4.1 气柜加肋壳体结构静力弹塑性分析
30 万 m³圆筒形气柜,高度超过 100m,跨度超过 60m。加劲筒体的质量沿高度变化较小,但是环形走道是质量集中的部位,并且气柜顶盖质量较大,约占气柜总重量的 1/10,所以该结构在罕遇地震作用下可能出现薄弱部位导致重大地震破坏,造成有毒气体泄漏危害巨大。因此,按照《建筑抗震设计规范》规定,采用静力弹塑性分析或弹塑性时程分析方法,进行气柜结构的罕遇地震作用下的弹塑性变形分析。
为了确保气柜在罕遇地震作用下不发生重大破坏而导致重大安全隐患,参考《钢铁企业煤气储存和输配系统设计规范》对圆筒形气柜的有关垂直度的规定,按照《建筑抗震设计规范》规定的性能 2 的要求,本文以气柜筒体顶点位移角限值为 1/500 作为结构弹塑性分析的性能控制目标,即变形小于 2 倍弹性位移限值。
4.1.1 静力弹塑性分析能力谱方法
静力弹塑性分析(Pushover 分析)能力谱法是对结构施加某种模拟的水平地震惯性力,逐渐单调增加惯性力将结构推至某一预定的目标位移或者使结构成为机构,得到结构在逐级加载下弹塑性变形和基底剪力,将多自由度结构体系的基底剪力与顶点位移关系转化为等效单自由度能力谱曲线,再根据地震影响系数曲线得到结构的地震需求谱曲线,将结构的能力谱曲线与需求谱曲线画在一张图上,获得结构相应地震需求性能点。本文将采用静力弹塑性分析能力谱法来确定结构的小震目标位移、中震目标位移和大震目标位移。
4.1.1.1 结构能力谱
结构能力谱是将静力弹塑性分析获得的基底剪力 V-顶点位移 u 的曲线转化为结构的谱加速度aS -谱位移dS 曲线,并以谱加速度aS -谱位移dS 形式表示的等效单自由度体系能力谱曲线,体现了多自由度结构体系等效为单自由度体系的变形特征与变形能力。 结构的谱加速度aS 和谱位移
dS 按式(4-1)和式(4-2)转化 :
其中, M 为结构质量, I 为单位向量; 为假定的结构变形形状,采用顶层幅值为1 的标准化(归一化)向量。需要注意的是任何合理的变形形状均可为 ,仅在特定情况下用第一阶振型表示。
4.1.1.2 结构需求谱
根据不同延性水平,结构需求谱分为弹性需求谱和弹塑性需求谱。
(1)弹性需求谱
结构的弹性需求谱反映的是地震对结构抗震能力的弹性需求。《建筑抗震设计规范》采用了相对于重力加速度的单质点绝对最大加速度max 与体系自振周期 T 之间的关系作为设计地震反应谱。
式中, K 为结构刚度;W 为质点重量; m 为质点重量; g 为重力加速度;T 为结构周期。 利用式(4-12)、(4-13)将《建筑抗震设计规范》的设计地震反应谱(地震影响系数 -周期T 关系)转化为地震对结构的弹性需求谱(谱加速度ae
S -谱位移d
e
S 关系)。
根据不同的地震影响系数最大值,可以分别得到小震、中震和大震的弹性需求谱。
(2)弹塑性需求谱
罕遇地震作用下结构可能进入充分塑性状态,可采用弹塑性需求谱估计罕遇地震下结构的目标位移。对单自由度弹塑性体系,谱加速度aS 与谱位移dS 满足下面关系: