某脱硝设备钢结构支撑体系的静力弹塑性分析

2014-09-05 06:52

中国建设信息化 2014年11期

1、引言

静力弹塑性分析法作为抗震性能分析的重要方法之一，通过进行非线性静力计算，并将其计算结果与弹性反应谱相结合，通过静力分析得出结构在地震作用下的动力反应和抗震性能。与弹塑性时程分析方法相比，静力弹塑性分析方法有很多优点：概念清晰、操作简单，计算量小以及可以明确评价结构的屈服机制和弹塑性性能，因此被广泛地应用于工程中。运用静力弹塑性分析既可以校核小震作用下的结构设计，也可以确定结构在大震作用下的薄弱部位，让设计人员对结构的薄弱部位进行有针对性的加强。

本工程设备自重和水平作用力均较大，结构形式采用钢结构支撑体系，即钢梁、钢柱及中心支撑之间的连接全部采用铰接连接，采用水平支撑形成水平平面刚度层并传递本层的水平荷载。钢结构支撑体系属于单道抗震防线的结构体系，延性较差，设计目标拟达到性能1的水准。

2、工程概况

某电厂脱硝装置的钢结构支架建在新疆地区，建筑抗震设防类别为乙类，抗震设防烈度为8度（0.2g），建筑场地类别为Ⅱ类，结构总高度为23.1m，结构的平面尺寸为42m×14.5m。本工程分别在7.700m，10.000m，13.700m，17.200m、23.100m标高平台处有重型设备，单点荷载为550KN～1590KN大小不等，其结构布置如图1所示。

3、结构静力弹塑性Pushover分析

应用MIDAS/GEN 程序进行结构静力弹塑性Pushover分析的步骤如下：①建立结构模型；②定义并分配杆件塑性铰；③确定侧向加载模式及分析工况；④结果分析和性能评价。

3.1 建立结构模型

本工程的所有梁、柱、柱间支撑均采用轧制或焊接H型钢断面，材质为Q345B；所有水平支撑均采用单角钢或双角钢T形组合截面，材质为Q235B；各楼层平台行人走道铺钢格栅板。主要结构构件的断面见表1。

＞＞图1 三维模型图

由于本结构在平面和立面均极不规则，为准确反映本结构在大震作用下的弹塑性性能，应用MIDAS/GEN 程序建立空间杆系模型作为本结构的计算分析模型。

3.2 定义杆件塑性铰

本文对钢梁、钢柱和支撑都选用MIDAS/GEN程序中适合钢构件的三折线铰，其弹塑性本构曲线如图5所示。其中柱和梁定义为PMM铰，柱间支撑定义为轴力铰。塑性铰一般设置在弹性阶段内力最大位置处，梁、柱单元的弯曲铰和压弯铰（PMM）一般设置在构件的两端；轴力铰可在任意位置处设置一个，也可在支撑两端设两个。

3.3 侧向加载模式

进行静力弹塑性分析时，首先要给结构施加重力荷载，再施加侧向荷载。侧向荷载直接影响到静力弹塑性分析的结果，最理想的分布模式是相似于在设计地震作用下结构各楼层地震作用惯性力的分布模式。本文选择了振型荷载加载模式，即同一方向的第一振型，每一节点的水平力与振型角频率平方、振型位移以及分配给节点的质量成比例，力的作用方向与振型位移方向相同，振型荷载相当于倒三角分布的侧向荷载。

3.4 分析控制

在Pushover分析中，指定的荷载模式成比例地施加给结构，施加在结构上的荷载可以使用力控制或位移控制。一般地，在已知的荷载水平且结构有能力承受此荷载的情况下，可以使用荷载控制；当以达到已知的位移为目标，施加在结构上的荷载是未知量，或荷载作用结果是使结构失去强度或稳定性时，可以使用位移控制。

本文重力荷载的加载采用荷载控制，水平荷载的加载使用位移控制，控制指标为指定特定节点在特定方向上的目标位移为结构总高度的10%。

3.5 计算结果分析

根据《建筑抗震设计规范》，宜对本结构进行罕遇地震作用下的弹塑性变形验算。需求谱由我国现行抗震规范地震反应谱从传统的加速度-周期谱转换为加速度-位移谱得到。

图2和图3给出了结构X、Y方向的能力谱-需求谱曲线。

性能点是结构相应状态阻尼比下的能力谱与需求谱的交点，程序通过迭代计算得出。本工程结构性能点的各个参数详见表2，表中Sa，Sd表示谱加速度及谱位移，U和V 表示结构顶层位移和结构的基底剪力。从计算结果可知，结构在大震作用下的性能点状态时，结构底层4个柱子出现了塑性铰，结构下部少部分柱间支撑出现塑性铰，梁上没出现塑性铰。结构顶层位移小于抗震规范规定的大震作用下弹塑性位移限值[U］=23.1X1/50 =0.462m，且各层平台层间位移角均不大于1/50的限值，满足规范要求。