王 博, 白國良, 劉 林, 代慧娟
(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,西安 710055;2.雙良節(jié)能系統(tǒng)股份有限公司,江蘇 江陰 214444;3.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院,西安 710054)
受工藝限制,火電廠主廠房結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜、空間整體性能差、薄弱環(huán)節(jié)較多,作為重要的生命線工程,確保該類結(jié)構(gòu)的抗震安全至關(guān)重要。隨著火電廠主廠房結(jié)構(gòu)的高度、跨度與荷重不斷增大,傳統(tǒng)的鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu)體系[1-3]在高烈度區(qū)已不能滿足大容量機(jī)組主廠房的抗震需求。為解決此問題,課題組研究提出了一種適用于高烈度區(qū)的新型主廠房結(jié)構(gòu)體系[4-6]。
與鋼筋混凝土框排架主廠房結(jié)構(gòu)相比,新型型鋼混凝土框排架混合結(jié)構(gòu)主廠房的特點是以部分型鋼混凝土柱替代傳統(tǒng)的鋼筋混凝土柱,并沿部分型鋼混凝土柱高在縱向或縱橫向同時布置剪力墻。通過合理的布置與設(shè)計,新型主廠房結(jié)構(gòu)體系可以實現(xiàn)三道抗震防線:剪力墻作為第一道抗震防線,含有剪力墻的框架作為第二道抗震防線,不含剪力墻的框架作為第三道抗震防線。三道抗震防線的實現(xiàn)極大地提高了結(jié)構(gòu)的抗震能力,確保了結(jié)構(gòu)在高烈度區(qū)的抗震安全性。文獻(xiàn)[4-6]通過模型結(jié)構(gòu)試驗研究了該類結(jié)構(gòu)的抗震性能,但對結(jié)構(gòu)在不同強度地震作用下的彈塑性地震反應(yīng),諸如基底剪力、整體側(cè)移、層間位移角以及主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷演化特性等尚未進(jìn)行深入分析;此外,文獻(xiàn)[4-6]僅研究了型鋼混凝土框排架混合結(jié)構(gòu)主廠房在8度Ⅱ類場地情況下的抗震防線實現(xiàn)問題,考慮到在不同烈度區(qū)、不同場地類別情況下均能實現(xiàn)三道抗震防線對推廣應(yīng)用該類結(jié)構(gòu)體系具有重要的現(xiàn)實意義,因此有必要對不同烈度以及場地類別情況下主廠房結(jié)構(gòu)的剪力墻布置問題進(jìn)行深入探討。鑒于此,本文在前期模型結(jié)構(gòu)試驗研究的基礎(chǔ)上通過有限元分析繼續(xù)探討該類結(jié)構(gòu)的抗震性能,并基于剪力墻布置數(shù)量對結(jié)構(gòu)性能影響的分析,嘗試提出綜合考慮烈度與場地類別的剪力墻布置方式與抗震構(gòu)造措施。
通過計算分析設(shè)計出布置有6片剪力墻的8度Ⅱ類場地1 000 MW主廠房結(jié)構(gòu)作為研究對象[4]。
圖1為型鋼混凝土框排架結(jié)構(gòu)主廠房的平面布置圖。結(jié)構(gòu)總長122 m,寬62m,共9層,高59.905 m。汽輪機(jī)房跨度34 m,煤倉間跨度14 m,除氧間跨度10 m。6片剪力墻在煤倉間與除氧間分散布置,滿足工藝要求。其中,軸端部縱向剪力墻長5 m,中部墻長3 m,橫向剪力墻長4 m;和?軸端部縱向剪力墻長3 m,中部墻長4 m;在樓梯間的③軸、軸的?列布置橫向剪力墻,長4 m。煤斗層以下剪力墻厚400 mm,煤斗層以上剪力墻厚300 mm。汽輪機(jī)房列柱為鋼筋混凝土柱,、?和列柱為型鋼混凝土柱。煤斗梁為型鋼混凝土梁,其余梁為鋼筋混凝土梁?;炷翉姸鹊燃墳镃45。表1為主要構(gòu)件的截面尺寸,文獻(xiàn)[4-6]選?、葺S至⑦軸間的3跨3榀子結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型抗震試驗研究,該子結(jié)構(gòu)屬于主廠房結(jié)構(gòu)中荷重最大、結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的部分,對此部分進(jìn)行分析能夠反映整體結(jié)構(gòu)的受力性能。
圖1 結(jié)構(gòu)平面布置圖
表1 主要構(gòu)件截面尺寸
鋼材采用雙線性動力硬化本構(gòu)模型,考慮包辛格效應(yīng),荷載循環(huán)過程中材料不存在剛度退化。多軸應(yīng)力狀態(tài)下,采用Von.Mises屈服準(zhǔn)則。鋼材的強屈比為1.2,極限應(yīng)力時對應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?.025。
混凝土采用損傷塑性本構(gòu)模型[7],能準(zhǔn)確模擬低圍壓條件下混凝土在單調(diào)、循環(huán)或動載作用下的力學(xué)行為,考慮混凝土拉壓強度的差異、反復(fù)荷載下材料剛度退化以及拉壓循環(huán)的剛度恢復(fù)。混凝土材料的單軸受壓和受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線及材料軸心受壓和受拉強度標(biāo)準(zhǔn)值,可按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[8]采用?;炷吝M(jìn)入塑性后的剛度損傷分別由受拉損傷參數(shù)和受壓損傷參數(shù)表達(dá),兩個參數(shù)的大小由混凝土材料進(jìn)入塑性狀態(tài)的程度決定,其數(shù)值參照混凝土材料單軸拉壓的滯回曲線給出。損傷因子的取值范圍從零(表示無損材料)至1(表示完全損傷材料),通過應(yīng)力在受損材料產(chǎn)生的彈性余能與在無損材料產(chǎn)生的彈性余能等效原理得出[8]。
采用ABAQUS有限元軟件建立結(jié)構(gòu)模型[9]?;炷亮褐捎?節(jié)點實體單元C3D8模擬,型鋼采用4節(jié)點縮減積分殼單元S4R模擬,鋼筋采用三維桿單元T3D2單元模擬,剪力墻與樓板采用4節(jié)點縮減積分殼單元S4R模擬,根據(jù)需要將結(jié)構(gòu)排架部分的屋面簡化為平面內(nèi)剛度較大的梁,采用三維線性梁單元B31模擬,并與排架柱頂采用鉸接。
選取頻譜成分豐富的EL-Centro(N-S)波作為輸入地震波,地震動持續(xù)時間為12s。依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[10]調(diào)整地震動加速度峰值,分別沿結(jié)構(gòu)的橫向輸入70gal、200gal、400gal與620gal的地震波,用來計算8度小震、8度中震、8度大震與9度大震四種工況下的地震反應(yīng)。圖2為調(diào)幅至400gal的輸入地震波形圖。
圖2 輸入地震波
圖3為采用上述方法建立的有限元模型。
圖3 有限元模型
為驗證所建有限元模型的合理性,將文獻(xiàn)[4-6]試驗得到的結(jié)構(gòu)在四種工況下的位移時程曲線與有限元計算結(jié)果進(jìn)行比較。限于篇幅,僅列出8度中震與8度大震作用下結(jié)構(gòu)頂點位移時程的比較情況,如圖3所示。
對比結(jié)果表明:有限元計算得到的位移反應(yīng)時程曲線和試驗結(jié)果較為吻合,說明建立的有限元模型是合理的,采用該模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震性能分析的結(jié)果是可靠的。
圖4 結(jié)構(gòu)頂點位移反應(yīng)時程曲線對比
圖5為不同強度地震作用下的結(jié)構(gòu)基底剪力時程曲線。計算結(jié)果表明:8度小震作用下,結(jié)構(gòu)最大正向基底剪力為4 781 kN,最大負(fù)向基底剪力為-4 918 kN,剪重比分別為2.78%、2.81%,底層剪力墻所承擔(dān)的剪力為底部總剪力的52%,承擔(dān)的傾覆力矩為總傾覆力矩49%;8度中震作用下,結(jié)構(gòu)最大正向基底剪力為15 700 kN,最大負(fù)向基底剪力為-16 500 kN,剪重比分別為9.12%、9.6%;8度大震作用下,結(jié)構(gòu)最大正向基底剪力為21 700 kN,最大負(fù)向基底剪力為-22 600 kN,剪重比分別為12.62%、13.1%;9度大震作用下,結(jié)構(gòu)最大正向基底剪力為22 700 kN,最大負(fù)向基底剪力為-22 300 kN,剪重比分別為13.2%、13.0%。地震動初期,9度罕遇地震的基底剪力大于8度罕遇地震基底剪力,隨著結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷累積,剛度退化明顯,基底剪力不再增加。
圖5 不同強度地震作用下結(jié)構(gòu)基底剪力
圖6為8度大震下的結(jié)構(gòu)變形圖;圖7與圖8分別為不同強度地震作用下結(jié)構(gòu)的整體側(cè)移曲線與層間位移角分布情況。
由圖7可以看出:8度小震作用下,整體結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài),整體變形呈彎剪型,其中,上部以剪切變形為主,下部以彎曲變形為主;8度中震作用下,剪力墻開裂,結(jié)構(gòu)剛度開始下降,整體變形亦呈彎剪型;8度大震及9度大震作用下,底部剪力墻與運轉(zhuǎn)層構(gòu)件損傷破壞嚴(yán)重,剛度下降明顯,整體變形趨于剪切變形。
由圖8可以看出:8度小震作用下,結(jié)構(gòu)層間位移角最大值出現(xiàn)在煤斗層,為1/1124;8度中震作用下,結(jié)構(gòu)層間位移角最大值出現(xiàn)在運轉(zhuǎn)層,為1/411;8度大震作用下,結(jié)構(gòu)層間位移角最大值依然出現(xiàn)在運轉(zhuǎn)層,為1/191,滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防要求;9度大震作用下,結(jié)構(gòu)層間位移角最大值出現(xiàn)在底部兩層,為1/84。這說明,隨著結(jié)構(gòu)構(gòu)件的開裂及損傷破壞加劇,結(jié)構(gòu)薄弱位置下移。
圖6 8度大震作用下結(jié)構(gòu)整體變形
圖7 不同強度地震作用下的結(jié)構(gòu)側(cè)移
圖8 不同強度地震作用下結(jié)構(gòu)的層間位移角
選取8度中震、8度大震、9度大震三個工況下的整體結(jié)構(gòu)損傷、剪力墻損傷、煤斗大梁及運轉(zhuǎn)層大梁的主要損傷形態(tài)進(jìn)行分析。圖9-圖12為結(jié)構(gòu)構(gòu)件在8度中震作用下的損傷形態(tài)分布圖;圖13-圖16為結(jié)構(gòu)構(gòu)件在8度大震作用下的損傷形態(tài)分布圖;圖17-圖20為結(jié)構(gòu)構(gòu)件在9度大震作用下的損傷形態(tài)分布圖。
由圖9-圖12可以看出:8度中震作用下,結(jié)構(gòu)受拉、受壓損傷主要出現(xiàn)在剪力墻根部及與煤斗大梁交接處。剪力墻根部邊緣局部小范圍內(nèi)的混凝土受壓損傷達(dá)到0.80,與煤斗大梁交接處的剪力墻的最大受壓損傷達(dá)到0.65,帶橫墻煤斗大梁的最大受壓損傷達(dá)到0.20。運轉(zhuǎn)層大梁受壓損傷主要集中在梁端部,最大值達(dá)到0.50,其他部位受壓損傷不嚴(yán)重。橫向剪力墻底部及煤斗大梁交接處開裂,但程度較輕,受拉損傷最大值達(dá)0.80,帶有橫墻的煤斗大梁的開裂主要集中在梁端部上截面,局部受拉損傷最大值達(dá)0.85,其他部位受拉損傷較小,范圍在0~0.5之間。無墻煤斗大梁的受壓與受拉損傷主要出現(xiàn)在梁跨中,受拉損傷最大值達(dá)0.90,受壓損傷范圍在0~0.15之間。運轉(zhuǎn)層大梁的開裂主要集中在梁端部及相交的橫向剪力墻上,局部受拉損傷最大達(dá)0.8,其他部位拉損傷均較小,范圍在0~0.5之間。由于剪力墻的有利約束,結(jié)構(gòu)中帶墻短柱的開裂程度小于不帶墻短柱??傮w而言,8度中震作用下結(jié)構(gòu)損傷較小,結(jié)構(gòu)剛度為初始剛度的0.90倍左右,整體結(jié)構(gòu)處于可修復(fù)狀態(tài)。
圖9 8度中震作用下結(jié)構(gòu)整體損傷
圖10 8度中震作用下剪力墻損傷
圖11 8度中震作用下煤斗大梁處橫向剪力墻及梁的損傷
圖12 8度中震作用下運轉(zhuǎn)層大梁損傷
圖13 8度大震作用下結(jié)構(gòu)整體損傷
由圖13-圖16可以看出:8度大震作用下,結(jié)構(gòu)損傷破壞的范圍與程度遠(yuǎn)大于8度中震情況。剪力墻大面積開裂,且墻底部出現(xiàn)受壓破壞,運轉(zhuǎn)層大梁開始屈服。橫向剪力墻底部受壓塑性變形及開裂明顯,范圍較大。橫向剪力墻底部的局部混凝土發(fā)生受壓破壞,受壓損傷可達(dá)0.97,邊緣處混凝土壓碎,煤斗大梁交接處橫向剪力墻受壓損傷達(dá)0.95。帶橫墻的煤斗大梁受壓損傷主要出現(xiàn)在梁墻交接端部,受壓損傷最大達(dá)0.57。運轉(zhuǎn)層大梁的損傷加劇,梁端混凝土塑性變形增大,受壓損傷達(dá)0.90,邊緣混凝土開始壓碎,但截面尚未屈服。橫向剪力墻底部及煤斗大梁交接處大面積開裂,裂縫寬度較大,受拉損傷明顯,損傷值可達(dá)0.90。帶橫墻的煤斗大梁的開裂主要集中在梁端部上截面,其局部受拉損傷最大達(dá)0.90。運轉(zhuǎn)層大梁端部開裂明顯,裂縫寬度較寬,約一倍梁高范圍內(nèi)其受拉損傷達(dá)0.90??傮w而言,8度大震情況下,結(jié)構(gòu)損傷較為嚴(yán)重,剛度約退化為初始剛度的0.60倍。結(jié)構(gòu)底部兩層為結(jié)構(gòu)薄弱部位,層間位移角最大值為1/191,結(jié)構(gòu)頂點位移最大值為0.152 m,結(jié)構(gòu)滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防要求。
圖14 8度大震作用下剪力墻損傷
圖15 8度大震作用下煤斗大梁處橫向剪力墻及梁損傷
圖16 8度大震作用下運轉(zhuǎn)層大梁損傷
由圖17-圖20可以看出:9度大震作用下,結(jié)構(gòu)中橫向剪力墻底部混凝受壓損傷嚴(yán)重,煤斗大梁及下部剪力墻開裂嚴(yán)重,運轉(zhuǎn)層絕大部分梁、柱端均出現(xiàn)塑性鉸。橫向剪力墻受壓塑性變形主要發(fā)生底部兩層,底部混凝土大面積壓碎,受壓損傷達(dá)到0.97。煤斗大梁交接處橫向剪力墻最大受壓損傷達(dá)到0.97,混凝土被壓碎。帶橫墻煤斗大梁全梁基本均存在受壓損傷,但程度不嚴(yán)重,最大值為0.55。無墻煤斗大梁的受壓損傷范圍在0~0.30之間。運轉(zhuǎn)層大梁受壓損傷主要集中在梁端,其受壓損傷最大達(dá)0.97,形成塑性鉸。煤斗大梁以下的剪力墻全墻通裂,大多數(shù)裂縫貫穿整個截面,并延伸至翼墻中,最大受拉損傷達(dá)到0.95。帶橫墻煤斗大梁開裂嚴(yán)重,特別是與橫向剪力墻連接端,受拉損傷達(dá)0.90。無墻煤斗大梁的受拉損傷最大達(dá)0.90。運轉(zhuǎn)層大梁的開裂主要集中在梁端部及相交的橫向剪力墻上,局部受拉損傷最大達(dá)0.90,混凝土開裂嚴(yán)重,塑性變形較大??傮w而言,9度大震作用下,結(jié)構(gòu)的損傷主要發(fā)生在運轉(zhuǎn)層以下,結(jié)構(gòu)剛度約退化為初始剛度的0.35倍,底部兩層層間位移角最大值為1/84,結(jié)構(gòu)雖未坍塌,但已處于不可維修狀態(tài)。
圖17 9度大震作用下結(jié)構(gòu)整體損傷
圖18 9度大震作用下剪力墻損傷
圖19 9度大震作用下煤斗大梁處橫向剪力墻及梁損傷
圖20 9度大震作用下運轉(zhuǎn)層大梁損傷
模型結(jié)構(gòu)抗震試驗研究[4-6]與彈塑性地震反應(yīng)分析均表明:8度Ⅱ類場地、1 000 MW主廠房結(jié)構(gòu)布置6片剪力墻時可以實現(xiàn)三道抗震防線,抗震性能優(yōu)越。為進(jìn)一步推廣應(yīng)用該類結(jié)構(gòu)體系,下面主要分析其他烈度與場地類別情況下的剪力墻布置數(shù)量問題。
以8度Ⅱ類場地、布置6片剪力墻的1 000 MW主廠房結(jié)構(gòu)為基準(zhǔn)結(jié)構(gòu),采用SAP2000有限元軟件計算分析8度小震作用下其他不同場地情況(Ⅰ類、Ⅲ類、Ⅳ類)下結(jié)構(gòu)基底剪力、樓層地震作用、結(jié)構(gòu)整體變形與層間側(cè)移與Ⅱ類場地情況下的結(jié)構(gòu)(基準(zhǔn)結(jié)構(gòu))之間的關(guān)系。最后,結(jié)合分析得到的對應(yīng)關(guān)系以及前期關(guān)于鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu)的研究成果[11],以基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的剪力墻布置為參考,提出不同烈度與場地類別下剪力墻的建議布置數(shù)量。
圖21為不同場地條件下主廠房結(jié)構(gòu)層間地震作用對比情況。計算結(jié)果表明,Ⅰ類場地下結(jié)構(gòu)的地震作用約為Ⅱ類場地的0.75倍,Ⅲ類場地下結(jié)構(gòu)的地震作用約為Ⅱ類場地的1.25倍,Ⅳ類場地結(jié)構(gòu)的地震作用約為Ⅱ類場地的1.65倍。
圖21 不同場地類別下結(jié)構(gòu)層間地震作用對比
圖22為不同場地條件下結(jié)構(gòu)層間位移角對比情況。計算結(jié)果表明,Ⅰ類場地下結(jié)構(gòu)的層間位移角約為Ⅱ類場地的0.76倍,Ⅲ類場地下結(jié)構(gòu)的層間位移角約為Ⅱ類場地的1.35倍,Ⅳ類場地下結(jié)構(gòu)的層間位移角約為Ⅱ類場地的1.84倍。
圖22 不同場地類別下結(jié)構(gòu)層間位移角對比
上述分析表明,8度Ⅰ類和Ⅱ類場地下主廠房結(jié)構(gòu)的層間位移角限值易滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[10]對框架-剪力墻結(jié)構(gòu)1/800的限值要求,而在Ⅲ類與Ⅳ類場地條件下層間位移偏大。為滿足規(guī)范要求,在Ⅲ類與Ⅳ類場地條件下應(yīng)在結(jié)構(gòu)中布置更多片剪力墻。結(jié)合課題組對傳統(tǒng)鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu)體系抗震性能的系統(tǒng)研究成果[1],綜合考慮生產(chǎn)工藝、抗震需求以及經(jīng)濟(jì)性要求,提出不同烈度與不同場地類別情況下主廠房結(jié)構(gòu)中剪力墻的建議布置數(shù)量見表2。
表2 不同烈度及場地條件下主廠房結(jié)構(gòu)中剪力墻的建議布置數(shù)量
根據(jù)試驗研究及非線性有限元分析得到的結(jié)構(gòu)損傷破壞特性,結(jié)合《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[10],建議的剪力墻抗震構(gòu)造措施如下:
(1)運轉(zhuǎn)層以下的剪力墻為抗震加強部位,剪力墻端部宜布置端柱,端柱截面邊長不應(yīng)小于墻厚的2倍,且底部加強部位縱向配筋率不應(yīng)小于1.2%,一般部位縱向配筋率不應(yīng)小于1.0%,且水平受力鋼筋應(yīng)形成閉合箍。
(2)剪力墻厚度不應(yīng)小于300 mm與1/30層高兩者中的最大值;加強部位剪力墻的厚度不宜小于400 mm,且不應(yīng)小于層高的1/25。
(3)剪力墻中的分布鋼筋不應(yīng)采用單排布置。當(dāng)剪力墻厚度不大于400 mm時,采用雙排配筋;當(dāng)剪力墻厚度大于400 mm時,應(yīng)采用三排配筋。剪力墻配筋率不應(yīng)小于0.25%,鋼筋直徑不應(yīng)小于12 mm,最大間距不應(yīng)大于200 mm。
(4)應(yīng)避免在剪力墻上開洞,若無法避免,開洞率不宜大于25%,且應(yīng)在洞口部位采取加強措施。
采用ABAQUS有限元軟件建立火電廠型鋼混凝土框排架混合結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行彈塑性地震反應(yīng)分析,并探討了不同烈度與不同場地類別情況下主廠房結(jié)構(gòu)的剪力墻布置數(shù)量問題。所得主要結(jié)論如下:
(1)位移反應(yīng)時程曲線對比表明,有限元計算值與試驗值較為吻合,說明本文采用的建模方法是合理的,并可以推廣應(yīng)用于同類型結(jié)構(gòu)的計算分析當(dāng)中。
(2)8度小震作用下,結(jié)構(gòu)整體變形呈彎剪型,其中,上部以剪切變形為主,下部以彎曲變形為主;8度中震作用下,剪力墻開裂,結(jié)構(gòu)剛度開始下降,整體變形亦呈彎剪型;8度大震及9度大震作用下,底部剪力墻與運轉(zhuǎn)層構(gòu)件損傷破壞嚴(yán)重,剛度下降明顯,整體變形趨于剪切變形。
(3)分析表明,剪力墻對框架具有很好的約束作用,在地震作用下剪力墻首先出現(xiàn)損傷,并隨著地震作用的增大而不斷發(fā)展演化,能夠起到第一道抗震防線的作用;結(jié)構(gòu)的薄弱部位隨著地震作用的增強,由煤斗層到運轉(zhuǎn)層再到底部兩層下移;整體結(jié)構(gòu)變形性能較好,能夠滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防要求。
(4)在計算分析的基礎(chǔ)上,提出了適用于不同烈度與不同場地類別下主廠房結(jié)構(gòu)的剪力墻建議布置數(shù)量,并結(jié)合模型結(jié)構(gòu)試驗以及彈塑性地震反應(yīng)分析結(jié)論提出剪力墻的抗震構(gòu)造措施,可供工程設(shè)計參考。
參 考 文 獻(xiàn)
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