氧器大梁梁柱節(jié)點(diǎn)、排架柱柱底應(yīng)力水平顯著提高,剪力墻與框架交接處應(yīng)力水平高于墻身內(nèi)部;隨著時(shí)間推移到19.62s時(shí)刻,原有高應(yīng)力區(qū)域逐步擴(kuò)展.端部設(shè)有剪力墻的鋼混框排架結(jié)構(gòu)體系在汶川-江油實(shí)際地震動(dòng)作用下,主體結(jié)構(gòu)安全性是能夠得到保證的.由于結(jié)構(gòu)錯(cuò)層、局部縮進(jìn)等特殊構(gòu)造,各層間豎向承載力變化較大,各層破壞程度差異明顯,底層和煤斗層構(gòu)件應(yīng)力明顯高于其他部位.由此上述分析可定性判斷此類結(jié)構(gòu)總體上的屈服順序:與剪力墻相連的框架柱底端-煤倉(cāng)間大梁、除氧間大梁梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)-煤倉(cāng)間大梁所在的第四層柱端-框架主梁、底層其他柱柱底-剪力墻與框架交接處,表現(xiàn)為明顯的“強(qiáng)梁弱柱”特點(diǎn).為滿足煤斗層的特殊工藝要求,煤斗大梁寬700mm,高3600mm,跨度12m,跨高比小于5,屬深受彎構(gòu)件,在層間剛度分配中,由于剛度過(guò)大在地震過(guò)程中承擔(dān)了絕大部分的層間地震作用,并通過(guò)梁柱節(jié)點(diǎn)傳遞給相鄰的框架柱,“塑性鉸”難以在梁上形成,梁柱節(jié)點(diǎn)及柱端位置成為薄弱環(huán)節(jié).中國(guó)建筑抗震設(shè)計(jì)通常強(qiáng)調(diào)“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”,保證結(jié)構(gòu)的屈服順序?yàn)椤跋攘汉笾俟?jié)點(diǎn)”,使結(jié)構(gòu)在地震作用下能夠反復(fù)吸收、耗散地震能量,不至于在短時(shí)間內(nèi)形成破壞機(jī)構(gòu).而鋼混框排架結(jié)構(gòu)的屈服順序顯然不能滿足要求,結(jié)構(gòu)薄弱層為結(jié)構(gòu)底層和煤斗層,但由于整體結(jié)構(gòu)剛度大、安全儲(chǔ)備極高,在極罕遇地震中主體結(jié)構(gòu)仍能保證安全.汶川地震中江油電廠震害也證明了這一點(diǎn):主體結(jié)構(gòu)基本安全,除汽機(jī)房屋面垮塌和填充墻大量破壞外,結(jié)構(gòu)底層柱混凝土剝落鋼筋外露,部分支承梁的牛腿局壓破壞,部分梁柱節(jié)點(diǎn)開裂嚴(yán)重.4網(wǎng)架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)1)與ElCentro波、Taft波相比,汶川-江油波作用下結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)和內(nèi)力響應(yīng)偏小,但其變化趨勢(shì)更不規(guī)律.2)框排架主廠房能夠抵御遠(yuǎn)超設(shè)防烈度的實(shí)際汶川地震作用而不發(fā)生嚴(yán)重的失效破壞.結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)顯著,煤斗層始終為結(jié)構(gòu)薄弱層.隨地震作用增大排架柱橫向變形不均勻程度增加,加劇了屋蓋系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)效應(yīng),對(duì)屋蓋支座受力極為不利.3)隨地震動(dòng)峰值提高,框架部分剛度衰退快于排架部分,排架部分承擔(dān)總地震作用比例提高.但結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段后,排架部分承擔(dān)總體地震作用的比例幾乎不變,總體比例處于較低水平,無(wú)法成為繼框架-剪力墻之后的第二道抗震防線.4)汽機(jī)房屋面網(wǎng)架強(qiáng)度超限桿件比例為8.85%,大部分為次要受力桿件腹桿,