（土木工程专业论文）大型火电厂主厂房钢支撑框架结构抗震性能分析及试验研究.pdf

摘要 摘要 钢支撑一框架结构体系因其布置灵活、易与工艺要求配合、施工快捷等特点， 逐渐成为我国大型火力发电厂主厂房的主要结构形式之一。但研究现状表明， 对该结构的抗震性能尚缺乏系统全面的研究。因而研究大型火电厂主厂房钢支 撑一框架结构的抗震性能有着十分重要的理论意义和应用价值。 本文在广泛阅读国内外文献资料的基础上，进行了大型火电厂主厂房钢支 撑一框架结构的振动台模拟地震试验研究和理论分析，较全面地对该结构的抗震 性能的有关问题展开研究，为该结构设计时应注意的问题提出建议。具体有以 下几方面的内容： 运用静、动力等效等处理措施，克服实际困难，设计制作了大型火电厂主 厂房钢支撑一框架结构的整体模型，探索了细部构造对整体模型影响的途径，并 在国内首次实现该类结构的振动台试验，进行了振动台模拟地震试验研究；在 加载各阶段前后，对模型进行白噪声扫描，获得频率响应函数，通过模态参数 识别得到结构各阶段自振频率、阻尼等动力特性的变化规律：测量并分析了模 型结构各加载阶段的加速度、位移、应变等地震反应，得出结构动力特性和抗 震性能的有关结论，同时为理论分析提供了试验依据。 对连接性能在该种结构中的影响展开讨论，提出了考虑连接半刚性迸行大 型火电厂主厂房钢支撑一框架结构实用设计的方法。 对该结构进行了弹性阶段和弹塑性阶段地震反应分析。在弹性阶段探讨了 该种结构振型分解反应谱法的振型截断和振型组合问题。在弹塑性阶段，针对 该结构特点，结合动力予结构的思路，提出了适用于该结构的杆一层动力分析模 型，较好地考虑了平动与扭转的耦连，并根据此模型编制了弹塑性动力响应分 析程序，为大型火电厂主厂房钢支撑一框架结构弹塑性地震反应分析提供了简单 可行的方法。通过地震反应分析，结合模型试验的对结构的薄弱部位进行判定、 全面评价了该结构抗震性能，并提出了关于该结构的设计建议和意见。最后， 指出了火电厂主厂房钢支撑一框架结构抗震性能研究有待进一步开展的问题。 关键词：火力发电厂，钢支撑一框架，模拟地震振动台试验，模态识别，动力特 性，地震反应，抗震性能 a b s t r a c t s i n c ei t sa d a p t a b i l i t yt ot e c h n i c a ld e m a n da n dc o n v e n i e n c ef o rc o n s t r u c t i o n ，t h e s t e e lb r a c e d - f r a m es t r u c t u r e sa r ew i d e l ya p p l i e di nl a r g e - s c a l et h e r m a lp o w e rp l a n t s i no u , rc o u n t r y p e r t i n e n tr e s e a r c h e so nt h es e i s m i cb e h a v i o ro ft h es t r u c t u r ea r e i n a d e q u a t e s o ，r e s e a r c h i n gw o r k so nt h es e i s m i cb e h a v i o ro fs t e e lb r a c e d - f r a m e s t r u c t u r e su s e di nt h e r m a lp o w e rp l a n t sa c r o s s t h e b o a r dh a v es i g n i f i c a n tm e a n i n g s o na p p l i c a t i o na n dt h e o r y b a s e do nt h ed o m e s t i ca n do v e r s e a sr e s e a r c hr e f e r e n c e so ft h ep a s ty e a r s ，t h e a u t h o re x p e r i m e n t e do na n da n a l y z e dt h es e i s m i cb e h a v i o r so fas t e e lb r a c e d f r a m e s t r u c t u r eo f t h e r m a lp o w e rp l a n t t h cm a i nc o n t e n t so f t h i st h e s i si n c l u d ea sf o l l o w i nt h ep r e s e n t t h e s i s ，e q u i v a l e n tm e a s u r e sh a db e e nt a k e nt o o v e r c o m et h e d i 墒c u r i e sa n dt h ed e t a i lo ft h es t r u c t u r ew a st a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n am o d e lf o r s h a k i n g - t a b l et e s ti sd e s i g n e da c c o r d i n gt oal a r g e s c a l et h e r m a lp o w e rp l a n ti n s e r v i c ea n di t ss e i s m i cb e h a v i o rw a st e s t e du n d e rs i m u l a t i n ge a r t h q u a k e s d u r i n g d i f f e r e n tt e s tp h a s e s t h em o d e lw a ss c a n n e dw i mw h i t en o i s ea n dt h er e s p o n s e f u n c t i o n so ff r e q u e n c yw e r eo b t a i n e d b yi d e n t i f y i n gt h ep a r a m e t e r s ，t h ef r e q u e n c i e s ， m o d e ，d a m p sa n do t h e rd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sw e r ec a p t u r e d t h em o d e ld y n a m i c r e s p o n s e sw e r em e a s u r e du n d e rs e v e r a le a r t h q u a k ew a v eo fe a c hp h a s e ，i n c l u d i n g a c c e l e r a t i o n s ，d i s p l a c e m e n t s ，d y n a m i cs t r a i n s ，e t c t h es e i s m i cb e h a v i o ra n dd y n a m i c c a p a b i l i t ya n ds o m eo t h e ru s e f u lo u t c o m e sa b o u tt h em o d e lw e r eo b t a i n e d a l lt h e c o n c l u s i o n sw i l lp r o v i d ee x p e r i m e n t a lr e s o u r c e sf o rf u t u r ea n a l y s i s t h ep e r f o r m a n c eo fb e a m c o l u m nj o i n t sa n di t se f f e c tt ot h es t r u c t u r ew e r e d i s c u s s e d a n dap r a c t i c a lm e t h o dh o wt oc o n s i d e rt h i se f f e c ti nd e s i g no ft h e s t r u c t u r ew a sp r e s e n t t h et h e s i sa l s oa n a l y z e dt h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h es t r u c t u r et h e o r e t i c a l l y , b o t hi ne l a s t i cp h a s ea n di n e l a s t i cp h a s e i nt h ee l a s t i cp h a s e ，t h ep r o b l e m so fm o d e t r u n c a t i o na n da s s e m b l em e t h o dw e r ed i s c u s s e dw h i l eu s i n gm o d e s u p e r p o s i t i o n r e s p o n s es p e c t r u ma n a l y s i s i n t h ei n e l a s t i cp h a s e ，b a s e do nt h em e t h o do f i i j ! ! ! ! ! ! ! ! 一 _ _ _ - _ 一一 一 s u b s t r u c t u r e ，as i m p l ea n a l y s i sm o d e ls u i t a b l et ot h es t r u c t u r ew a sp r e s e n t ，w h i c hc a n t a k ec o n s i d e r a t i o no f t o r s i o ni n t od y n a m i ca n a l y s i so f t h es t r u c t u r e a n dap r o g r a m o f t h em e t h o dw a sw o r k e do u t b a s e do nt h ea n a l y s i sa n dt e s t sr e s u l t s ，t h es e i s m i c d e r f o r m a n c eo ft h es t r u c t u r ew a se v a l u a t e da n dt h eu n s u b s t a n t i a ls e c t i o no ft h e s t r u c t u r ew a sd i s c u s s e da n ds o m eu s e f u ls u g g e s t i o n so fd e s i g no ft h es t r u c t u r e sw e r e p r e s e n t i nm ef i n a l i t y , t h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e r s t u d i e sw e r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：t h e r m a lp o w e rp l a n t ，s t e e lb r a c e d f r a m e ，s h a k i n g t a b l et e s t ，p a r a m e t e r s i d e n t i f i c a t i o n ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，s e i s m i cr e s p o n s e ，s e i s m i c b e h a v i o r s i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：矗庄盖 丑对年5 月冲日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名：专，观 年月日o 。r 年6 月 z 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：噶轧 正一r 年月、。日 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 中国的火力发电始于1 8 8 2 年在上海建成的第一座发电厂，距1 8 7 5 年的世界 第一座火力发电厂法国巴黎北火车站发电厂，仅晚了7 年。但由于漫长的战 争动乱和工业技术的落后，解放前我国的电力工业发展极其缓慢，到1 9 4 9 年火电 装机容量仅1 6 8 5 m w 。建国以来我国火力发电事业大致经历了四个阶段：1 9 4 9 年 至1 9 5 9 年恢复时期的第一阶段；1 9 6 0 年至1 9 7 8 年独立发展的第二阶段：1 9 7 9 年 至1 9 9 7 年改革开放大发展的第三阶段以及1 9 9 7 年后优化火电结构实现现代化的 第四阶段。至1 9 8 0 年，我国水、火电总装机容量达到6 5 8 6 9 m w ，其中火电装机 容量为4 5 5 5 1 m w ，占总装机容量的6 9 2 。从8 0 年代开始，中国火力发电以更 高速度发展，自制的3 0 0m w 和6 0 0m w 机组已批量生产，成为发展火力发电容 量的主要机组。1 9 8 5 年到1 9 9 9 年火电装机年增1 0 0 0 0m w 以上。我国历年总装机 容量、总发电量和火力发电装机容量、发电量和火电运行指标见表1 1 。 表1 1 中国历年总装机容量、总发电量火力发电装机容量、发电量和火电运行指标 年末总装机容量年发电重火电运行指标 年份 总容量 火电总发火电发电 容量 火电比 电量量 火电比例标准供电煤耗率 ( m w )例( )( ) ( g k w h ) ( m w )( t w h )( t w ：h ) 1 9 4 91 8 5 01 6 8 59 124 3 l3 6 08 357 0 0 1 9 5 01 8 6 6 7 0 19 1 24 5 53 7 78 2 96 0 0 1 9 6 01 1 9 1 89 9 7 88 3 75 9 4 25 2 ，0 i8 7 ，55 0 2 1 9 7 0 2 3 7 7 0 1 7 5 3 57 3 8 1 1 5 8 6 9 5 4 08 2 3 4 4 8 1 9 8 06 5 8 6 94 5 5 5 1 6 923 0 06 32 4 2 4 28 0 64 3 l 1 9 8 58 7 0 5 36 0 6 3 86 9 74 1 0 ，6 93 1 8 _ 3 27 7 _ 34 2 7 1 9 9 01 3 7 8 9 01 0 1 8 4 57 3 96 2 1 3 24 9 4 9 77 9 ，74 1 2 1 9 9 52 1 7 2 2 41 6 2 9 4 07 501 0 0 6 98 0 7 1 08 0 24 1 2 1 9 9 72 5 4 2 3 81 9 2 2 8 37 5 71 1 3 429 2 5 28 i64 0 8 1 9 9 82 7 7 2 8 92 0 9 8 “7 5 71 1 5 7 79 3 8 88 i 1 4 0 4 1 9 9 92 9 4 3 1 92 2 2 4 3 47 5 61 2 3 9 31 0 0 3 0 8 0 93 9 9 1 9 9 8 年，我国总装机容量达到2 7 7 2 8 9 m w ，其中火电装机容量为2 0 9 8 8 4 m w ； 总发电量达1 1 5 7 7 t w h ，其中火电9 3 8 8 t w h 。全国长达2 3 年的缺电状况得到缓 第l 章绪论 解。但人均装机容量仅有0 2 1k w h 。人均年发电量只有9 0 0k w h ，排名在世界第 8 0 位以后。电气化水平仍然很低。根据计划、从2 0 0 0 年到2 0 1 0 年，国民经济总 值将增加一倍、预计到2 0 1 0 年装机量将达5 0 0 0 0 0 m w 。国家电力发展的方针中， 对火电着重于优化结构，以后将以增装3 0 0 m w 到8 0 0 m w 亚临界压力和超临界压 力机组为主。显而宣见，大型火电厂在我国的电力事业中已成为越来越重要的角 色。 础日。 蝰矬，。 l ，3 秘r e ：丝7 喜 臼： 翌 x 一 ，垫掣 衅 掣x 址 垡掣 立缈 垃掣 衅v 、k l ，7 八 必 乳 掣 厂、 些 入艘 _ 葡0 2 2 试验设备及仪器 2 2 1 模拟地震振动台 图2 8f 轴钢构立面布置图 同济大学土木工程防灾国家重点实验室由美国进口的m t s 振动台的性能指标 如下： 台面尺寸：4 m 4 m ： 振动方向：x 、y 、z 三方向六自由度； 最大位移：x 向：+ 1 0 0 r a m ，y 向：+ 5 0 m m ，z 向：士5 0 m m ； 最大速度：x 向：士1 0 0 0 m m s ，y 向：士6 0 0 m m s ，z 向：* 6 0 0 m m s ； 最大加速度( 试件重1 5 t 时) ：x 向：士1 2 9 ，y 向：士0 8 9 ，z 向：士o 7 9 ； 最大试件重量：2 5 t 最大负荷下的频率范围：o 1 5 0 h z 。 第2 章振动台模拟地震试验摸型设汁与制作 2 2 2 测试设备及仪器 m t ss t e x 3 数据采集处理系统 压电式加速度传感器； l v d t 位移计和应变片。 2 3 模型设计与制作 2 3 1 原形结构的调整 动力模型的设计、制作及加载应严格按照相似理论进行。就弹性地震反应而 言，要求模型结构和原型结构几何尺寸保持一定的比例关系；要求模型结构和原 型结构的材料保持一定的相似关系 i - 3 1 ；要求旌加于模型结构和原型结构的荷载保 持一定的相似关系；要求模型结构在试验过程中各物理量和原型结构保持一定的 相似关系；并由此求得反映相似模型整个物理力学过程的相似条件。模型结构只 有满足上述相似条件的要求，才能按相似理论由模型试验结果推算出实际结构的 相应地震反应。但要做到模型与原型的完全相似是很困难的，模型的设计通常情 况下要忽略一些次要因素，甚至做一些必要的处理才能实施。 原型结构最大平面尺寸为1 0 0 r e x 5 2 5 m ，钢结构构件中板件的最小厚度为 1 0 m m ，最大厚度为6 0 m m ，而试验用的m t s 振动台台面尺寸为4 m x 4 m ，从几何 上考虑，缩小比例定为1 ：2 5 1 ：3 0 是比较合适的。但是根据结构总质量，按相似关 系计算模型的附加质量块要达到8 0 t 以上。而试验用的m t s 振动台允许的最大试 件总重量仅为2 5 t 。模型的缩比相似系数也不可能再提高，否则会因构件太小造成 模型制作的困难。基于试验条件的限制，必须对原结构的进行调整。 对原结构进行调整的原则有以下两个方面： 1 能够克服振动台试验模型结构的设计和制作上的困难，该模型结构的有关 参数满足主要相似关系并符合既有的试验条件： 2 原型结构调整后在静、动力力学性能上要与调整前基本保持一致。主要指 结构形式、抗侧力体系、刚度、强度及荷载质量大小和分布情况上与原结构相同 或相近，当受到作用时，结构的静力反应和动力反应与调整前相比要保持基本一 致。 第一个条件是为了解决模型制作和振动台试验条件的限制。第二个条件是保 第2 章振动台模拟地震试验模型设计与制作 证试验研究的结果可较充分地用于原型结构的性能判断。在调整的具体过程中， 采用了以下方法保证上述两个条件。 首先，为了保证第一个条件，对原型结构进行了调整： 1 抽去原结构的开间、开间，但保持原结构的平面结构布置特 点。 2 结构体系采用与原结构相同的梁柱铰接的支撑钢框架体系；在结构平、立 面布置上尽可能地同原结构保持一致，如支撑体系的布置和支撑形式的选择。 3 在构件层次方面，各部位对应的构件截面形式与原型结构完全一样，但对 钢板厚度、截面尺寸做了适度的调整，如加厚腹板、以便于模型结构的加工制作。 具体地根据构件分类采取以下措施调整各个构件的板件： 梁：因为梁是压弯构件，保证截面面积和绕主轴的截面抵抗矩的一致性，即 可保证调整后的梁构件的应力水平和对整体结构抗侧刚度的贡献与原结构保持一 致。 柱：钢柱在结构中是双向压弯构件，也是抗侧力的主要构件之一，因此要保 证其截面愿积和绕主、弱轴两方向的截面抵抗矩与原型结构相应一致。保证柱构 件的应力水平和对整体结构抗侧刚度的贡献与原结构的相应一致。 支撑：在梁柱铰接的支撑钢框架结构体系中，支撑是通过传递拉、压力来实 现它在结构中的角色。因此要保证其截面面积和长细比的一致性。 屋盖钢桁架：根据各榀桁架的平面内刚度换算，用刚废相同的工字型截面的 钢梁取代。 最后对调整后的结构和原结构同时运用了s a p 2 0 0 0 通用有限元程序进行了计 算分析，并进行比较。根据原结构的前几阶振型、自振频率、各构件在静、动力 工况下的应力值等参数。进行进步调整，使得两者在这几方面都大致相同。调 整后的结构平、立面布置图见图2 9 图2 3 3 所示，各平面图中梁为虚线的表示该 格区铺设楼板。 第2 章振动台模拟地震试验模型设汁与制作 i 图2 9 7 5 o m 结构平面布置图图2 1 0v 1 1 o m 结构平面布置图 图2 1 1v 1 3 5 m 结构平面布置图图2 1 2 可1 6 o m 结构平面布置图 i l 图2 1 3w 2 3 o m 结构平面布置图 图2 1 4v 2 7 6 m 结构平面布置图 固 。 母 o o o o 0丌*弘热蓰丌扎扎扎韭 丌斗轧执韭 第2 章振动台模拟地震试验模型蹬计与制作 图2 1 5v 3 2 2 5 m 结构平面布置图 图2 1 6v 3 4 2 5 m 结构平面布置图 i 哑 哑 冁 l 墨_ 1 址 垃 珏 卜f 市喑 lili 8l h _ | l i 瞥拿牟牟b 乒当护爿乒手蔷焉弓 图2 1 7v 4 2 o r n 结构平面布置图图2 1 8v 5 1 o m 结构平面布置图 掣 掣 垫 图2 1 91 轴结构立面布置图 2 6 + # 靛f 图22 0l a 轴结构立面布置图 产； ) 要| 曩| 掣 笋戛| 戛| 第2 章振动台模拟地震试验模型设计与制作 鬯 地 崆 毗 掣 上4 毗 哑 j 也 图2 2 12 轴结构立面布置图图2 2 23 轴结构立面布置图 图2 2 34 轴结构立面布置图图2 2 45 轴结构立面布置图 2 7 妒 基l 掣 蓦| 戛| 掣 曼| 掣 学单 戛| 戛| 第2 章振动台模拟地震试验模型设计与制作 毗 啦 啦 掣 掣 学 掣 出 掣 垫 咀 哑 地 鬯 鬯 啦 图2 2 56 轴结构立面布雹图 e 兰# 鼍竺二墨 兰! 士竺d 每出面面面由西 图2 2 67 轴结构立面布置图 图2 2 7a 轴结构立面布置图 图2 2 8b 轴结构立面布置图 图2 2 9c 轴结构立面布置圈 图2 3 0d 轴结构立面布置图 2 8 第2 章振动台模拟地震试验模型设计与制作 x x x xx xv x x ， x x 、l xv x 图2 , 3 1e 轴结构立面布置图图2 3 2f 轴结构立面布置图 xx x x y x六 2 3 2 动力模型设计依据 图2 3 3g 轴结构立面布置图 模型的设计、制作和加载是在调整后的原型结构的基础上按照相似理论f 1 1 2 1 进行的。本试验主要研究地震作用下结构的抗震性能，因此设计模型时着重考虑 满足抗侧力构件及与抗侧力有关参量的相似关系，使柱、粱、支撑及其节点等满 足相似关系；用设置配重的方法满足质量和荷载的相似关系以及降低重力失真的 第2 蕈振动台模拟地震试验模型设汁与制作 影响【“。在设计模型各相似关系时，还需适当考虑材料配置、制作施工条件、吊装 条件和振动台性能参数等方面的因素。 在上述原型结构的基础上按1 2 5 的比例缩比，模型结构的相似关系( 模型原 型) 如表2 1 所示。 表2 1 模型相似关系 物理性能物理参数 相似系数 长度l ，2 5 几何性能 应变1 弹性模量l 材科性能应力l 泊松比l 集中力 线荷载i 2 5 6 荷载性能 面荷载 力矩 时问( 周期)l 愿 频率8 位移l 动力性能 速度o3 2 加速度 2 j 6 重力加速度l 2 3 ，3 模型材料 根据相似关系的要求模型结构的材料应具有同原型结构相似的应力一应变关 系。本试验的动力模型用的材料与原型结构相同钢材，保证材料本构关系的 一致。 为了明确模型结构所用钢材的材性进行了材性试验，图2 3 4 是材性试验试件 的具体形状和尺寸。试件厚度按模型中构件使用的情况分为两组；第一组试件厚 度为：1 o o m m ；第二组试件厚度为：1 6 m m 。每组三个试件，共六个试件。 1 艘 i 凶i 鲤 一盐i 地 i 图2 3 4 材性试验试件尺寸图 第2 章振动台模拟地震试验模型酷计与制作 表2 2 给出了材性试验的实测结果： 表22 钢材材性试验结果 试件 试件 屈服强度极限强度弹性模量伸k 枣 分组编号 f y t m p a ) f o ( m p a )e ( m pa ) ( 6 ) s l 3 l o3 9 52 2 0 x1 0 33 7 第一组 s 23 0 53 9 0 1 7 3 x 1 0 5 3 9 ( t = l m m ) s 33 0 53 9 523 5 x 1 0 53 8 平均值3 0 673 9 3 320 9 1 0 53 8 s 42 9 53 5 520 3 x 1 0 3 3 第二组 s 53 0 03 7 520 5 1 0 53 3 f f l 6 m m ) s 62 8 53 6 023 8 x 1 0 3 5 平均值2 9 3 33 6 332 1 sx 1 0 5 3 3 7 2 3 4 细部构造模拟及荷重配制 节点连接材料采用的是巾2 m m 的小螺丝模拟原型结构中的高强螺栓，并采用 加强箍的措施模拟节点加劲肋等局部加强，在现有的制作条件下尽可能地模拟实 际节点的细部构造( 见照2 4 ) 。 原型结构中楼板体系基本上是密铺次梁上铺设1 5 0 m m 厚钢筋混凝土楼板，考 虑楼板和梁的组合楼板刚度，模型中采用了6 r a m 厚的钢板模拟楼板( 见照2 2 ) 。 原型结构中的屋盖桁架按刚度等效原则用工字型梁模拟( 见照2 1 ) 。 本试验中荷载及质量的配重相对而言是比较大的，而模型的缩比相对又较，、， 必须用比重较大的材料制作才能有较小的体积满足模型的空间要求。本试验采用 的是厚钢板焊接成型的质量块。模型试验所用质量块及分布情况详见表2 3 和图 2 3 5 图2 4 4 。 表23 试验配重质量块汇总表 质量块重量长度宽度高度制作 备注 编号 ( k g )( m m ) ( m m )( m i l l )数量 w i2 0 03 4 02 8 02 7 02用于锅炉架 w 21 5 02 8 02 8 02 5 04自制 w 31 0 02 8 02 6 0l s o9自制 w 48 0 2 8 0 2 8 01 1 0 3 自制 w 5 6 02 8 02 6 0l l o2 9 自制 w 64 0 2 8 01 5 01 2 04 自制 w 73 02 8 02 8 05 0l o自制 w 82 02 3圆形砝码 第2 章振动台模拟地震试验模型设计与制作 图2 3 5v o 2 0 m 质量块分布图 图2 3 6v o 4 4 m 质量块分布图 , - - - , - - - , - - - , - - - , - - - , - - - , 1 l h l 凼i h l h i h l h i k ：| 。；。；| 。， 。；| l 。 一 i 图2 3 7v 0 5 4 m 质量块分布图图2 3 8v o 6 4 m 质量块分布图 亘凰亘 亘f 亘 石v “n 乱如丽峋 v ：v ：u ：v ：u ：v 画i 苟j 丽i 面i 苟 图2 3 9v o 9 2 m 质量块分布图 图2 4 0v 1 1 0 5 m 质量块分布图 丌仆扎乳叠丌扑扎扎莲丌*扎扎韭 团一 0i-iii 曰一 i-lii 曰一 第2 章振动台模拟遗震试验模型设计与翩仵 l | l f24 lv 1 2 9 m 质量块分布图图24 2v 1 3 7 m 质量块分布图 一 一一卜一午一千一- f干1 一 | l 曰l 曰l 、曰曰l ，fl 一o 一 一d 一一 j b 一 上 ：兰j ：? 十薏葺：兰 r 一一 o 【j ，( ， ， l 0c 0 图2 4 3v 1 6 8 m 质量块分布图 2 35 模型加工制作 图2 4 4v 2 0 4 m 质量块分布图 模型结构是在原型结构的基础上按1 2 5 的比例缩比制作。制作过程类似于原 型结构的施工过程：先制作各个构件：包括梁、柱和支撑，最后采用螺丝进行节 点连接拼装而成。模型加工制作的结构平、立面布置图为图2 9 图2 。3 3 尺寸缩小 2 5 倍即可，文中不再给出模型加工制作图。 由于经过相似关系换算后的支撑截面很小，不易加工，所以支撑全部是用等 效截面面积、等效回转半径的小角铁( 1 m m 厚薄钢板弯制而成) 代替。这样一方 面制作容易、另一方面也便于节点的连接。 楼板( 6 m m 厚的钢板) 和质量块另行制作。由于质量块较重( 最重的一块达 2 0 0 k g ) 、体积也相对较大，只能分层吊装，所以楼板的铺设是在振动台上完成的。 先把未铺板和质量块的模型吊至振动台边，从最低一层起铺设楼板，铺一层楼板 就吊铺该层质量块。铺完近一半后，将模型吊装至振动台上定位，再铺设剩下的 楼板和质量块。 此外，模型结构的基座刚度必须较大，不能因基座刚度不足而影响模型结构 的动力反应的测试。采用i2 0 工字钢纵横相交制成基座，连接一律采用焊接，必 要处采用坡口焊以保证基座刚度。基座四周一圈用加劲板连接槽钢，在槽钢上开 巾4 0 n w a 的螺栓孔。用中3 6 m m 的螺杆将基座和振动台台面紧密相连。模型结构在 振动台上的定位见图2 4 2 ，图中x 向为东向，y 向为北向。 恼b强 氤一 圈j 畸、 r 璺卜 商三。芽睾 第2 章振动台模拟地震试验模型设计与制作 模型结构及安装情况的照片见照2 1 照2 6 。 图2 4 2 模型结构在振动台上的定位 y 照2 1尚未铺设楼板和质量块的模型结构照2 2 楼板和质量块的铺设情况 第2 章振动台模拟地震斌验模型设计与制作 照2 3 正在铺设质量块照2 4 模型节点及加强箍 照2 5 开始在模型结构上设传感器照2 6 铺设完质量块的模型结构 2 4 小结 大型火电厂主厂房钢支撑框架结构因其体量大、负荷重的特点。在振动台上 实现其模拟地震试验是很困难的。本章通过结构层次、构件层次上的系列静、动 力等效的方法，抓柱原型结构体系的主要特点，对原型结构进行了调整，克服原 型结构试验条件的限制和困难，根据结构抗震试验的动力相似条件设计了大型火 电厂主厂房钢支撑框架结构大缩比试验模型。在模型的细部构造方面，采用了尽 第2 帚振动台模拟地震试验模型殴汁0 制作 可能反映结构的实际情况的制作方案和措施，如采用小螺丝进行节点连接模拟实 际结构的高强螺栓连接等，探索了在大缩比试验中考虑细部构造影响的途径。最 终设计并制作出大型火电厂主厂房支撑钢框架结构的模拟地震振动台试验模型， 为大型火电厂主厂房支撑钢框架结构抗震性能试验研究奠定了基础。 参考文献 1 朱伯龙主编结构抗震试验地震出版社，1 9 8 9 2 李德寅，王邦楣结构模型试验科学出版社，t 9 9 6 3 王娴明建筑结构试验清华大学出版社，1 9 9 8 4 童骏大型火屯厂支撑一钢框架结构抗震性能研究同济大学硕十学位论文，2 0 0 3 第3 章振动台模拟地震试验及结果分析 3 。1 概述 第3 章振动台模拟地震试验与结果分析古 模拟地震振动台试验的台面激励地震波的选择是根据地震危险性分析、场地 类别、建筑结构动力特性等因素综合确定的。试验时根据模型所要求的动力相似 关系对原型地震记录作出修正后，作为模拟地震振动台的台面输入。输入加速度 幅值根据设防烈度要求从多遇烈度到罕遇烈度，从小到大依次增加以模拟不同水 准地震对结构的作用。 当模型结构特性发生变化，结构的自振频率和阻尼比都将产生变化。在模型 承受不同试验阶段地震作用前后，采用白噪声对其进行扫频，可以得到模型结构 频率响应函数，经分析可得自振频率和阻尼比等动力性能及其变化情况。 在试验过程中，采集不同试验阶段地震波作用下模型结构特定部位的加速度、 位移和应变的时程变化数据，同时对模型结构的整体变形和构件、节点的细部构 造变化情况进行宏观观察。然后结合所采集的模型结构的动力响应数据及宏观观 察情况进行分析，推断模型结构的地震反应及其综合抗震性能。 另外，试验得到的结果还可以同理论分析的结果进行对比，进一步全面了解 结构的动力特性和抗震性能。 3 2 试验加载制度 根据原型结构所在地区7 度抗震设防、类场地的特点以及钢结构的动力性 能，选用以下地震记录作为振动台台面输入的原波，原拟引入上海人工地震波 s h w 2 ，考虑到该波是单方向输入，不能考察x 、y 两方向的情况；另外单向地震 作用的工况，结构地震反应理论分析结果显示：在x 向，p a s a d e n a n s 波的结构反 应与s h w 2 相差不大，在y 向，e 1c e n t r oe w 波的结构反应与s h w 2 相差不大。 故试验未引入该波。各地震记录的时程和频谱分别见图3 1 图3 6 。 1 e lc e n t r o 波：美国地震记录，原波持时5 3 7 3 s ，最大加速度南北分量为 3 4 l ，7 c m s 2 ，东西分量为2 1 0 1 c m s 2 ，场地土属i i 类、近震。该波是模拟地震 振动台试验中引用最多的地震记录之一，本试验也采用了该地震记录。 ，注：本章的部分研究工作是和文献 4 1 的作者共同完成的。 第3 章振动台模拟地震试验及结果分析 2 s a nf e m a n d o 波：1 9 7 1 年2 月9 日美国地震记录，原波持时6 1 4 2 s ，最大 加速度南北分量为5 7 3 c m s 2 ，东西分量为4 3 5 c m s 2 ，场地土属i i i 类、远震。 3 p a s a d e n a 波：1 9 5 2 年7 月2 1 日美国加利福尼亚地震记录，原波持时7 7 2 6 s ， 最大加速度南北分量为4 6 5 c m s 2 ，东西分量为5 2 i c m s 2 ，场地土属i i i i v 类、远 震。 湖薹：1 fl ，k 。c i j 删岫州 n 州吣叫嗨 i 刚 雕即唧 一 - j i 封忆一 图3 1 e le e n t r o n s 波( x 向) 时程，频谱 蛐龇划i i 山i 。j 嗍隔1 脚 纠 l8 9州 如 e 1c e l l t l o e w 波( y 向) 时程频谱 jj 谶l8l脚 岷h 阳v ，“_ _ ；w l i 弹 ： ： j “ i i 第3 章振动台模拟地震试验及结果分析 i 岫i。肌 l 。_ i l 1哪v - t r 。7 ll s a nf e m a n d oe w 波( y 向) 时程，频谱 。 ：- l j 0| l | | l u 66 ， a 且 。 i i 9 。l vyy 7 v 1 ： 级 图3 5p a s a d e n a n s 波( x 向) 时程，频谱 0 山i 血i 。1 - kl -。j i - 岬嗍例 帅j 十 咿| | 呵” i lll 4l mt 凯。 图3 6p a s a d e n a e w 波( y 向) 时程，频谱 3 3 测点布置 本试验共用了三类传感器：加速度传感器，位移传感器和应变片。其中加速 度传感器是模型响应的主要数据采集手段。 第3 章振动台模拟地震试验及结果分析 表3 1加速度传感器布置情况表 序传感器 位置 号编号横轴号 纵轴号 标高( m ) 方向通道导备注 la lf2o 2 0- x2 1 2a 2f2o 2 0y2 2 3a 3f 2 0 4 4 - x 2 3 4a 4f204 4y2 4 5a 5a 7 0 4 4 x 3 l 6a 6a 7 0 4 4 y 3 2 7a 7f205 4x2 5 8a 3f 2 0 ，5 4y2 6 第7 工嚣起有记录 9a 9g605 4xl l 1 0a 1 0g60 5 4y1 2 i la 1 1el 1 1 0 5 x 8 1 2a 1 2e l 11 0 5y9 1 3a 1 3a71 1 0 5 x 3 3 1 4a 1 4a71 1 0 5- y3 4 1 5a 1 5f2l1 0 5y2 7 1 6a 1 6f 2l1 0 5- x2 8 ( 1 4 ) 1 7a 1 7g 6l1 0 5x1 3 1 8a 1 8g 6 1 1 0 5 - y1 4 仅3 至5 工况有记录 1 9a 1 9f 2 13 7x3 0 2 0 a 2 0g71 3 7一x1 5 2 la 2 1g 71 3 7y1 6 2 2 a 2 2f2l6 8x6 2 3 a 2 3f2l6 8y7 2 4a 2 4g 7l6 8- x 1 7 2 5 a 2 5g71 6 8 y 1 8通道损坏，记录出错 2 6 a 2 6f22 0 4x3 2 7a 2 7 f22 0 4一y4 2 8a 2 9g 420 4x1 9 2 9a 2 9g42 0 4 y2 0 3 0 a 3 0fl a2 0 4 x5 3 l a 3 1台面x3 5 3 2a 3 2台面 y1 0 附注：表中x 向为东向，y 向为北向；a 1 6 在试验进行到第6 工况时损坏，无信号记录，用a i g 取代； a 2 5 在试验进行中，记录出错，信号混乱。 4 0 第3 章振动台模拟地震试验及结果分析 3 3 1 加速度传感器的布置 加速度传感器测点共有3 2 个，是数据采集的主要途径。基本在各楼层标高位 均有测点，尽可能全方位了解模型结构的动力响应情况，在结构各个顶层的测点 分布考虑了测出结构在振动时的扭转情况。加速度传感器的布置位置、方向及通 道号详见表3 1 ，具体分布情况见图3 7 图3 1 0 。 i11 a 1 缱 l a 3埘 一 菥 占_ 击_ 告- h 占_ 扣 h 图3 7x t o ，2 0 m ( 左图) 、v 0 4 4 m ( 右图) 加速度传感器位置 “护“ “士_ 妒“ “h “ 士_ “士_ “士_ “ “ 图3 8w o 5 4 m ( 左图) 、v 1 1 0 5 m ( 右图) 加速度传感器位置 下，r广竿守毛孚_，rr罕0铲垂 第3 章振动台模拟地震试验及结果分析 a 2 4 占_ “ 皿_ 卜 “妒扩扩q “ 图3 9v 1 3 7 m ( 左图) 、v 1 6 8 m ( 右图) 加速度传感器位置 4 古4 古4 “ 图3 1 0v 2 0 4 m 加速度传感器位置 3 3 2 位移传感器 位移传感器测点共有4 个，分别布在模型结构的三个顶层位置，位移传感器的 布置位置、方向及通道号详见表3 2 ，其具体安装位置如图3 1 2 所示。 ( b ) v l6 8 m 层 占_ “ “ “ “ h “ 士_ h ( a ) v 1 ，1 0 5 m 层 图3 1 1 位移传感器位置 ( c )