侯瑞航 周占學(xué)*,2 李 楊 袁曉聰 于 爽 白 哲

(1.河北建筑工程學(xué)院；河北 張家口 075000；2.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點實驗室，河北 張家口 075000；3.張家口市建筑設(shè)計院有限責(zé)任公司，河北 張家口 075000)

1 引 言

在當今社會發(fā)展的背景下，人類對建筑物抗震性能的要求日益提高，因此對土木工程行業(yè)有著更加嚴格的要求.在這種大的背景下，發(fā)電站中對汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的抗震安全性的研究也更加深入[1-5].本文即以擬動力的試驗方法對某1000 MW汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)的工程實例進行研究，本工程處在6度設(shè)防，三類場地條件下，此次探究其在6度多遇、6度罕遇以及7度罕遇三種工況下的受力特點及破壞特征，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)來對此汽輪機基礎(chǔ)的抗震安全性做出評價.

2 模型的設(shè)計與制作

本模型采用與原結(jié)構(gòu)相同的材料，依據(jù)相似原理制作縮尺比為1/10的鋼筋混凝土模型，該汽輪機基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，混凝土強度除底板為C30之外，上部結(jié)構(gòu)均采用C40商砼，模型各部分配筋率與原結(jié)構(gòu)保持一致，縱向鋼筋采用直徑為φ10，HRB400的鋼筋，箍筋采用直徑為φ8，屈服強度為HRB300的鋼筋，根據(jù)需要個別部位采用縱向鋼筋直徑為φ12，箍筋直徑為φ6的鋼筋，屈服強度上同.模型的平面圖、剖面圖如圖1所示.

為保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)達到強度要求，整個模型分四次澆筑，順序為：底板、一層平臺及以下部分、二層平臺及部分剪力墻、頂層梁及剪力墻，圖4為澆筑完成后的模型.經(jīng)立方體抗壓強度測試，各次澆筑的混凝土強度均滿足規(guī)范要求.模型澆筑完畢，按標準養(yǎng)護28天后開始進行抗震性能試驗.

該汽機基礎(chǔ)上下共分為三層，第一層高980 mm，第二層高1730 mm，總高度為2580 mm，總長為6870 mm，較一般汽機基礎(chǔ)為長，一共有6跨，有三個高壓缸且中間設(shè)置了兩道厚度為264 mm的鋼筋混凝土剪力墻，有效的增加了該汽機基礎(chǔ)的強度和穩(wěn)定性.

圖1 汽機基礎(chǔ)平面示意圖

圖3 汽機基礎(chǔ)高壓缸、發(fā)電機以及中間剪力墻處剖面圖

圖4 澆筑完成后的模型

3 擬動力試驗

3.1 地震波的選取

本次試驗采用人工合成地震波，合成地震波時應(yīng)該充分考慮工程實際所在地區(qū)的地震烈度、場地條件以及設(shè)計地震分組等.該汽輪機框架支撐結(jié)構(gòu)所在場區(qū)的抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計基本地震加速度為0.05 g，設(shè)計地震分組為第二組，場地類別為三類，阻尼比為0.05；本次擬動力試驗采用人工合成6度多遇、6度罕遇以及7度罕遇地震波，此次人工合成地震波的目標反應(yīng)譜為抗震規(guī)范提供的設(shè)計反應(yīng)譜.地震動峰值加速度為：6度多遇地震為2600 mm/s2,6度罕遇地震1840 mm/s2,7度罕遇地震為3200 mm/s2.三種合成地震波的加速度時程如圖所示.

6度多遇地震波

6度罕遇地震波

7度罕遇地震波

圖5試驗中所輸入的地震波

3.2 實驗加載裝置

本次試驗的原理示意圖如圖4所示，主要用到的實驗裝置有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)反力墻、電液伺服作動器、荷載傳感器、時事位移計、應(yīng)變箱和計算機組成，為了測試鋼筋節(jié)點與混凝土柱、梁的應(yīng)變，在梁和柱子的交接處貼上數(shù)個應(yīng)變片用以監(jiān)測鋼筋與混凝土在整個實驗過程中的應(yīng)變，應(yīng)變片的位置布置在柱Z1、Z4、Z7、Z12柱根以及發(fā)電機轉(zhuǎn)子端和高壓缸端的梁柱節(jié)點處，且在實驗過程中這些應(yīng)變片都要接在應(yīng)變箱上，利用計算機來時事保存其應(yīng)變數(shù)據(jù)，用以之后的分析.考慮到該發(fā)電機基礎(chǔ)模型澆筑時與反力墻的位置關(guān)系以及該模型采用擬動力試驗的可研究性，最終決定將該基礎(chǔ)模型頂部發(fā)電機轉(zhuǎn)子端的中間點處設(shè)置為液壓作動器的作用點，圖6為實驗原理簡圖，圖7為所用到的電液伺服加載作動器.

圖6 擬動力試驗原理簡圖

圖7 試驗所用電液伺服加載器

3.3 實驗過程

(1)首先要確定試驗?zāi)Ｐ偷闹匾獏?shù)：阻尼比、質(zhì)量、初始剛度、時間步長以及加速度峰值等，表一為該試驗?zāi)Ｐ椭饕獏?shù).

(2)將按相似比調(diào)整后的地震加速度輸入到設(shè)備中，而后將阻尼比、質(zhì)量以及時間步長輸入到設(shè)備中.

(3)由計算機計算出某一時刻x的位移值，并通過電液伺服作動器將位移施加到模型上.

(4)施加完某一時刻x的位移后，此時再通過荷載傳感器去測得模型此時的恢復(fù)力的大小，并反饋給計算機.

(5)由計算機得到的荷載傳感器反應(yīng)回來的恢復(fù)力以及上一步加載的位移大小來計算下一時刻即x+1時刻應(yīng)當施加在模型上的位移值.

(6)不斷重復(fù)上述的計算和加載過程，直到試驗結(jié)束.

本次試驗共分為三種工況：

工況一：該模型在6度多遇地震下的擬動力試驗.

工況二：該模型在6度罕遇地震下的擬動力試驗.

工況三：該模型在7度罕遇地震下的擬動力試驗.

表1 三種工況下的試驗重要參數(shù)

4 試驗結(jié)果分析

4.1 臺板的地震響應(yīng)

實驗結(jié)束后，得到了臺板在地震作用下的加速度、速度以及恢復(fù)力響應(yīng)，如圖7所示.根據(jù)試驗結(jié)果所得數(shù)據(jù)可以看出臺板的最大加速度在6度多遇、6度罕遇、7度罕遇三種工況下分別為338 mm/s2、2870 mm/s2、6010 mm/s2.分別是輸入地震波最大加速度的1.3、1.35和1.56倍(輸入的地震波最大加速度為6度多遇26 mm/s2,6度罕遇184 mm/s2，7度罕遇320 mm/s2)，即動力放大系數(shù)為1.3、1.56和1.88，可以看出該汽機基礎(chǔ)的減震性能良好，低于普通汽機基礎(chǔ).

4.2 變形性能

通過布置的位移計可測得模型各個部位在實驗過程中各時間段的位移值，通過表3可知高壓缸側(cè)與低壓缸側(cè)的最大位移值，高壓缸側(cè)的最大位移值為3.9 mm，低壓缸側(cè)的最大位移值為3.0 mm，均出現(xiàn)在7度罕遇的工況下，從表中可以看出無論在哪種工況下低壓缸側(cè)的頂板位移都要比同等高度下高壓缸側(cè)的頂板位移小一些，這跟模型兩側(cè)梁柱構(gòu)件的疏密有關(guān)，說明在低壓缸側(cè)設(shè)置的三道柱、兩層板以及一道短板在維護模型整體穩(wěn)定性上起到了一定的作用.

圖8 各工況下臺板的加速度響應(yīng)

表2 低壓缸與高壓缸處的最大位移值

表4為該基礎(chǔ)不同位置處的最大層間位移角，由表3可知該基礎(chǔ)的最大層間位移角出現(xiàn)在高壓缸側(cè)二層平臺到底板處，在6度多遇、6度罕遇以及7度罕遇三種工況下的數(shù)值分別為1/2783、1/1521、1/465，完全滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震作用下層間位移角的限值(多遇地震作用下層間位移角限值為[1/550],罕遇地震作用下層間位移角限值為[1/50])[7].

表3 各工況下不同位置的層間位移角

4.3 鋼筋應(yīng)變

本次試驗的準備階段，在模型澆筑之前預(yù)先在梁柱節(jié)點處的鋼筋上貼上了鋼筋應(yīng)變片用以記錄試驗過程中鋼筋的應(yīng)變，表5為不同梁柱節(jié)點處的鋼筋應(yīng)變，從表中數(shù)據(jù)能夠看出鋼筋的最大應(yīng)變出現(xiàn)在7度罕遇地震工況下的Z4柱子的根部，其應(yīng)變值為1183×10-6，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》可知，鋼筋的屈服應(yīng)變約為2000×10-6，實測鋼筋最大應(yīng)變值遠小于鋼筋的屈服應(yīng)變.

表4 各工況下不同位置處的鋼筋應(yīng)變(×10-6)

4.4 裂縫的開展情況

在試驗的過程中，隨時觀察并記錄了裂縫的開展情況，模型在6度多遇的地震波下基本沒有出現(xiàn)裂縫，說明模型的變形很小，結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)破壞，在6度罕遇的地震波下模型用肉眼幾乎看不到裂縫，在施工薄弱部位例如梁柱交接的根部出現(xiàn)了些許非常微小的裂縫，說明此處是結(jié)構(gòu)的受力薄弱區(qū)，施工時應(yīng)當設(shè)置加固措施，在7度罕遇地震波下，模型出現(xiàn)了肉眼可查的細微裂縫，大多集中在施工質(zhì)量較差部位、養(yǎng)護不達標(混凝土表面水泥水化不充分處)以及結(jié)構(gòu)受力薄弱區(qū)，但整體來說模型結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的裂縫少而細，淺而短，因此可以判斷該汽機基礎(chǔ)在這三種地震波下，結(jié)構(gòu)基本完好，均處于安全狀態(tài).試驗完成后基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上的裂縫如圖9所示.

圖9 z1柱根處的裂縫

5 結(jié) 論

擬動力試驗處于振動臺試驗以及擬靜力試驗兩種試驗方法之間，能夠彌補以上兩種試驗方法的不足，既能對結(jié)構(gòu)輸入動態(tài)荷載又能隨時觀察基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的破壞過程，并且發(fā)電機基礎(chǔ)大多都為單自由度體系的簡單結(jié)構(gòu)，非常適合進行擬動力試驗.

本次擬動力試驗的結(jié)果表明，該汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)在6度多遇、6度罕遇、以及7度罕遇三種地震力下都表現(xiàn)出了很好的抗震性能.從基礎(chǔ)頂層臺板的動力放大系數(shù)上看該汽輪機基礎(chǔ)頂層的動力放大系數(shù)較低，處于地震作用下具有較好的減震效果，有利于其上汽輪機保持安全平穩(wěn)；從該基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的層間位移角上分析，可知該基礎(chǔ)模型無論從頂層到底部還是從二層平臺處到底部的層間位移角值都完全滿足規(guī)范要求，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)處于微形變狀態(tài)；從基礎(chǔ)模型兩端及中間部位的柱底處鋼筋應(yīng)變值考慮，該基礎(chǔ)模型在三種工況下的柱底的鋼筋應(yīng)變值都遠遠小于屈服應(yīng)變，基礎(chǔ)模型始終保持在彈性應(yīng)變范圍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)各部分構(gòu)件都保持完整的承載力；基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在實驗結(jié)束后只在施工薄弱部位出現(xiàn)了微小的裂縫，并不影響基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的承載能力；綜合以上各種指標可以判定該基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在6度多遇、6度罕遇、7度多遇三種地震強度下其承載力未受到明顯影響，能夠保證其上部汽輪機組的安全運行.