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【摘要】钢结构支撑框架体系是火力发电厂主厂房设计时可以采用的一种安全、有效的结构体系，本文以某2×350MW火力发电厂主厂房为原型，使用SAP2000软件建模，对其进行了模态分析和弹性时程分析，并根据分析结果提出了该结构体系厂房设计中的一些薄弱环节和设计建议。
【关键词】钢结构支撑框架体系；火力发电厂；SAP2000；时程分析
火力发电厂主厂房由汽机房、除氧煤仓间、锅炉房、集中控制楼等单体结构构成，其中汽机房多为单层排架结构，除氧煤仓间和集中控制楼等多采用多层框架结构体系，这使得火力发电厂主厂房的结构体系兼具单层工业厂房与多高层建筑的特点，体型比较复杂，抗侧刚度和质量分布不均匀，在地震作用下容易出现抗震薄弱点，并发生平扭耦合效应。火力发电厂作为重要的生命线工程，其抗震性能是至关重要的。
钢结构支撑框架体系最早应用于多高层民用建筑中，东北电力设计院对于该结构体系在火力发电厂房中的应用和推广起到了至关重要的作用。孙雨宋等[1]在2010年与哈尔滨工业大学合作，完成了针对钢结构主厂房支撑框架结构体系的振动台试验和节点板试验，从试验角度证实了将该结构体系用于高烈度地区的大容量机组（如600MW）火力发电厂主厂房中是安全可行的。刘春刚[2]从工程设计角度介绍了支撑框架结构体系在工程实际中的应用方法。而从数值模拟角度进行的研究目前开展的还很少。
本文使用有限元软件SAP2000对某钢结构支撑框架体系的2×350MW机组的火力发电厂主厂房结构进行了弹性时程分析，并根据计算结果提出了钢结构火力发电厂房抗震设计中的薄弱点和一些需要注意的问题。
1.钢结构支撑框架体系
钢结构支撑框架结构体系是在纯钢框架体系的基础上发展演变出来的，由于大容量机组火力发电厂的出现，导致火力发电厂主厂房的层高和跨度都很大，质量和刚度分布很不均匀，此时钢结构框架的整体稳定性和抗侧刚度等问题就变得非常突出。钢结构支撑框架体系就是在部分框架柱之间设置竖向支撑，这种构造除了能够提高钢结构立柱的平面内整体稳定性之外，还形成了一种双重抗侧力体系，在一般风荷载和小震作用下，支撑能够显著提高结构静力抗侧刚度，在强震作用下，支撑还可以通过自身屈曲起到耗能的作用，即使支撑破坏，厂房结构也不会丧失竖向承载力。
2.工程概况及有限元模型建立
某2×350MW火力发电厂，建设地点抗震设防烈度为8度，建筑场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第一组，主厂房采用钢结构支撑框架体系，为避免地震时主要单体结构的相互影响，主厂房和集中控制楼通过抗震缝分隔；锅炉房与煤仓间采用滑动支座连接平台予以分离；输煤栈桥与厂房框架也采用滑动支座隔开。主厂房横向总长度为48.5m，其中汽机房跨度27m，除氧间跨度9m，煤仓间跨度12.5m。纵向柱距9m，总长108m。本厂房共设2个机炉单元，12.6m层为运转层，各楼层均采用压型钢板-混凝土组合楼板。屋盖结构采用由钢屋架+支撑+檩条+复合压型钢板组成的轻型屋面结构体系，设两台80/20t桥式吊车，厂房剖面图如图1所示。
使用通用有限元軟件SAP2000建立了该主厂房结构的三维有限元模型，如图2所示，建模中支撑都使用杆单元建立，不考虑屈曲，支撑与框架采用铰接，采用刚性楼板假设，钢材定义为各向同性的弹性材料。
3.模态分析结果
首先对结构进行了模态分析，取前3阶模态结果如表1所示，从模态分析结果可以看出，结构的一阶振型为沿纵向平动，二阶振型为沿横向平动，三阶振型为绕高度方向扭转。其中第三阶振型质量参与系数较大，可见结构扭转效应显著。
4.时程分析结果
假设结构阻尼为0.035，采用Newmark-β法对结构进行多遇地震地震下的时程分析，按照规范要求，选用El Centro波和Taft波两条天然波和一条人工波A1，取煤仓间与除氧间交界处C轴线各层标高位置作为计算点，各计算点在横向地震输入下的加速度反应和位移反应如图3所示。
从加速度响应可以看出，35m标高以上部分的加速度响应有显著放大，该部分为煤仓间突出的部分，可见该部分是具有明显鞭梢效应的。此外，在横向地震作用下，35m以下的部分纵向加速度反应较小，但35m以上部分有明显增大，这也说明煤仓间的突出部分扭转响应显著，可见在设计中应对该部分予以重视。
从位移响应可以看出，结构的层间位移角很小，基本都小于1/1000，这是可以满足《建筑抗震设计规范》中规定的多遇地震下层间位移角不大于1/300的要求的，即可以达到“小震不坏”的要求。另外，横向地震输入在引起结构横向位移的同时，也引起的显著的纵向位移，可见结构扭转效应显著。
5.结语
通过对某火力发电厂主厂房进行的时程分析可以发现，钢结构支撑框架体系可以保证火力发电厂主厂房的抗震性能满足设计要求，该体系的薄弱环节是煤仓间高出除氧间的部分以及整体结构的扭转效应，在设计中应予以充分重视。
此外，由有限元计算结果可以发现，钢结构支撑框架体系的主厂房结构仅对横向和纵向分别计算地震作用是无法体现结构扭转效应的，对于大型复杂结构的火力发电厂主厂房来说，应建立三维有限元模型进行时程分析验算。
参考文献
[1]孙雨宋，李炳益等.钢结构“支撑框架”体系用于火力发电厂主厂房的抗震性能研究和实践[D].2010全国钢结构学术年会论文集，2010，10：93-99.
[2]刘春刚.钢结构支撑框架结构体系在火力发电厂主厂房设计中的应用[J].武汉理工大学学报（工学版），2010，43（8）：121-124.
作者简介：魏颖（1978—），女，工程师，主要研究方向：火力发电厂土建结构设计。
通讯作者：曾聪（1981—），男，讲师，主要研究方向：结构动力分析和动力试验技术。
【关键词】钢结构支撑框架体系；火力发电厂；SAP2000；时程分析
火力发电厂主厂房由汽机房、除氧煤仓间、锅炉房、集中控制楼等单体结构构成，其中汽机房多为单层排架结构，除氧煤仓间和集中控制楼等多采用多层框架结构体系，这使得火力发电厂主厂房的结构体系兼具单层工业厂房与多高层建筑的特点，体型比较复杂，抗侧刚度和质量分布不均匀，在地震作用下容易出现抗震薄弱点，并发生平扭耦合效应。火力发电厂作为重要的生命线工程，其抗震性能是至关重要的。
钢结构支撑框架体系最早应用于多高层民用建筑中，东北电力设计院对于该结构体系在火力发电厂房中的应用和推广起到了至关重要的作用。孙雨宋等[1]在2010年与哈尔滨工业大学合作，完成了针对钢结构主厂房支撑框架结构体系的振动台试验和节点板试验，从试验角度证实了将该结构体系用于高烈度地区的大容量机组（如600MW）火力发电厂主厂房中是安全可行的。刘春刚[2]从工程设计角度介绍了支撑框架结构体系在工程实际中的应用方法。而从数值模拟角度进行的研究目前开展的还很少。
本文使用有限元软件SAP2000对某钢结构支撑框架体系的2×350MW机组的火力发电厂主厂房结构进行了弹性时程分析，并根据计算结果提出了钢结构火力发电厂房抗震设计中的薄弱点和一些需要注意的问题。
1.钢结构支撑框架体系
钢结构支撑框架结构体系是在纯钢框架体系的基础上发展演变出来的，由于大容量机组火力发电厂的出现，导致火力发电厂主厂房的层高和跨度都很大，质量和刚度分布很不均匀，此时钢结构框架的整体稳定性和抗侧刚度等问题就变得非常突出。钢结构支撑框架体系就是在部分框架柱之间设置竖向支撑，这种构造除了能够提高钢结构立柱的平面内整体稳定性之外，还形成了一种双重抗侧力体系，在一般风荷载和小震作用下，支撑能够显著提高结构静力抗侧刚度，在强震作用下，支撑还可以通过自身屈曲起到耗能的作用，即使支撑破坏，厂房结构也不会丧失竖向承载力。
2.工程概况及有限元模型建立
某2×350MW火力发电厂，建设地点抗震设防烈度为8度，建筑场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第一组，主厂房采用钢结构支撑框架体系，为避免地震时主要单体结构的相互影响，主厂房和集中控制楼通过抗震缝分隔；锅炉房与煤仓间采用滑动支座连接平台予以分离；输煤栈桥与厂房框架也采用滑动支座隔开。主厂房横向总长度为48.5m，其中汽机房跨度27m，除氧间跨度9m，煤仓间跨度12.5m。纵向柱距9m，总长108m。本厂房共设2个机炉单元，12.6m层为运转层，各楼层均采用压型钢板-混凝土组合楼板。屋盖结构采用由钢屋架+支撑+檩条+复合压型钢板组成的轻型屋面结构体系，设两台80/20t桥式吊车，厂房剖面图如图1所示。
使用通用有限元軟件SAP2000建立了该主厂房结构的三维有限元模型，如图2所示，建模中支撑都使用杆单元建立，不考虑屈曲，支撑与框架采用铰接，采用刚性楼板假设，钢材定义为各向同性的弹性材料。
3.模态分析结果
首先对结构进行了模态分析，取前3阶模态结果如表1所示，从模态分析结果可以看出，结构的一阶振型为沿纵向平动，二阶振型为沿横向平动，三阶振型为绕高度方向扭转。其中第三阶振型质量参与系数较大，可见结构扭转效应显著。
4.时程分析结果
假设结构阻尼为0.035，采用Newmark-β法对结构进行多遇地震地震下的时程分析，按照规范要求，选用El Centro波和Taft波两条天然波和一条人工波A1，取煤仓间与除氧间交界处C轴线各层标高位置作为计算点，各计算点在横向地震输入下的加速度反应和位移反应如图3所示。
从加速度响应可以看出，35m标高以上部分的加速度响应有显著放大，该部分为煤仓间突出的部分，可见该部分是具有明显鞭梢效应的。此外，在横向地震作用下，35m以下的部分纵向加速度反应较小，但35m以上部分有明显增大，这也说明煤仓间的突出部分扭转响应显著，可见在设计中应对该部分予以重视。
从位移响应可以看出，结构的层间位移角很小，基本都小于1/1000，这是可以满足《建筑抗震设计规范》中规定的多遇地震下层间位移角不大于1/300的要求的，即可以达到“小震不坏”的要求。另外，横向地震输入在引起结构横向位移的同时，也引起的显著的纵向位移，可见结构扭转效应显著。
5.结语
通过对某火力发电厂主厂房进行的时程分析可以发现，钢结构支撑框架体系可以保证火力发电厂主厂房的抗震性能满足设计要求，该体系的薄弱环节是煤仓间高出除氧间的部分以及整体结构的扭转效应，在设计中应予以充分重视。
此外，由有限元计算结果可以发现，钢结构支撑框架体系的主厂房结构仅对横向和纵向分别计算地震作用是无法体现结构扭转效应的，对于大型复杂结构的火力发电厂主厂房来说，应建立三维有限元模型进行时程分析验算。
参考文献
[1]孙雨宋，李炳益等.钢结构“支撑框架”体系用于火力发电厂主厂房的抗震性能研究和实践[D].2010全国钢结构学术年会论文集，2010，10：93-99.
[2]刘春刚.钢结构支撑框架结构体系在火力发电厂主厂房设计中的应用[J].武汉理工大学学报（工学版），2010，43（8）：121-124.
作者简介：魏颖（1978—），女，工程师，主要研究方向：火力发电厂土建结构设计。
通讯作者：曾聪（1981—），男，讲师，主要研究方向：结构动力分析和动力试验技术。