杜宁军， 白国良， 赵金全， 赵欣刚

(1. 西安理工大学 土木建筑工程学院，西安 710048； 2. 西安建筑科技大学 土木工程学院，西安 710055)

作为一种适用于核电厂常规岛汽机主厂房的新型结构体系，型钢混凝土框排架混合结构从概念设计上讲，具有刚度大、稳定性好、防火、防腐蚀性能好、风载适应性好等优点[1]。同时，从对火电厂汽机主厂房结构的相关研究中可以发现，采用型钢混凝土结构可以起到减小自重、增大使用空间、改善结构受力、提高抗震性能等作用[2-4]。国内外对火电厂汽机主厂房的动力特性也进行过大量研究[5-7]。

然而，由于工艺的要求，核电厂常规岛汽机主厂房在结构布置、荷载大小与分布、薄弱部位等方面与传统火电厂“三列式”主厂房有较大差异：①火电厂汽机主厂房结构通常由多层煤仓间、除氧间框架结构与汽机房排架组成，而核电厂常规岛汽机主厂房结构主要由汽机房排架以及除氧间框架结构组成。从结构高度上来说，火电厂主厂房框架部分高度更高，而核电厂主厂房排架部分更高。②两种结构体系汽轮发电机组及其配套设施等大型设备布置位置有所不同，因此，结构各个部位的荷载大小与分布有较大差异。③火电厂汽机主厂房的薄弱部位主要集中在柱底及煤斗大梁处。核电厂常规岛主厂房中没有煤仓间和煤斗大梁，结构的薄弱部位必然有所变化。因此，提出一种适用于核电厂常规岛主厂房的新型结构体系，对其进行试验研究及有限元分析，了解此种结构的薄弱部位，掌握其基本受力性能和规律，具有重要的现实意义。

结构的动力特性能够反映结构的质量与刚度分布，并在一定的程度上决定了结构在动力荷载作用下的响应，是解决工程共振、结构抗震计算、判断建筑结构累积损伤的基础[8]。对适用于核电厂常规岛汽机主厂房的型钢混凝土框排架混合结构的动力特性进行研究，主要有以下两方面的目的：①确定模型结构拟动力试验的加载比；拟动力试验之前，需要通过动力特性试验及有限元分析得到模型结构的质量矩阵和基本模态，然后采用振型分解反应谱法，计算得到拟动力试验时各个作动器的加载比。②核电厂常规岛汽机主厂房内安装着大量工业动力设备，此种设备在运行时会产生振动。因此，获得此种结构体系的动力特性参数，可以避免结构体系与设备产生共振，从而避免重大财产损失及人员伤亡。

本文按照1/7的缩尺比制作了某1 400 MW大型电厂型钢混凝土框排架混合结构汽机主厂房的试验模型，采用锤击法测试了模型结构的动力特性，同时对大型电厂型钢混凝土框排架混合结构汽机主厂房的原型及试验模型结构分别进行了有限元建模分析，计算了结构的模态参数，了解了结构的动力特性，为研究该种结构的抗震性能提供了依据。

1 试验概况

1.1 模型结构的设计与制作

选取按照8度(0.2g)Ⅲ类场地设计的某1 400 MW大型电厂型钢混凝土框排架混合结构汽机主厂房作为原型结构。原型结构长125 m，由11个开间组成，共12榀，柱距10 m，13 m；宽55.5 m(其中汽机房宽42.5 m，除氧间宽13 m)，结构总高度为40.6 m。原型结构典型剖面如图1所示。考虑到试验室场地条件及试件制作的可行性，同时为了更深入地了解和掌握结构的动力特性及薄弱部位，根据结构布置的特点，选取含有汽机跨、除氧间两跨三榀型钢混凝土框排架子结构，按照1/7缩尺比制作了试验模型结构。

图1 原型结构主厂房剖面图Fig.1 Profile view of prototype main factory building structure

模型结构的平面轴线尺寸为3 600 mm×5 800 mm，高度5 800 mm。所有柱子均采用内置H型钢的型钢混凝土柱。横向梁采用内置H型钢的型钢混凝土梁，其余纵向梁和所有楼板采用钢筋混凝土结构。梁、柱混凝土强度等级为C45。楼板混凝土强度等级为C35，板厚50 mm。模型内置型钢为Q235钢。梁、柱箍筋为HPB300级钢筋，直径3.5 mm；梁、板、柱受力钢筋均为HRB400级钢筋。模型构件的配筋参照原型结构并根据相似关系计算得出，充分考虑模型比例缩小后的抗震构造措施，调整配筋设置。型钢混凝土框排架混合结构汽机主厂房的原型结构采用钢桁架屋架，在制作模型结构时进行了适当的简化，保证其具有较大的刚度，钢屋架与柱顶采用铰接的连接方式。

模型结构平面布置，如图2所示。模型结构制作完成后，如图3所示。

图2 模型平面布置图Fig.2 Layout of experimental model structure

图3 试验模型Fig.3 Experimental structure

根据原型结构的荷载布置，受试件尺寸的制约，模型结构所配竖向配重为模型满载条件下的20%，并根据配重不足条件确定了模型结构与原型结构的相似关系[9]，如表1所示。

表1 模型相似关系

1.2 模型结构动力特性测试仪器的选用

本次动力特性测试采用INV-306型智能信号采集处理分析系统。该系统由中国东方振动和噪声研究所研制，最低采样频率0.001 Hz，最高采样频率100 kHz，采样分析精度常规A/D12位，常规幅值误差<0.1%，频率误差<0.01%。试验中采用DASP分析软件，10个891-Ⅱ型水平速度传感器(有效频率范围0.001～100 Hz)、2台伺服放大器，通过伺服放大器将拾振器采集到的信号传送至数据处理系统，从而完成信号的转换与存储。通过计算机进行现场监测示波、波形记录、波形的处理分析以及数据和图像的输出[10]。

1.3 模型结构动力特性测试方法及测点布置

本次试验采用锤击法，通过力锤激励模型结构产生水平自由振动，然后通过数据采集处理分析系统记录相应的结构自由振动衰减曲线，最后通过该曲线求得结构的频率、振型及阻尼系数等。

为获得结构沿水平方向的自振频率和振型，本次试验测点布置在振型曲线上位移较大的部位；平面布置时，测点布置在结构各段的刚度中心处[11]。测点布置如图4和图5所示。

进行动力特性测试时，因为汽机主厂房模型结构的层数很多而拾振器的数量有限，采用跑点法进行测试，即选用2.75 m楼面测点作为固定参考点(f1)，拾振器不动，对其他计划测点用少量拾振器进行跑点测试。此次测试分两组进行，东西向及南北向。动力特性测试在平行于东西向进行采样，在平行于南北向进行复测。拾振器在安装时，需要与测点表面固结、保持水平、与测量方向保持一致。每次测量时各个测点的测量方向也需完全相同。

图4 东西向拾振器布置图(4，5，6轴)Fig.4 NS-trending arrangement of vibration pickups

图5 南北向拾振器布置图Fig.5 EW-trending arrangement of vibration pickups

一般而言，动力特性实测时需选择外界干扰较小的采样环境以及合适的观测时长[12]。型钢混凝土框排架汽机主厂房动力特性测试选在实验室下班、吊车停止工作、工作人员较少的傍晚进行，每次采样240～280 s。

1.4 模型结构有限元分析及试验参数的确定

为了在动力特性实测时选择合适的测试参数、验证有限元模型和动力特性试验结果的正确性，需要在现场实测前建立型钢混凝土框排架混合结构汽机主厂房模型结构的有限元模型，并进行动力特性的预估。

1.4.1 单元的选取

采用ABAQUS软件建立型钢混凝土框排架混合结构汽机主厂房的试验有限元模型。其中，梁、柱混凝土均采用8节点实体单元C3D8模拟，梁柱中的内置型钢及楼板采用4节点缩减积分壳单元S4R模拟，钢筋采用三维杆单元T3D2单元模拟。由于整个汽机主厂房结构屋盖刚度较大，为了简化计算，将屋盖简化为平面内刚度较大的梁进行模拟。屋盖梁采用三维线性梁单元B31模拟，并与排架柱顶铰接。

1.4.2 有限元计算结果及试验参数的确定

ABAQUS模态分析是线性分析，通过创建一个分析步，并将其设置为线性摄动-频率来进行振型分析[13]。ABAQUS计算得到的结构前3阶振型，如图6所示。

图6 模型结构振型图Fig.6 Mode shapes of experimental model

动力特性测试采样时，为了过滤掉不必要的高频成份，且保证采样后的离散信号是唯一确定的原始连续信号，需使采样频率fs≥2.56fc，其中fc是原始信号的截断频率[14]。根据ABAQUS有限元软件模态分析结果，型钢混凝土框排架汽机主厂房模型结构的一阶频率为3.697 Hz，动力特性测试时截断频率适当进行放大，取为40 Hz。采样频率根据上述要求，取为102.4 Hz。

2 模型结构动力特性测试试验结果

型钢混凝土框排架汽机主厂房模型结构动力测性试验时认为锤击模型结构重心所引起的响应是一种随机过程，并且假定该随机过程是各态历经的平稳过程。采用单输入多输出(Single Input Multiple Output, SIMO)，试验时保持一个测点的位置不动，并以此作为结构系统的输入，其余测点的反应作为结构的回应。当DASP软件完成所有测点的采样之后，就可以进行模态分析和计算了。对于频域法模态分析，通常包括传递函数计算、模态定阶、模态拟合和振型编辑。

模型结构测试中的响应传递函数分析, 如图7所示。

图7 模型结构响应传递函数分析(东西向)Fig.7 Response transfer function analysis of model structure(NS-trending)

传递函数计算完成后，采用集总平均进行模态定阶，GLOBAL拟合方法进行模态拟合，振型归一进行行模态振型编辑，计算各阶振型。

通过锤击法测得的模型结构前3阶动力特性参数值，如表2所示。由表2可知，模型结构1阶振型以横向平动为主，第2阶振型以纵向平动为主，第3阶振型表现为平面扭转。由于模型结构横向刚度弱于纵向刚度，所以模型结构动力特性第1阶振型表现横向平动。第3阶以后，模型结构的振型大多为局部振动，周期、频率等都有明显变化，说明模型结构的振动以前3阶振型为主。

表2 模型结构动力特性参数值

对比动力特性实测与ABAQUS计算结果可知：有限元计算结果与动力特性实测结果接近，表明试验中测点布置合理、测试方法正确，有限元建模方法正确。

3 模型结构拟动力试验及加载比的确定

3.1 模型结构拟动力试验加载比的确定

在完成了模型结构的动力特性实测后，进行了模型结构的拟动力试验。

考虑到结构的质量分布、作动器的布置以及试验室的实际条件，采用三个MTS液压作动器进行加载，三个作动器中心的高度分别为5 600 mm(5.8 m层)；2 635 mm(2.75 m层)；1 335 mm(1.45 m层)。三个作动器中心点处的高度从地梁顶面起算，如图8所示。

图8 拟动力试验作动器布置图Fig.8 Arrangement of actuators during the pseudo-dynamic test

作动器加载比的具体确定过程如下：

(1) 基本原则。

拟动力试验时采用等效单自由度试验方法，即试验加载时以结构的第一振型为主，结构各层的地震作用按倒三角分布。根据模型结构的质量矩阵和动力特性测试得出的结构基本模态，采用振型分解反应谱法，计算三个作动器的加载比。

(2) 模型结构质量矩阵的确定。

整体模型试验使用沙袋和钢块来模拟竖向荷载作用。将结构质量和配重质量凝聚在作动器所在的位置，就得到了模型结构的质量矩阵。

式中：m1，m2，m3分别为5.8 m层、2.75 m层及1.45 m层凝聚后的质量。

(3) 结构的基本模态。

动力特性实测时可以获得各个测点的水平相对位移，将一阶振型5.8 m层、2.75 m层及1.45 m层各测点的水平相对位移分别进行平均，即可得结构的基本模态

{u1∶u2∶u3}={1∶0.957∶0.721}

式中：u1、u2、u3分别为一阶振型5.8 m层、2.75 m层及1.45 m层水平相对位移。

(4) 三个作动器加载比的确定。

按照我国《建筑结构抗震设计规范》[15]的规定，采用振型分解反应谱法计算结构j振型i质点的水平地震作用标准值时，按下列公式确定

Fji=αjγjXjiGi

(1)

(2)

式中：Fji为j振型i质点的水平地震作用标准值；αj为相应于j振型自振周期的地震影响系数；αj为j振型i质点的水平相对位移；γj为j振型的参与系数。

对于型钢混凝土框排架结构汽机主厂房，按照振型分解反应谱法计算结构5.8 m层、2.75 m层、1.45 m层三个作动器的加载比为

F1∶F2∶F3=X11G1∶X12G2∶X13G3=
u1m1∶u2m2∶u3m3=0.36∶0.81∶1.00

拟动力试验时，对模型结构输入沿着东西向加速度峰值100 gal，350 gal，1 000 gal，1 500 gal，2 000 gal(相当于实际原型结构0.02g，0.07g，0.20g，0.30g，0.40g)的El-Centro地震波。加载过程中模型结构经历了弹性、开裂、屈服等阶段。根据模型结构位移反应时程曲线，可以求得模型结构在各个阶段的动力特性参数。

3.2 拟动力试验裂缝开展及破坏现象

输入加速度峰值100 gal时，模型结构中未观测到裂缝出现，整个模型结构处于弹性阶段。

输入加速度峰值350 gal时，模型底层F列柱和框排架交接柱(E列柱)柱底开始出现水平细微裂缝。其余部位未出现裂缝，结构整体刚度下降不大。

输入加速度峰值1 000 gal时，柱底原有裂缝继续向两侧延伸，并伴有新裂缝产生。此时，在4.85 mE轴梁及框排架交接处短柱产生裂缝。

输入加速度峰值1 500 gal时，模型各构件原有裂缝继续发展，各个构件裂缝开展较充分，部分构件裂缝已经贯通，但是B列柱的裂缝仍较少。

输入加速度峰值2 000 gal时，模型结构各构件出现大量裂缝，并延伸贯通。各柱柱底混凝土基本上已经被压酥剥落，纵筋及箍筋都已屈服。框排架交接处短柱柱根破坏也较严重。在此工况下，构件裂缝大量开展，结构刚度下降较大。结构破坏情况如图9所示。

图9 结构破坏情况Fig.9 Failure modes of the structure

4 汽机主厂房原型结构动力特性有限元分析

4.1 原型结构有限元模型的建立

为了验证原型结构与模型结构相似关系的正确性，同时为了进一步了解型钢混凝土框排架混合结构汽机主厂房整体结构的动力特性，以避免动力设备自身的振动与整体结构产生共振，需要对原型结构的动力特性进行研究。原型结构共12榀，梁、柱构件及内置钢筋、型钢等部件较多，ABAQUS建模工作量大且耗时较多，因此采用SAP2000建立原型结构的有限元模型。

4.2 汽机主厂房原型结构动力特性计算结果

原型结构的周期、振型及频率计算结果，如表3所示。

表3 原型结构动力特性参数计算结果

原型结构的前3阶振型图，如图10所示。

图10 原型结构振型图Fig.10 Mode shapes of prototype model

SAP2000动力特性分析结果表明：结构的1阶振型为整体横向平动，伴随扭转振动；2阶振型为整体纵向平动，并伴随扭转振动；3阶振型为扭转振动。从3阶振型以后，振型从前3阶的整体平动或扭转变为结构的局部振动。

4.3 相似关系的验证

原型结构与试验结果通过相似关系(见表1)换算得到的周期，如表4所示。

表4 结构周期对比

由表4可知：

(1) 原型结构有限元计算结果略大于试验结果通过相似关系(见表1)换算得到的结果，这主要是因为模型结构缩尺后的尺寸效应、有限元计算过程中的简化以及模型制作过程材料特性等方面的差异造成。然而两者的差值不超过15%，综合可以认为两者的结果具有较好的一致性。试验与有限元分析一致，说明模型与原型结构动力相似的正确性，同时对原型结构的弹塑性时程分析提供了重要参考[16]。

(2) 动力特性实测扭转第1周期与平动第1周期之比为0.725，有限元计算扭转第1周期与平动第1周期之比为0.811。结构扭转为主的第1自振周期与平动为主的第1自振周期比较接近，由于振动耦联的影响，结构的扭转效应比较明显。这是因为由于工艺的要求，型钢混凝土框排架混合结构汽机主厂房运转层放置着除氧器、排气管道等大型设备，设备布置造成了结构刚度、质量在平面上的偏心，从而导致结构扭转。

5 结构动力特性参数变化规律分析

5.1 周 期

结构拟动力试验位移反应最后100步为自由振动反应，通过位移时程曲线可以计算模型结构在输入峰值加速度100 gal，350 gal，1 000 gal，1 500 gal，2 000 gal(相当于实际原型结构0.02g，0.07g，0.20g，0.30g，0.40g)的基本周期，如图11所示。并且根据前述原型与模型的动力相似关系可得到原型结构的基本周期，如表5所示。

图11 拟动力试验模型结构位移反应时程曲线及周期Fig.11 Displacement time history responses of pseudo-dynamic test and period of the model structure

工况模型结构基本频率/Hz基本周期/s原型结构基本频率/Hz基本周期/s试验前3.7220.2690.6291.591100 gal3.5940.2780.6081.645350 gal3.3700.2970.5691.7571 000 gal2.9310.3410.4962.0171 500 gal2.6290.3800.4442.2482 000 gal2.2330.4480.3772.650

由表5可知：模型结构在输入峰值加速度100 gal El-Centro地震波作用下，基本频率很小，处于弹性阶段；模型结构在输入峰值加速度350 gal El-Centro地震波作用下，和试验前相比，基本频率减小幅度较大，此时模型结构中开始出现裂缝，整体刚度开始下降；模型结构在输入峰值加速度1 000 gal，1 500 gal El-Centro地震波作用下，基本频率继续减小，模型结构中的原有裂缝继续发展，新的裂缝不断出现；模型结构在输入峰值加速度2 000 gal El-Centro地震波作用下，基本频率仅为试验前基本频率的59%，此时模型结构刚度下降较多，裂缝充分开展，结构破坏严重。结构的周期变化规律与拟动力试验裂缝发展及破坏现象吻合。

5.2 阻 尼

采用等效黏滞阻尼系数来衡量模型结构的耗能能力。模型结构在输入不同峰值加速度El-Centro地震波作用下相应的等效黏滞阻尼系数，如图12所示。

图12 不同工况下模型结构阻尼变化规律Fig.12 Change rule of damping under different conditions

通过图12可知：拟动力试验当输入峰值加速度为100 gal时，模型结构的阻尼较小，处于弹性阶段；随着输入峰值加速度的增加，模型结构的阻尼开始变大，此时结构裂缝开始充分发展；在输入峰值加速度达到2 000 gal时，模型结构的等效黏滞阻尼增大至100 gal的2.8倍。结构的阻尼变化规律也与上述拟动力试验的试验现象相吻合。

6 结 论

本文通过对适用于核电厂常规岛汽机主厂房的型钢混凝土框排架混合结构进行动力特性试验，得到了模型结构的周期、振型、阻尼比等动力特性参数，同时建立了试验模型结构及原型结构的有限元模型，进行了动力特性计算分析。通过试验与有限元分析结果确定了模型结构拟动力试验的加载比，得到了拟动力试验时结构的周期、阻尼等动力特性参数的变化规律。所得主要结论如下：

(1) 适用于核电厂常规岛汽机主厂房的型钢混凝土框排架混合结构1阶振型以横向平动为主，2阶振型以纵向平动为主，3阶振型表现为平面扭转。

(2) 根据模型结构的质量矩阵和动力特性测试得出的结构基本模态，采用振型分解反应谱法得到的模型结构5.8 m层、2.75 m层、1.45 m层三个作动器的初始加载比为0.36∶0.81∶1.00。

(3) 原型结构有限元计算结果与动力特性测试通过相似关系换算得到的结果基本一致，说明模型与原型动力相似的正确性，同时对原型结构的弹塑性时程分析提供了重要参考。

(4) 结构扭转为主的第1自振周期与平动为主的第1自振周期比较接近，扭转效应比较明显。在进行大型电厂型钢混凝土框排架结构汽机主厂房及类似结构的设计时，建议采用增大地震作用等方法考虑扭转效应的影响。

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