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《西安建筑科技大学》 2008年
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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

朱丽华  
【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。
【学位授予单位】:西安建筑科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TU352.11

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1 朱丽华;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[D];西安建筑科技大学;2008年
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