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摘要:為對比分析不同支撐結構形式下型鋼混凝土閥廳的抗震性能，建立了整體結構的有限元模型。首先對兩種不同形式支撐下結構的模態進行了計算，得出其前三階模態為橫向、縱向及扭轉，結構的布置滿足設計要求，自振頻率也符合初步分析結果，說明模型滿足抗震動力分析需求。在此基礎上對不同支撐的結構模型進行了動力時程分析。將求出的基底剪力與采用反應譜法計算得出的結果進行對比，結果顯示:兩種支撐結構在不同地震波作用下，整體結構的內力和變形均滿足設計及抗震分析要求，從而顯示出帶支撐的型鋼混凝土閥廳結構良好的抗震性能。X形支撐具有更為良好的抗側及抗震能力，可依據實際需要用于型鋼混凝土結構的閥廳中。
關鍵詞:型鋼混凝土支撐;閥廳結構;動力時程分析
0引言
由閥廳建造材料和結構受力的不同，主要分為全混凝土結構、全鋼結構、鋼－鋼筋混凝土混合結構三種結構形式。其中全混凝土結構在水平地震作用下表現不佳，因此高度較大的閥廳一般不予采用。全鋼結構閥廳和混合結構閥廳由于四面或三面為鋼柱，防火性能較差，特別是換流站閥廳存在特高壓電網，極易發生火災，還有造價高，維護困難等問題。使用型鋼混凝土結構替代鋼－鋼筋混凝土混合結構閥廳中的鋼結構框架，可較好的解決上述問題。同傳統的鋼結構相比，型鋼混凝土結構有更大的剛度和強度，更好的局部和整體穩定性，耐腐蝕和防火性能好，節約鋼材。同時，與全鋼筋混凝土結構相比，這種結構承載力和剛度大，具有更好的變形能力和延性，抗震性能優越［1－3］。閥廳結構具有跨度大、結構體型不規則的特性，在地震作用和自身設備等荷載作用下，整體結構受力十分復雜，且兩種不同形式材料的特征對整體結構也有一定的影響。此外，在不同的使用環境下，不同形式的支撐對結構的動力特性也有影響。為此，為了更好的研究帶支撐的型鋼混凝土閥廳結構在地震作用下的內力和變形特征，采用動力時程分析對兩種典型的支撐閥廳的整體結構的抗震性能進行分析，為進一步推進該結構的使用打下良好基礎。
1兩種支撐形式的整體模型的建立
依據實際工程，選擇某典型的混凝土閥廳，改為型鋼混凝土閥廳，其中結構的尺寸為86．2m×56m，山墻高度為33m，屋面采用鋼屋架與型鋼混凝土柱連接，二者的連接形式為鉸接［4］，屋架下弦距地面高度為26．05m，上弦距地面高度為30．05m。為較好的分析型鋼混凝土閥廳中設置不同類型支撐的影響，分別選擇X形和人字形兩種形式的支撐結構［5］，前者剛度較大可以抵抗較大水平荷載，后者則方便儀器設備和車輛通行，均有各自的優勢，其在閥廳結構的縱軸中的布置如圖1，圖2所示。采用SAP2000建立了型鋼混凝土閥廳結構的整體有限元模型。建模過程中采用框架單元模擬實際結構中的柱、梁和斜撐，對于非承重構件，將其自重轉換為相應的集中力添加到結構上，X形和人字形兩種形式的支撐結構的有限元模型可見圖3，圖4。
2模態分析
模態是結構的固有振動特性的研究，包含固有頻率、阻尼比和振型，是進行動力特性和抗震分析的前提和準備?；谲浖赜械?ldquo;質量源”特征，并考慮規范中對重力荷載代表值的定義，設定具體的“質量源”。同時，考慮到結構體系高階振型因衰減較快，導致對整體動力特性影響較小，為方便研究，僅考慮其前三階振型進行分析，根據計算分析，得出其振型信息如表1所示。由分析可知:兩種支撐形式的型鋼混凝土閥廳結構的前三階振型分別為朝Y向(橫向)平動、朝X向(縱向)平動、扭轉，這說明兩種形式的支撐作用下，結構的整體剛度分布均較為均勻，結構布置合理，也符合初步設計中整體結構縱向剛度要比橫向剛度大這一特征。型鋼混凝土閥廳結構自振周期隨著振型階次的增加而逐漸減小，振型剛度隨著振型階次的增加而逐漸增加。對比兩種形式的模態計算結果，X形支撐的周期值均小于人字形的，與該形式結構剛度大于人字形相符。綜合模態分析結果，該模型設置合理，可用于后續的動力時程分析。
3多遇地震下的時程分析
時程分析法是對結構動力方程直接進行逐步積分求解的動力分析方法，可以得到質點隨時間變化的動力響應，并進而求出構件內力的時程變化關系，是現階段對結構抗震性能最為直接的分析方法?，F采用SAP2000軟件對結構進行時程分析，選取El-centro地震波、Taft地震波進行計算，并且依據規范［6］要求選取了一條人工合成地震波(以下簡稱人工波)，各波型加速度時程曲線分別如圖5～圖7所示。將三條地震波的加速度峰值按照抗震設防烈度7度，設計地震基本加速度0．15g的多遇地震調整為0．55m/s2，采用單方向(X向)輸入地震波，將各模型柱底剪力幅值進行比較，如表2所示。表2中β表示時程曲線計算所得的結構底部剪力與振型分解反應譜法計算結果的比值，γ表示多條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值與振型分解反應譜法計算結果的比值。其中反應譜是基于GB50010—2010建筑抗震設計規范的設計加速度反應譜，按抗震設防烈度7度，設計地震基本加速度0．15g，場地類別Ⅲ類，設計地震分組為第二組計算的柱底剪力值。由表2可知，選取El-centro波、Taft波和人工波時程曲線是符合規范［6］要求的。通過動力時程分析，獲得了兩種不同結構形式在7度0．15g的多遇地震作用下柱底剪力(見表2)，其剪力滿足結構的抗剪設計要求。兩種形式的結構的最大層間位移分別為0．19m和0．17m，而結構的總高為26．05m，因而層間位移角分別為1/1372和1/1532，均遠小于設計位移角要求，從而說明配有此兩種形式支撐的型鋼混凝土閥廳結構在地震作用下變形性能良好，能滿足一般閥廳的抗震要求。利用反應譜法計算得到的人字形支撐的基底剪力值與人工波得出的相近，而X形支撐的反應譜結果則與El-centro波作用下接近，但整體差值符合分析要求。兩種支撐的抗側對比發現，X形支撐的抗側能力更強，在滿足工藝和建筑要求的前提下，采用X形支撐能提供更好的抗震性能。
4結論
本文選取某實際的混凝土閥廳結構為原型，在將其改進為型鋼混凝土閥廳結構后，利用有限元分析軟件SAP2000，建立了兩種典型形式(X形和人字形)支撐的型鋼混凝土閥廳結構整體有限元模型，對其進行動力時程分析，主要結論如下:
1)由模態分析可以得出結構的前三階振型和自振周期，其中前兩階振型為平動，第三階為扭轉，結構體系的布置滿足一般設計要求。同時結構剛度和周期也符合預期分析，表明整體結構模型建立合理，選擇的地震波滿足規范的選波要求，可以利用此整體模型和地震波進行動力時程分析。
2)選用El-centro波、Taft波和人工波對閥廳結構進行了動力時程分析，獲取其柱底剪力和位移變形，兩種地震波作用下，兩種不同形式支撐的型鋼混凝土閥廳結構的內力和變形均滿足設計要求，顯示出帶支撐的型鋼混凝土結構良好的抗震性能，可以作為主要結構形式用于閥廳的使用。
3)不同地震波作用下兩種形式的支撐計算得出的剪力值，與反應譜計算得出的有所差別，但均滿足分析要求，也均顯示了良好的抗震性能，顯示出兩種支撐對抗側和抗震的作用。X形支撐的抗側及抗震能力更強，在滿足工藝要求的前提下，采用X形支撐能提供更為良好的抗震能力。
作者：程亮 高湛 吳必華 楊超 單位：中南電力設計院有限公司 武漢理工大學道路橋梁與結構工程湖北省重點實驗室