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摘要: 本文以窑尾余热锅炉底部钢框架为例，详细叙述了在进行建模、分析、设计等过程中应注意的问题以及如何结合中国规范对设计参数进行调整，进而归纳总结出一套计算不规则结构形式应力的合理方法，最终实现使结构设计适应复杂情况下工艺要求的目的。
关键词: 不规则结构；余热锅炉；SAP2000;振型分解反应谱法；底部剪力法
Abstract: in this paper the bottom end of the waste heat boiler steel frame as an example, this paper describes the modeling, analysis, design and the problems in the process and how to combine China rules for design parameters adjustment, and then summed up a set of irregular structure form stress calculation of rational method, and finally achieve the design structure to adapt to the complex cases technical requirements of purpose.
Keywords: irregular structure; Waste heat boiler; SAP2000; Vibration mode decomposition response spectrum method; Bottom shear method
中圖分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
1引言
当前所实施的余热发电项目多为在原有车间基础上的改造项目，由于空间局限性大，所以不得不考虑用不规则的结构形式来满足工艺上的要求。由于不规则结构形式的特殊性，使得对其进行受力分析变得比较复杂，因此，寻求一种科学合理的不规则结构形式应力计算方法事在必行。
2工程概况及计算模型
本工程位于城市郊区，主要由两部分组成：上部为模拟的余热锅炉实体，下部为用于支撑锅炉的二层斜立柱钢框架。结合工程实际，结构设计成了上小下大的斜立柱钢框架。抗震设防烈度7度，设计地震分组为第三组，设计基本地震加速度为0.10g，场地类别为II类，基本风压0.33kN/m2,采用Q235钢材。
3模型的建立及参数的选取
SAP2000是一个功能强大的结构分析软件，针对不同的工程有不同的程序执行步骤和参数选取方式，下面结合本例介绍模型的建立和参数的选取及运行的流程。
（1）以本文研究的钢结构框架为例，程序运行的基本流程如下：
建立轴网→定义材料→定义截面→绘制构件→施加支座约束→定义荷载→定义荷载工况→定义质量源→对模型施加荷载→检查模型及输入的荷载→初次运行分析→查看结果、调整荷载→二次运行分析→查看分析结果→设置设计首选项→初次运行交互式钢框架设计→查看设计结果、对超限构件进行修改→三次运行分析→二次运行交互式钢框架设计→运行校核分析与设计截面→输出设计结果。
（2）风荷载的输入：
在进行结构分析时，对于不同的风向，需要定义多个风荷载工况。对于本例来讲，结构在立面上有明显的收缩，且下部钢框架无填充墙，而上部锅炉实体外表面为整个迎风面，选择风力作用面来自面对象。在φ-z选项区域中，本例应选择模态分析法。第一周期来源也选择模态分析。另外一个需要修改的参数是阻尼比，本例中结构总高度达到51.7米，应取阻尼比为0.03。
（3）地震荷载的输入
目前抗震计算方法主要有底部剪力法、振型分解反应谱法和时程分析法。下面分别就前两种常用方法做一介绍，并以本例为模型，比较两种方法计算结果的差异。
底部剪力法： 在SAP2000中，对于考虑多个方向地震力的情况，需要分别定义多个方向的地震荷载工况。底部剪力法可以考虑X方向、Y方向或Z方向的地震作用以及偶然偏心。本例中选择chinese2002,则采用中国2002抗震规范，在地震系数区域中，输入与地震作用相关的规范参数。阻尼比同风荷载。周期折减系数本例取0.7。其余参数默认。设置完参数、定义好自动地震荷载工况后，程序会自动将其施加到结构上，无需人为指定。
振型分解反应谱法：采用此方法时，对于单向水平地震效应组合方法，我国新建筑规范中增加了考虑两个主轴方向同时施加地震作用，以及双向水平地震作用效应的组合，即取一个方向100％的值与另一个方向85％的值的“平方和平方根组合”。在SAP2000中要利用振型分解反应谱法计算地震力，首先要定义反应谱函数，然后定义分析工况。对于反应谱函数，本例选择chinese 2002 spectrum(中国2002规范反应谱)，里面地震参数的修改同底部剪力法。当定义的是单方向的工况时，振型组合和方向组合不起作用，此时添加定义过的反应谱函数，要注意将比例系数改为9.8（全局单位是KN,m，C的情况下），然后修改阻尼比为0.04（对于本例）。抗震规范规定对于质量和刚度分布明显不对称的结构，应计入双向地震作用下的扭转影响，当需要计入双向地震作用时，需要在施加的荷载选项中同时选择U1和U2两个方向，此时，振型组合选项按照中国规范通常选择CQC(耦联)，对于方向组合由于新版SAP2000 V14版本取消了修正的SRSS(中国)，所以只能选择SRSS选项，然后在施加的荷载项中调整某个方向反应谱函数的比例系数，以达到中国规范要求的取一个方向100％的值与另一个方向85％的值的“平方和平方根组合”。具体添加方式为：当定义以X向为主的分析工况时，将U1方向的比例系数设置为9.8，将U2方向的比例系数设置为8.33；当定义以Y向为主的分析工况时，将U1方向的比例系数设置为8.33，将U2方向的比例系数设置为9.8。需要注意的是，如果要考虑双方向组合的工况 ，在定义双向反应谱工况的同时也要定义各单向的反应谱工况。
对于本例，两种计算方法得出的结果对比如下：
基底反力：
通过以上分析结果的对比可以发现：两种分析方法求得的最大轴力工况下的基底反力完全一致，其它工况下的基底反力差别相对较大，作为主要受力构件的柱子内力计算结果比较接近；两种计算方法得到的顶点位移偏差是比较明显的，以44#节点为例，U2方向的位移：底部剪力法为4.503mm,而反应谱法为10.439mm,偏差率132%。
这些误差主要是由于底部剪力法只考虑结构第一振型，忽略了高阶振型对结构内力和变形的影响，对于第一振型起绝对控制作用的较低结构是基本可以接受的，但对于高层建筑则会带来较大的误差。
因此针对类似本例的窑尾余热锅炉建议采用振型分解反应谱法进行计算。
4结语：在满足工程需要的同时，如何最大限度的减少结构的不规则性
要最大限度的减少结构的不规则性，主要是结构平面布置时要限制结构的扭转效应。国内、外历次大地震震害表明，平面不规则、质量与刚度偏心和抗扭刚度太弱的结构，在地震中受到严重的破坏。对结构的扭转效应需从两个方面加以限制: (1)限制结构平面布置的不规则性，避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。
(2)限制结构的抗扭刚度不能太弱。关键是限制结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比。
参考文献
[1]北京金土木软件技术有限公司，中国建筑标准设计研究院.SAP2000中文版使用指南[M]2006.
[2] GB50011-2010 建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
[3] 陈昌宏. SAP2000结构工程案例分析[M].北京：冶金工业出版社，2010.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词: 不规则结构；余热锅炉；SAP2000;振型分解反应谱法；底部剪力法
Abstract: in this paper the bottom end of the waste heat boiler steel frame as an example, this paper describes the modeling, analysis, design and the problems in the process and how to combine China rules for design parameters adjustment, and then summed up a set of irregular structure form stress calculation of rational method, and finally achieve the design structure to adapt to the complex cases technical requirements of purpose.
Keywords: irregular structure; Waste heat boiler; SAP2000; Vibration mode decomposition response spectrum method; Bottom shear method
中圖分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
1引言
当前所实施的余热发电项目多为在原有车间基础上的改造项目，由于空间局限性大，所以不得不考虑用不规则的结构形式来满足工艺上的要求。由于不规则结构形式的特殊性，使得对其进行受力分析变得比较复杂，因此，寻求一种科学合理的不规则结构形式应力计算方法事在必行。
2工程概况及计算模型
本工程位于城市郊区，主要由两部分组成：上部为模拟的余热锅炉实体，下部为用于支撑锅炉的二层斜立柱钢框架。结合工程实际，结构设计成了上小下大的斜立柱钢框架。抗震设防烈度7度，设计地震分组为第三组，设计基本地震加速度为0.10g，场地类别为II类，基本风压0.33kN/m2,采用Q235钢材。
3模型的建立及参数的选取
SAP2000是一个功能强大的结构分析软件，针对不同的工程有不同的程序执行步骤和参数选取方式，下面结合本例介绍模型的建立和参数的选取及运行的流程。
（1）以本文研究的钢结构框架为例，程序运行的基本流程如下：
建立轴网→定义材料→定义截面→绘制构件→施加支座约束→定义荷载→定义荷载工况→定义质量源→对模型施加荷载→检查模型及输入的荷载→初次运行分析→查看结果、调整荷载→二次运行分析→查看分析结果→设置设计首选项→初次运行交互式钢框架设计→查看设计结果、对超限构件进行修改→三次运行分析→二次运行交互式钢框架设计→运行校核分析与设计截面→输出设计结果。
（2）风荷载的输入：
在进行结构分析时，对于不同的风向，需要定义多个风荷载工况。对于本例来讲，结构在立面上有明显的收缩，且下部钢框架无填充墙，而上部锅炉实体外表面为整个迎风面，选择风力作用面来自面对象。在φ-z选项区域中，本例应选择模态分析法。第一周期来源也选择模态分析。另外一个需要修改的参数是阻尼比，本例中结构总高度达到51.7米，应取阻尼比为0.03。
（3）地震荷载的输入
目前抗震计算方法主要有底部剪力法、振型分解反应谱法和时程分析法。下面分别就前两种常用方法做一介绍，并以本例为模型，比较两种方法计算结果的差异。
底部剪力法： 在SAP2000中，对于考虑多个方向地震力的情况，需要分别定义多个方向的地震荷载工况。底部剪力法可以考虑X方向、Y方向或Z方向的地震作用以及偶然偏心。本例中选择chinese2002,则采用中国2002抗震规范，在地震系数区域中，输入与地震作用相关的规范参数。阻尼比同风荷载。周期折减系数本例取0.7。其余参数默认。设置完参数、定义好自动地震荷载工况后，程序会自动将其施加到结构上，无需人为指定。
振型分解反应谱法：采用此方法时，对于单向水平地震效应组合方法，我国新建筑规范中增加了考虑两个主轴方向同时施加地震作用，以及双向水平地震作用效应的组合，即取一个方向100％的值与另一个方向85％的值的“平方和平方根组合”。在SAP2000中要利用振型分解反应谱法计算地震力，首先要定义反应谱函数，然后定义分析工况。对于反应谱函数，本例选择chinese 2002 spectrum(中国2002规范反应谱)，里面地震参数的修改同底部剪力法。当定义的是单方向的工况时，振型组合和方向组合不起作用，此时添加定义过的反应谱函数，要注意将比例系数改为9.8（全局单位是KN,m，C的情况下），然后修改阻尼比为0.04（对于本例）。抗震规范规定对于质量和刚度分布明显不对称的结构，应计入双向地震作用下的扭转影响，当需要计入双向地震作用时，需要在施加的荷载选项中同时选择U1和U2两个方向，此时，振型组合选项按照中国规范通常选择CQC(耦联)，对于方向组合由于新版SAP2000 V14版本取消了修正的SRSS(中国)，所以只能选择SRSS选项，然后在施加的荷载项中调整某个方向反应谱函数的比例系数，以达到中国规范要求的取一个方向100％的值与另一个方向85％的值的“平方和平方根组合”。具体添加方式为：当定义以X向为主的分析工况时，将U1方向的比例系数设置为9.8，将U2方向的比例系数设置为8.33；当定义以Y向为主的分析工况时，将U1方向的比例系数设置为8.33，将U2方向的比例系数设置为9.8。需要注意的是，如果要考虑双方向组合的工况 ，在定义双向反应谱工况的同时也要定义各单向的反应谱工况。
对于本例，两种计算方法得出的结果对比如下：
基底反力：
通过以上分析结果的对比可以发现：两种分析方法求得的最大轴力工况下的基底反力完全一致，其它工况下的基底反力差别相对较大，作为主要受力构件的柱子内力计算结果比较接近；两种计算方法得到的顶点位移偏差是比较明显的，以44#节点为例，U2方向的位移：底部剪力法为4.503mm,而反应谱法为10.439mm,偏差率132%。
这些误差主要是由于底部剪力法只考虑结构第一振型，忽略了高阶振型对结构内力和变形的影响，对于第一振型起绝对控制作用的较低结构是基本可以接受的，但对于高层建筑则会带来较大的误差。
因此针对类似本例的窑尾余热锅炉建议采用振型分解反应谱法进行计算。
4结语：在满足工程需要的同时，如何最大限度的减少结构的不规则性
要最大限度的减少结构的不规则性，主要是结构平面布置时要限制结构的扭转效应。国内、外历次大地震震害表明，平面不规则、质量与刚度偏心和抗扭刚度太弱的结构，在地震中受到严重的破坏。对结构的扭转效应需从两个方面加以限制: (1)限制结构平面布置的不规则性，避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。
(2)限制结构的抗扭刚度不能太弱。关键是限制结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比。
参考文献
[1]北京金土木软件技术有限公司，中国建筑标准设计研究院.SAP2000中文版使用指南[M]2006.
[2] GB50011-2010 建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
[3] 陈昌宏. SAP2000结构工程案例分析[M].北京：冶金工业出版社，2010.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。