基于主子系统耦合效应的直接空冷结构体系地震响应与破坏机理研究

论文摘要

传统的抗震设计理念和方法对于非结构构件、设备系统等通常采用简化处理方法。对于某些特殊或重要建筑结构,忽略子系统与主系统之间的动力相互作用进行抗震设计有可能导致错误或不安全的结果。近年来,随着对于节能、环保要求的提高,空冷技术在富煤缺水地区的火力发电厂得到了广泛应用。直接空冷结构体系是随着空冷工艺的应用而产生的一种新型结构,其主要功能是支撑大型空冷凝汽器设备。空冷结构体系和荷重作用复杂,设备系统对结构系统有显著的动力反馈作用,形成了典型的结构—设备耦合体系。本文基于主子系统耦合效应,全面研究了直接空冷结构体系的抗震性能和抗震计算中的关键问题,从而为其抗震设计提供理论依据。直接空冷结构体系动力特性是进行抗震计算和抗震试验的基础。现场实测了服役直接空冷结构体系的振动特性,并对模型结构进行动力特性测试,获得了振动周期、频率、振型及阻尼比等动力特性参数。采用SAP2000（R）有限元程序进行原型结构与模型结构的模态分析,计算结果与现场实测结果及试验结果基本吻合。研究表明有必要在直接空冷结构体系动力计算中考虑主子系统耦合效应,耦合体系的折算阻尼比取3.5%;扭转振动是直接空冷结构体系的主要振型,应该考虑振型耦合。取1/4实际结构作为子结构,模拟边界条件,按1/8缩尺比制作模型。对模型进行动力特性测试,选择EL-Centro波对模型进行拟动力试验,再进行拟静力试验,试验得到了模型结构破坏过程与动力反应。分析了结构自振频率与阻尼比变化,变形性能,滞回性能和破坏模式等;给出了骨架曲线及其特征点;提出了结构体系抗震承载力的计算公式。研究表明直接空冷结构体系为单道防线体系,大震下结构系统进入非线性后,设备系统能够保持弹性工作状态,结构易形成柱铰破坏机制。直接空冷结构体系为钢筋混凝土管柱和空间钢桁架组成的竖向混合结构,同时结构与设备形成耦合系统,存在动力相互作用,因而直接空冷结构体系为非经典阻尼体系。构造了直接空冷结构体系结构—设备耦合的阻尼矩阵,并提出了三种方法进行阻尼矩阵的处理,包括折算阻尼比法、强制解耦法以及子结构法,以方便理论推导和数值计算。研究了直接空冷结构体系抗震计算时地震动输入中的关键问题。建议按照反应谱计算地震作用并采用时程分析法进行补充计算。根据直接空冷结构体系的振动特性,建议考虑水平地震作用、竖向地震作用以及双向水平地震作用下的扭转作用。选择Kanai-Tajimi地震动模型,基于我国现行抗震规范（GB50011—2001）并利用随机极值原理进行参数研究。给出了多遇地震作用下的模型参数,对罕遇地震作用下的模型参数进行了初步探讨。在线性单自由度体系随机振动理论基础上提出了随机地震反应谱,给出了谱值及其概率分布。利用非线性体系随机振动理论对弹塑性随机地震反应谱也进行了探讨。提出了二阶系统的功率谱输入机制,包括适用于小质量无调谐设备系统的双重过滤楼面谱,适用于大质量体系考虑主子系统耦合动力相互作用的楼面功率谱。建立了直接空冷结构体系的简化动力计算模型,模型中考虑了结构系统和二阶系统偏心引起的扭转效应,基于结构—设备耦合效应理论推导了在双向地震作用下的平扭耦联响应;将地震动假定为平稳随机过程,求解了直接空冷结构体系在随机地震作用下的地震响应。采用SAP2000（R）有限元程序,采用合适的单元模拟设备系统,建立了同时包括主子系统及其连接的空间有限元计算模型,并对耦合体系进行了反应谱分析、线性时程分析、非线性时程分析以及功率谱密度分析,分析得到了结构的整体反应以及构件的地震响应。计算表明,直接空冷结构体系在地震作用下角柱地震反应大于中柱,悬挑端反应大于中部;边缘部位设备系统更容易遭受破坏,这是由于结构系统的扭转特性造成的。采用子结构方法分析了结构—设备耦合体系的破坏准则与破坏机制。分析了耦合系统在地震作用下的性能水准,提出了直接空冷结构体系的抗震性能目标。归纳了设备系统的计算模型,并给出了设备系统的破坏准则;试验研究了大尺寸薄壁钢筋混凝土管柱的抗震性能;理论分析了钢桁架在地震作用下的受力状况与破坏形式。提出直接空冷结构体系中,温度应力的“放”与地震作用的“抗”存在矛盾,并提出了解决的构造措施。基于以上问题的研究,论文最后分析了现有直接空冷结构体系的抗震性能以及抗震计算方法与抗震设计指标,并对新型结构体系进行了展望。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 结构—设备耦合系统研究综述
• 1.2.1 动力计算模型
• 1.2.2 动力分析计算方法
• 1.2.3 实验研究
• 1.3 空冷研究意义及目的
• 1.3.1 火力发电厂水冷却原理
• 1.3.2 国家政策导向
• 1.3.3 空冷系统国产化
• 1.4 直接空冷结构体系国内外研究现状
• 1.4.1 空冷电厂发展概况
• 1.4.2 空冷凝汽器支架结构简介
• 1.4.3 空冷凝汽器支架结构研究与应用
• 1.5 空冷凝汽器支架结构中的结构—设备耦合问题
• 1.6 本文的研究内容与技术路线
• 参考文献
• 第2章 直接空冷结构体系动反应特性与基本理论研究
• 2.1 引言
• 2.2 模型结构动力特性测试
• 2.2.1 测试原理
• 2.2.2 测试仪器
• 2.2.3 模型及测点布置
• 2.2.4 测试结果
• 2.3 现场动力特性测试
• 2.3.1 测试原理与方法
• 2.3.2 单跨直接空冷结构体系动力特性测试
• 2.3.3 多跨直接空冷结构体系动力特性测试
• 2.4 有限元计算
• 2.4.1 原型结构计算分析
• 2.4.2 模型结构计算分析
• 2.5 扭转振动和竖向振动
• 2.6 小结
• 参考文献
• 第3章 直接空冷结构体系拟动力试验研究
• 3.1 结构抗震试验
• 3.1.1 结构抗震试验方法选择
• 3.1.2 等效单自由度体系拟动力试验原理
• 3.2 模型设计与制作
• 3.2.1 模型试体设计的相似条件
• 3.2.2 试验模型
• 3.3 试验加载与测试方案
• 3.3.1 加载装置
• 3.3.2 试验测点布置
• 3.4 试验过程
• 3.4.1 试验参数输入
• 3.4.2 试验步骤
• 3.5 试验主要结果与分析
• 3.5.1 拟动力试验结果与分析
• 3.5.2 拟静力试验结果与分析
• 3.6 模型结构抗震性能研究
• 3.6.1 动力特性
• 3.6.2 变形性能
• 3.6.3 滞回特性
• 3.6.4 骨架曲线及延性
• 3.6.5 结构水平承载力
• 3.7 小结
• 参考文献
• 第4章 直接空冷结构体系非经典阻尼研究
• 4.1 引言
• 4.2 结构阻尼理论
• 4.2.1 阻尼定义及机理
• 4.2.2 阻尼模型
• 4.2.3 结构阻尼比
• 4.2.4 非经典阻尼
• 4.3 非经典阻尼体系动力方程的求解
• 4.4 直接空冷结构体系非经典阻尼
• 4.4.1 阻尼矩阵的构造
• 4.4.2 耦合阻尼矩阵的处理
• 4.5 小结
• 参考文献
• 第5章 地震动模型与输入
• 5.1 引言
• 5.2 时程分析中的地震波选择
• 5.2.1 地震波选择控制指标
• 5.2.2 对最不利设计地震动的探讨
• 5.2.3 罕遇地震作用下的强震记录选择
• 5.3 竖向地震作用输入
• 5.4 扭转地震动输入
• 5.5 随机地震动模型及其参数研究
• 5.5.1 随机地震动模型
• 5.5.2 地震动模型参数研究
• 5.6 基于随机振动理论的地震反应谱研究
• 5.6.1 随机地震反应谱
• 5.6.2 弹塑性随机地震反应谱探讨
• 5.7 设备地震动输入
• 5.7.1 设备地震动输入方法
• 5.7.2 单自由度结构系统楼面功率谱
• 5.7.3 主次系统耦合楼面功率谱
• 5.8 小结
• 参考文献
• 第6章 直接空冷结构体系动力计算模型与地震响应理论分析
• 6.1 引言
• 6.2 结构—设备耦合体系地震响应分析
• 6.2.1 耦合体系的运动微分方程
• 6.2.2 运动方程的特征值问题
• 6.2.3 耦合体系地震响应
• 6.3 直接空冷结构体系动力计算模型
• 6.4 双向地震作用下平扭耦联地震响应分析
• 6.5 随机地震响应分析
• 6.6 小结
• 参考文献
• 第7章 直接空冷结构体系地震响应有限元计算
• 7.1 引言
• 7.2 基于反应谱理论的地震响应计算
• 7.2.1 水平地震响应分析
• 7.2.2 双向地震作用下结构平扭耦联地震响应分析
• 7.2.3 竖向地震响应分析
• 7.3 时程分析
• 7.3.1 输入时程的选择
• 7.3.2 计算结果与分析
• 7.4 空间结构的三维地震响应时程分析
• 7.5 非线性时程分析
• 7.6 功率谱密度分析
• 7.7 小结
• 参考文献
• 第8章 强震作用下结构—设备耦合体系破坏机理研究
• 8.1 引言
• 8.2 结构—设备耦合体系抗震性能水准与破坏准则
• 8.2.1 性能水准与性能目标
• 8.2.2 耦合系统破坏准则与破坏机制
• 8.3 工业设备的抗震计算模型与破坏准则
• 8.3.1 工业设备的震害
• 8.3.2 工业设备的计算模型
• 8.3.3 设备系统的破坏准则
• 8.4 大尺寸薄壁钢筋混凝土管柱抗震性能研究
• 8.4.1 试验概况
• 8.4.2 试验结果与分析
• 8.4.3 正截面承载力计算
• 8.4.4 有限元计算
• 8.5 空间钢桁架受力机理
• 8.5.1 空间钢桁架受力分析
• 8.5.2 空间钢桁架破坏形态
• 8.6 温度变形与地震位移的协调研究
• 8.7 小结
• 参考文献
• 第9章 结论与建议
• 9.1 结论与建议
• 9.2 研究展望
• 附录A:直接空冷结构体系模型施工图
• 附录B:钢桁架应变片布置
• 附录C:博士研究生期间发表的文章、参加的科研项目与获得的荣誉
• 致谢