大型火电厂主厂房少墙型钢混凝土框架结构体系地震作用效应与设计方法研究
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摘要
目前,火力发电占全国总发电量的80%左右,是我国电力生产重要组成部分,即使在大力发展核电、水电和风电的将来,火力发电仍会占相当大的比例。电厂结构属重要的工业建筑,是生命线工程的重要组成部分,应具有良好的抗震性能。受工艺的限制,火电厂主厂房结构布置复杂,空间整体性能差,结构薄弱环节较多,安全储备偏低、耐久性不足。为此,寻求抗震性能优良,造价相对较低,并适用于高烈度区的新型主厂房结构体系意义重大。
本文首次将少墙型钢混凝土框架混合结构体系应用于火电厂主厂房结构,并以单机容量为1000MW机组主厂房结构为研究对象,采用理论分析与试验研究相结合的方法对该类结构抗震设计关键技术问题进行系统研究。研究了主厂房结构动力特性和结构扭转影响因素；分析了地震作用下主厂房结构受力特点和子结构间协同工作能力；利用模型结构试验研究结构的变形能力和抗震性能；采用ABAQUS软件进行主厂房少墙型钢混凝土框架结构动力弹塑性时程分析；考虑结构破坏对关键设备的影响,利用性能设计基本原理,提出了主厂房结构基于位移的性能设计方法；建立火电厂主厂房结构合理抗震设计方法和构造措施。
(1)采用SAP2000有限元软件进行主厂房结构体系动力特性分析,研究了火电厂主厂房结构的不规则性,了解影响结构扭转效应的主要因素,提出主厂房少墙型钢混凝土框架结构体系扭转控制措施。
(2)鉴于主厂房结构的不规则性,结构扭转效应明显,振型间耦合作用明显。建立空间振动模型,进行多维地震作用下主厂房少墙型钢混凝土框架结构平扭耦联地震作用反应分析,掌握多维地震作用下结构变形特点、受力特点和内力分布规律,提出符合该类不规则结构地震作用计算方法。并进行了主厂房少墙型钢混凝土框架结构体系变形与受力协同分析,提出结构合理剪力墙布置数量的层间位移控制指标。
(3)从试验场地条件和模型制作的可行性出发,选取原型结构中荷重较大的3跨3榀子结构,进行1/7缩尺比模型结构抗震性能试验,掌握地震作用下模型结构裂缝出现和开展规律、整体结构变形能力及层间变形能力、不同阶段结构刚度退化规律、结构破坏形式、破坏准则和结构薄弱部位确定等。试验结果表明,剪力墙的设置提高了主厂房结构的侧向刚度,改善了结构的抗震性能,合理设计的主厂房少墙型钢混凝土框架结构能满足“小震不坏,中震可修,大震不倒”的抗震设防目标。
(4)考虑到电厂结构的重要性,采用ABAQUS软件进行主厂房少墙型钢混凝土框架结构动力弹塑性时程分析,掌握不同强度地震作用下结构的变形性能,并对结构的薄弱部位和破坏形态进行验证。研究结果表明,地震作用下剪力墙承担了大部分地震作用,延缓了框架柱的开裂及破坏程度。剪力墙的损伤破坏消耗了大量的能量,起到了“第一道抗震防线”的作用,型钢混凝土框架成为结构的“二道设防体系”。
(5)主厂房结构存在的主要目的是服务于内部设备和工艺管道,以火电厂结构设备人员及结构设计人员共同确定的结构极限状态为底线,综合考虑主厂房结构构件、非结构体系和内部关键设备的性能,将主厂房结构的性能划分为使用功能完好、使用功能连续、保证人身安全、接近倒塌、倒塌五个性能水平,并采用层间位移角作为结构性能水准的量化指标,从而提出主厂房结构基于位移的性能设计方法。基于位移的性能设计方法将结构的延性与钢筋混凝土梁、柱和剪力墙配筋建立关系,从而保证主厂房结构能够抵抗不同强度的地震作用。
(6)在试验研究和理论分析的基础上,结合国内外工程实践和我国具体国情,提出大型火电厂主厂房结构合理的抗震设计方法和抗震构造措施,研究成果可为电力行业规程的制定提供参考和基础资料。
At present,thermal power is an important component of china's electricity, which accounting for about 80% of the total generating capacity. Even in the future, while nuclear power, hydro power and wind power will developing vigorously, thermal power will still account for a large proportion. Power structure is an important industrial buildings in lifeline engineering, the safety of the power structure is significant. Subject to the process constraints, the arrangement of the main powerhouse in thermal power plant is complex, spatial intergral performance of the structure is poor. At the same time, it with more weaknesses, low emergency capacity, insufficient durability. So, it's very important to find a new type of main powerhouse that can be used in high seismic intensity region and with good seismic performance and relatively low cost.
In this paper, few reinforced concrete shear walls steel reinforced concrete frame hybrid structure is proposed be used in thermal power plant at the first time. Furthermore a hybrid structure of main planthouse with 1000MW units is taken as a research object, theoretical analysis and experimental study are used to research the key technical issues of this kind of structure in seismic design. Analyzed the dynamic properties and torsion reaction influencing factor of the the main powerhouse; predominated the inner force distribution regularity and the collaborative work capability of the structure under seismic action; used model structure test to the earthquake-resistance performance and stiffness degradation rule of the structure, conducted structural dynamic elastic-plastic time-history analysis on structure with ABAQUS software, established performance design methods based on internal objects using the basic principle of performance design; proposed the reasonable structural seismic design method and construction measures of main powehouse structure.
(1) The irregularity and torsional effect of the main planthouse are analyzed by using SAP2000 finite element software. The results show that torsional effect of the structure is obvious and coupling effect between the modes is significantly. By analyzing the dynamic properties of the hybrid structure of the main powerhouse, an effective control measure is recommended to reduce the structure's torsion reaction.
(2) Taking into account the irregularity of the structure, lateral-torsional coupled earthquake response analysis is used to understand the deformation characteristics, load transfer mechanism inner force distribution regularity of the structure under seismic action. Based on the existing research results, irregular structure's seismic effect calculating method is proposed to improve the seismic performance of main powerhouse in thermal power plant. At the same time, coordinated working capability of the structure under seismic action is studied to put forward the reasonable number of the RC walls and controls index of the storey drift.
(3) Due to the limited of the laboratory conditions, a three-bay and three-span sub-space model with 1/7 scaling factor is made, and seismic performance test (pseudo-dynamic test and pseudo-static test) is carried out to study the emergence and development law of the cracks, deformation capacity, stiffness degradation rule, structural failure mode, energy dissipation capacity and weak parts of the model structure. The results show that rational designed main building structure can meet the requirement of the 3-level sesmic design target.
(4) By using ABAQUS software, structural dynamic elastic-plastic time-history analysis is carried out to verify the deformation and weak parts of the main powehouse under different intensity earthquake. The results show that the arrangement of shear walls increased the lateral stiffness and improve the seismic performance of the main powehouse structure. Under strong earthquake action, shear walls bear most of the earthquake force, destruction of shear walls delayed the destruction of the frame sub-structure. The collaborative work between SRC frame and shear wall can achieve the design objective of two earthquake fortification line.
(5) Internal equipments and process pipings are the service object of main powerhouse structure, based on the limit state that determined by structural designers and process designers, displacement-based seismic method is established to improve the seismic design method of main powerhouse in large-scale thermal power plant. Taking into account the structural members, non-structural members and performance of the major equipments within the main powerhouse, main powerhouse structure's seismic performance is divided into five levels:serviceability, continue use, life safety, collapse preveniion and collapse, this five levels are quantified with storey drift ratios. During structure design, the relationship between ductility and reinforcement of the structural members is established to ensure the structure can resist different intensity earthquake force.
(6) Based on the experimental research and theoretical analysis results, comprehensive consideration engineering practice at home and abroad and China's actual situation, reasonable structural seismic design method and construction measures of main powehouse structure is proposed, and these studies can be used as reference materials to establish the relative code.
本文首次将少墙型钢混凝土框架混合结构体系应用于火电厂主厂房结构,并以单机容量为1000MW机组主厂房结构为研究对象,采用理论分析与试验研究相结合的方法对该类结构抗震设计关键技术问题进行系统研究。研究了主厂房结构动力特性和结构扭转影响因素；分析了地震作用下主厂房结构受力特点和子结构间协同工作能力；利用模型结构试验研究结构的变形能力和抗震性能；采用ABAQUS软件进行主厂房少墙型钢混凝土框架结构动力弹塑性时程分析；考虑结构破坏对关键设备的影响,利用性能设计基本原理,提出了主厂房结构基于位移的性能设计方法；建立火电厂主厂房结构合理抗震设计方法和构造措施。
(1)采用SAP2000有限元软件进行主厂房结构体系动力特性分析,研究了火电厂主厂房结构的不规则性,了解影响结构扭转效应的主要因素,提出主厂房少墙型钢混凝土框架结构体系扭转控制措施。
(2)鉴于主厂房结构的不规则性,结构扭转效应明显,振型间耦合作用明显。建立空间振动模型,进行多维地震作用下主厂房少墙型钢混凝土框架结构平扭耦联地震作用反应分析,掌握多维地震作用下结构变形特点、受力特点和内力分布规律,提出符合该类不规则结构地震作用计算方法。并进行了主厂房少墙型钢混凝土框架结构体系变形与受力协同分析,提出结构合理剪力墙布置数量的层间位移控制指标。
(3)从试验场地条件和模型制作的可行性出发,选取原型结构中荷重较大的3跨3榀子结构,进行1/7缩尺比模型结构抗震性能试验,掌握地震作用下模型结构裂缝出现和开展规律、整体结构变形能力及层间变形能力、不同阶段结构刚度退化规律、结构破坏形式、破坏准则和结构薄弱部位确定等。试验结果表明,剪力墙的设置提高了主厂房结构的侧向刚度,改善了结构的抗震性能,合理设计的主厂房少墙型钢混凝土框架结构能满足“小震不坏,中震可修,大震不倒”的抗震设防目标。
(4)考虑到电厂结构的重要性,采用ABAQUS软件进行主厂房少墙型钢混凝土框架结构动力弹塑性时程分析,掌握不同强度地震作用下结构的变形性能,并对结构的薄弱部位和破坏形态进行验证。研究结果表明,地震作用下剪力墙承担了大部分地震作用,延缓了框架柱的开裂及破坏程度。剪力墙的损伤破坏消耗了大量的能量,起到了“第一道抗震防线”的作用,型钢混凝土框架成为结构的“二道设防体系”。
(5)主厂房结构存在的主要目的是服务于内部设备和工艺管道,以火电厂结构设备人员及结构设计人员共同确定的结构极限状态为底线,综合考虑主厂房结构构件、非结构体系和内部关键设备的性能,将主厂房结构的性能划分为使用功能完好、使用功能连续、保证人身安全、接近倒塌、倒塌五个性能水平,并采用层间位移角作为结构性能水准的量化指标,从而提出主厂房结构基于位移的性能设计方法。基于位移的性能设计方法将结构的延性与钢筋混凝土梁、柱和剪力墙配筋建立关系,从而保证主厂房结构能够抵抗不同强度的地震作用。
(6)在试验研究和理论分析的基础上,结合国内外工程实践和我国具体国情,提出大型火电厂主厂房结构合理的抗震设计方法和抗震构造措施,研究成果可为电力行业规程的制定提供参考和基础资料。
At present,thermal power is an important component of china's electricity, which accounting for about 80% of the total generating capacity. Even in the future, while nuclear power, hydro power and wind power will developing vigorously, thermal power will still account for a large proportion. Power structure is an important industrial buildings in lifeline engineering, the safety of the power structure is significant. Subject to the process constraints, the arrangement of the main powerhouse in thermal power plant is complex, spatial intergral performance of the structure is poor. At the same time, it with more weaknesses, low emergency capacity, insufficient durability. So, it's very important to find a new type of main powerhouse that can be used in high seismic intensity region and with good seismic performance and relatively low cost.
In this paper, few reinforced concrete shear walls steel reinforced concrete frame hybrid structure is proposed be used in thermal power plant at the first time. Furthermore a hybrid structure of main planthouse with 1000MW units is taken as a research object, theoretical analysis and experimental study are used to research the key technical issues of this kind of structure in seismic design. Analyzed the dynamic properties and torsion reaction influencing factor of the the main powerhouse; predominated the inner force distribution regularity and the collaborative work capability of the structure under seismic action; used model structure test to the earthquake-resistance performance and stiffness degradation rule of the structure, conducted structural dynamic elastic-plastic time-history analysis on structure with ABAQUS software, established performance design methods based on internal objects using the basic principle of performance design; proposed the reasonable structural seismic design method and construction measures of main powehouse structure.
(1) The irregularity and torsional effect of the main planthouse are analyzed by using SAP2000 finite element software. The results show that torsional effect of the structure is obvious and coupling effect between the modes is significantly. By analyzing the dynamic properties of the hybrid structure of the main powerhouse, an effective control measure is recommended to reduce the structure's torsion reaction.
(2) Taking into account the irregularity of the structure, lateral-torsional coupled earthquake response analysis is used to understand the deformation characteristics, load transfer mechanism inner force distribution regularity of the structure under seismic action. Based on the existing research results, irregular structure's seismic effect calculating method is proposed to improve the seismic performance of main powerhouse in thermal power plant. At the same time, coordinated working capability of the structure under seismic action is studied to put forward the reasonable number of the RC walls and controls index of the storey drift.
(3) Due to the limited of the laboratory conditions, a three-bay and three-span sub-space model with 1/7 scaling factor is made, and seismic performance test (pseudo-dynamic test and pseudo-static test) is carried out to study the emergence and development law of the cracks, deformation capacity, stiffness degradation rule, structural failure mode, energy dissipation capacity and weak parts of the model structure. The results show that rational designed main building structure can meet the requirement of the 3-level sesmic design target.
(4) By using ABAQUS software, structural dynamic elastic-plastic time-history analysis is carried out to verify the deformation and weak parts of the main powehouse under different intensity earthquake. The results show that the arrangement of shear walls increased the lateral stiffness and improve the seismic performance of the main powehouse structure. Under strong earthquake action, shear walls bear most of the earthquake force, destruction of shear walls delayed the destruction of the frame sub-structure. The collaborative work between SRC frame and shear wall can achieve the design objective of two earthquake fortification line.
(5) Internal equipments and process pipings are the service object of main powerhouse structure, based on the limit state that determined by structural designers and process designers, displacement-based seismic method is established to improve the seismic design method of main powerhouse in large-scale thermal power plant. Taking into account the structural members, non-structural members and performance of the major equipments within the main powerhouse, main powerhouse structure's seismic performance is divided into five levels:serviceability, continue use, life safety, collapse preveniion and collapse, this five levels are quantified with storey drift ratios. During structure design, the relationship between ductility and reinforcement of the structural members is established to ensure the structure can resist different intensity earthquake force.
(6) Based on the experimental research and theoretical analysis results, comprehensive consideration engineering practice at home and abroad and China's actual situation, reasonable structural seismic design method and construction measures of main powehouse structure is proposed, and these studies can be used as reference materials to establish the relative code.
引文
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