不同場地特征周期煤氣化高層工業(yè)廠房抗震性能分析.doc

豆丁網(wǎng)精品論文不同場地特征周期煤氣化高層工業(yè)廠房抗震性能分析龍炳煌，王敏仕 武漢理工大學土木工程與建筑學院，武漢（430070） e-mail：binghuang_摘要：為了提高我國煤氣化高層工業(yè)廠房的抗震能力，本文運用有限元分析軟件 ansys， 對某煤氣化高層工業(yè)廠房進行了時程分析，重點探討了這種廠房在不同場地特征周期地震波 作用下的抗震性能，得出了有關(guān)設(shè)備與結(jié)構(gòu)相互作用影響的重要結(jié)論，并在此基礎(chǔ)上提出了設(shè)計建議。關(guān)鍵詞：煤氣化；工業(yè)廠房；結(jié)構(gòu)；設(shè)備；相互作用1.前言我國能源 “煤多油少”，煤炭的利用率不高。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源短缺越來越嚴 重。為了提高能源的使用效率，緩解石油緊張狀況，我國從 2000 年開始實施“煤代油”計劃。2007 年 1 月，國家發(fā)改委組織編制了煤炭工業(yè)“十一五”發(fā)展規(guī)劃，提出要有序推進煤 炭轉(zhuǎn)化示范工程建設(shè)，為后十年產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。到 2006 年為止，我國已經(jīng)建成投產(chǎn)的煤氣化工程項目 8 個，正在建設(shè)的 4 個，還處在 規(guī)劃中的 2 個。煤氣化高層工業(yè)廠房是煤氣化工程中的關(guān)鍵性廠房。該廠房不僅結(jié)構(gòu)高大， 而且設(shè)備高大，設(shè)備與結(jié)構(gòu)的聯(lián)系復(fù)雜。設(shè)備實際上已經(jīng)成為廠房結(jié)構(gòu)的一部分。在地震的 作用下，設(shè)備與結(jié)構(gòu)之間存在復(fù)雜的動力相互作用。以往的研究，針對的設(shè)備大多比較矮小，兩者的聯(lián)系比較簡單。有關(guān)這種設(shè)備高大、聯(lián) 系復(fù)雜的高層工業(yè)廠房抗震性能的理論研究較少，試驗研究則更加匱乏。由于“工程超前、 研究滯后”，設(shè)計者往往將設(shè)備簡化為荷載直接作用在結(jié)構(gòu)上，不考慮設(shè)備與結(jié)構(gòu)之間的動 力相互作用。這種設(shè)計缺陷必然會加大廠房遭遇地震災(zāi)害的風險。一旦廠房結(jié)構(gòu)或者設(shè)備出 現(xiàn)破壞，不僅會造成重大的直接災(zāi)害，而且很可能會引發(fā)嚴重的次生災(zāi)難。因此，對這種煤氣化高層工業(yè)廠房抗震性能的研究是一項非常重要而又十分緊迫性工 作。本文擬運用 ansys 對某個典型煤氣化高層工業(yè)廠房進行時程分析，重點從不同場地特 征周期入手，探討設(shè)備與結(jié)構(gòu)的相互作用問題，并在此基礎(chǔ)上提出設(shè)計建議。2.工程概況與計算方案2.1 工程概況某煤氣化高層工業(yè)廠房，平面尺寸 20m42m，高度 99.7m（12 層）。38m 以下（5 層） 為混凝土結(jié)構(gòu)，38m 以上（7 層）為鋼結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)平面見圖 1，剖面見圖 2?？拐鹪O(shè)防烈度 為 7 度，設(shè)計基本地震加速度為 0.15g。廠房主設(shè)備為氣化爐及合成氣冷卻器，總高度為 55m，總重 1467 噸（工作質(zhì)量），形 狀為倒 u 形，貫穿主體結(jié)構(gòu)達 6 層之多。主設(shè)備見圖 3。除了主設(shè)備之外，還有很多質(zhì)量、 剛度較小的次設(shè)備。主設(shè)備采用三點支承于廠房結(jié)構(gòu)上，如圖 3 所示。主設(shè)備左端固定于第 5 層的混凝土厚 板上（38m 標高），右端通過兩個恒力吊支撐在第 6 層的鋼箱梁上（46m 標高）。圖 1 廠房 38m 標高平面圖圖 2 廠房 1-1 剖面圖 3 主設(shè)備示意圖2.2 計算方案2.2.1 計算模型擬選 為了研究煤氣化工業(yè)廠房設(shè)備與結(jié)構(gòu)的相互作用，本文擬選擇三個計算模型（見圖 4）進行對比分析。模型 m1（傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析模型），將主設(shè)備簡化成廠房結(jié)構(gòu)上的荷載。模型 m2（傳統(tǒng)的設(shè)備分析模型），將主設(shè)備簡化成支撐在地面上的設(shè)備。模型 m3，將主設(shè) 備簡化成廠房結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件。m1m2m3圖 4計算模型2.2.2 計算參數(shù)選擇經(jīng)分析，時程分析需要考慮 3 個參數(shù)的影響：地震動方向、地震動峰值加速度和場地特 征周期。本文選擇 x 向（見圖 1）為地震動方向，選取地震動峰值加速度為 0.15g。重點研 究在不同場地特征周期下，廠房主設(shè)備與結(jié)構(gòu)的相互作用。地震記錄千差萬別，且每個記錄都有其場地地震記錄站編號特征周期（s）堅硬capemendocino(90)10.08唐山遷安(ns)20.12中等taftkern county（ns）30.36唐山北京(ew)40.40el centroimperial valley（ns）50.56軟弱loma prieta treasure island（90）60.62寧河-天津（ns）70.94特殊的特性，不能僅憑一條地震波的計算結(jié) 果來得出結(jié)論。因此，本文選擇國內(nèi)外不同 類別場地上的強震記錄（見表 1）。這些地 震波的特征周期在 0 到 1 秒之間，每種場地 有 23 條地震波。選取每條地震波中最強 烈的 10 秒鐘進行計算，時間步長為 0.02 秒。為了對比分析的方便，將文獻1中的 類和類場地統(tǒng)稱為中等場地，類場地 為堅硬場地，類場地為軟弱場地。3. 有限元分析表 1場地與地震記錄3.1 有限元建模本文采用 ansys 進行三維有限元分析，主要采用的單元為：beam44、solid65、 combin39、link8、mass21 等。廠房結(jié)構(gòu)的梁柱、主設(shè)備采用 beam44 單元模擬，鋼 結(jié)構(gòu)支撐采用 link8 單元模擬。次設(shè)備按質(zhì)量單元 mass21 輸入到每個樓層相應(yīng)的節(jié)點上。 活荷載（4.0kn/m2）折算成質(zhì)量，地震組合系數(shù)取 0.5。主設(shè)備與結(jié)構(gòu)的連接是建模的關(guān)鍵。恒力吊采用 combine39 單元模擬，單元的軸力變形曲線見圖 5。恒力吊的恒定拉力大小取為，設(shè)備左邊與厚板固接處彎矩為最小值（重 力作用下）時的拉力。為了模擬恒力吊節(jié)點的實際工作情況，在設(shè)備右邊連接恒力吊的地方 設(shè)置正方形剛性墊片（見圖 6）。圖 5 恒力吊的力-位移曲線圖 6 結(jié)構(gòu)與主設(shè)備連接節(jié)點有限元模型主設(shè)備固定支座處的混凝土厚板采用 solid65 單元模擬，設(shè)置為含鋼筋的三維實體。 厚板上下表面各設(shè)置剛性墊片（見圖 6），可以傳遞彎矩，防止混凝土單元因節(jié)點連接而發(fā) 生破壞。兩個墊片與厚板之間采用對拉螺桿(用 link8 單元模擬)進行連接。厚板與剛性墊 片之間用 targe170 和 conta173 單元模擬面面接觸。廠房的整體有限元模型見圖 7。3.2 設(shè)備與剛性墊片自由度耦合與約束方程在模型中，主設(shè)備采用梁單元，剛性墊片是實體單元，梁 與實體之間的連接要考慮自由度耦合與約束方程。在設(shè)備與墊 片連接的部位，應(yīng)設(shè)置兩個同位置不同編號的節(jié)點，然后進行 耦合自由度和約束方程。3.3 時程分析中的若干問題與處理方法阻尼問題：本分析要考慮阻尼的影響。由于整個結(jié)構(gòu)主要 由混凝土和鋼材組成，因此采用材料阻尼，用“mp,damp”命令 輸入材料阻尼更方便。重力處理問題：廠房在特征周期較大的地震波作用下，部 分結(jié)構(gòu)可能會進入彈塑性。廠房自重很大，彈塑性分析必須考 慮其影響。解決方法是：時程分析開始時，用“timint,off” 命令關(guān)閉時間積分效應(yīng)，設(shè)置“kbc,1”產(chǎn)生階躍荷載，設(shè)置 2 個以上的子步，荷載步時間取非常?。ū热?1e-5），施加重力圖 7廠房整體有限元模型加速度，這是第一個荷載步；然后再用 timint,on 打開時間積分，設(shè)置“kbc,0”逐級加載， 開始正常輸入地震波進行時程分析。這樣就考慮了自重作為時程分析的初始條件，結(jié)構(gòu)體系有初始位移和初始內(nèi)力，沒有初始速度和加速度。 2-34. 計算結(jié)果分析用 ansys 分別對 3 個計算模型進行模態(tài)、時程分析，提取計算結(jié)果進行對比分析，得 出有關(guān)結(jié)論。下面從廠房模態(tài)、主結(jié)構(gòu)、主設(shè)備和恒力吊四個方面進行分析。4.1 模態(tài)分析對廠房三個計算模型進行模態(tài)分析，取前 9 階 振型計算（各方向振型質(zhì)量分數(shù)總和為 97100%）， 結(jié)果見表 2，可得如下分析：（1）模型 m3 的各階自振周期比 m1 的大 9.256.0%，其中第 4 階周期大 56.0%?？梢娫O(shè)備與結(jié)構(gòu) 的相互作用對廠房的動力性能有很大的影響。（2）模型 m3 和 m2 的第一周期非常接近，m3 的第一階振型以主設(shè)備的振動為主。（3）廠房各階周期下降較緩慢，高階振型對廠 房的影響不能忽略。4.2 主結(jié)構(gòu)抗震性能分析振型m1m2m3m3 比 m1 增大11.662.142.1831.3%21.521.121.669.2%31.171.031.5129.1%40.840.441.3156.0%50.820.241.1843.9%60.770.211.0739.0%70.690.150.7813.0%80.630.110.7315.9%90.540.090.6214.8%表 2三個計算模型的自振周期（s）比較選取主結(jié)構(gòu)頂層（86 米標高）的水平位移、底部水平剪力進行分析。4.2.1 頂層水平位移絕對最大值 xs max 對比分析主結(jié)構(gòu)的頂層水平位移絕對最大值 xs隨場地特征周期t 的增大而增大（見圖 8a）。maxg隨著場地特征周期tg 的增大，m1 的 xs max 從 8mm 增大到 279mm，m3 的 xs max 從 8mm增大到 249mm。在相同場地特征周期tg 條件下，m3 的 xs max 比 m1 的小。其中堅硬場地，m3 比 m1 平均小 12.8%（2mm）；中等場地，m3 比 m1 平均小 9.9%（10mm）；軟弱場地，m3 比 m1 小 9.8%（24mm）。4.2.2 底部剪力絕對最大值 vs max 對比分析主結(jié)構(gòu)的底部剪力絕對最大值 vs隨場地特征周期t 的增大而增大（見圖 8b）。隨maxg著場地特征周期tg 的增大，m1 的 vs max 從 1959kn 增大到 31492kn，m3 的 vs max 從 1997kn增大到 25967kn。在相同場地特征周期tg 條件下，m3 的 vs max 比 m1 的小。其中堅硬場地，m3 比 m1 平均小 8.2%（338kn）；中等場地，m3 比 m1 平均小 9.4%（1105kn）；軟弱場地，m3 比 m1 平均小 20.8%（6067kn）。300|xs|max（mm）250200150100500m1m30 0.2 0.4 0.6 0.8 1tg（s）3.5|vs|max（104kn）32.521.510.50m1m30 0.2 0.4 0.6 0.8 1tg（s）圖 8axst 關(guān)系曲線對比圖 8bgmaxvsmax tg 關(guān)系曲線對比注： xs表示主結(jié)構(gòu)頂層水平位移絕對最大值； vs表示主結(jié)構(gòu)底部剪力絕對最大值； t 表max示場地特征周期。maxg從上述兩個方面的分析可以看出，不考慮相互作用的影響時，主結(jié)構(gòu)的頂層水平位移和底部剪力偏大。4.3 主設(shè)備抗震分析選取主設(shè)備固定支座加速度時 程、主設(shè)備頂點水平位移和底部剪力 的絕對最大值進行分析。4.3.1 固定支座處的加速度對比分析 經(jīng)分析，在 loma prieta 波的作用下，廠房結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)最強烈，所加速度（m/s2）-0.5-1.5-2.5m1m3m2012345678910時間(s)以提取這個地震波的固定支座加速度圖 9 loma prieta 波作用下主設(shè)備固定支座加速度時程對比時程的進行比較（見圖 9）。m2 主設(shè)備固定支座處的加速度就是 loma prieta 波，其峰值加速度是 1.56m/s2；m1 中主設(shè)備固定支座處峰值加速度是 2.69 m/s2， m3 中主設(shè)備固定支座 處峰值加速度是 2.89 m/s2。m3 和 m1 在主設(shè)備固定支座處的峰值加速度比 m2 的大。說明 廠房結(jié)構(gòu)對地震波有明顯的放大作用。其中 m1 在主設(shè)備固定支座處的峰值加速度比 m2 的 大 72.4；m3 在主設(shè)備固定支座處的峰值加速度比 m2 的大 85.3；m3 在主設(shè)備固定支 座處的峰值加速度比 m1 的大 7.4。4.3.2 主設(shè)備頂點水平位移對比分析主設(shè)備頂點水平位移絕對最大值 xe隨場地特征周期t 的增大而增大(見圖 10a)。maxgm2 的 xe從 44mm 增大到 98mm，m3 的 xe從 96mm 增大到 473mm。maxmax在相同場地特征周期tg 條件下，m3 的 xe max 比 m2 的大。堅硬場地上，m3 比 m2 平 均大 187.3%（85mm）；中等場地上，m3 比 m2 平均大 180.0%(128mm)；軟弱場地上，m3 比 m2 平均大 311.9%（298mm）。4.3.3 主設(shè)備底部剪力對比分析主設(shè)備底部剪力絕對最大值 ve隨場地特征周期t 的增大而增大（見圖 10b）。m2maxg的 ve從 973kn 增大到 3286kn，m3 的 ve從 235 kn 增大到 4175 kn。maxmax輸入 1、2、3、4、7 號地震波時，m3 的 ve比 m2 的??；輸入 5、6 號地震波時，maxm3 的 ve比 m2 的大。max500|xe|max（mm）4003002001000m2m30 0.2 0.4 0.6 0.8 1t（s）4.5|ve|max（103kn）43.532.521.510.50m2m30 0.2 0.4 0.6 0.8 1t（s）圖 10a 主設(shè)備頂點 xet 關(guān)系曲線對比圖 10b 主設(shè)備 vetg 關(guān)系曲線對比maxgmax注： xs表示主設(shè)備頂點水平位移絕對最大值； vs表示主設(shè)備底部剪力絕對最大值； tg 表示maxmax場地特征周期。m3 中設(shè)備頂點水平位移：頂點位移絕對值減去固定支座處的絕對位移值得到。從上述三個方面的分析可以看出，當不考慮相互作用的影響時，主設(shè)備支座處的峰值加 速度和設(shè)備頂點的水平位移偏小，主設(shè)備的底部剪力隨場地特征周期的變化有增有減。4.4 恒力吊的耗能分析選擇 1、4、6 號地震波對恒力吊進行耗能分析。以恒力吊在振動過程中所作的功來表示 恒力吊的耗能。圖 11、12 分別給出了 m3 和 m2 中兩個恒力吊，在 1、4、6 號地震波作用下的耗能曲線。從圖中可以得到以下分析：（1）恒力吊具有一定的耗能減震作用。恒力吊在軟弱場地上的耗能最多，m3 的合計 為 111kj，m2 的合計為 150 kj；中等場地其次，m3 的合計為 23kj，m2 的合計為 97 kj；堅 硬場地最少，m3 的合計為 10kj，m2 的合計為 8kj。（2）恒力吊的耗能存在滯后現(xiàn)象。在堅硬場地上，m2 和 m3 恒力吊的耗能主要集中在 地震開始的 0.1 秒左右，恒力吊要改變重力作用下的變形，0.1 秒之后耗能曲線幾乎保持水 平。在中等和軟弱場地上，從 0.1 秒到 2 秒這個時間段內(nèi)耗能曲線保持水平，從第 2 秒開始 耗能曲線隨時間明顯上升，相互作用開始強烈起來。（3）恒力吊的耗能與其支撐條件有關(guān)。比較恒力吊的耗能可知，m2 的恒力吊的耗能 比 m3 大。這是由于 m2 的恒力吊是固定在地上的，沒有豎向的運動，而 m3 的恒力吊是固 定在第 6 層的鋼箱梁上的。箱梁的運動減弱了恒力吊的耗能作用。從上述分析可知，場地特征周期和支撐條件對恒力吊的耗能減震作用有明顯影響。8064e（kj）60140201號恒力吊2562041e（kj）151052號恒力吊00246810t（s）00246810t（s）圖 11 m3 的恒力吊在不同地震下耗能曲線8064e（kj）601401號恒力吊66041e（kj）45302號恒力吊201500246810t（s）00246810t（s）圖 12 m2 的恒力吊在不同地震下耗能曲線5. 結(jié)論以上分析可以得出如下結(jié)論：1、主設(shè)備與結(jié)構(gòu)的相互作用對廠房的動力特性有較大的影響。當考慮相互作用影響時， 廠房結(jié)構(gòu)的各階周期以及高階振型的影響增大。建議，當采用振型分解反應(yīng)譜法時，宜取前69 個振型。2、廠房結(jié)構(gòu)的水平地震剪力和頂層的水平地震位移，隨場地特征周期的增大而增大。 在相同場地特征周期下，當考慮相互作用影響時，廠房結(jié)構(gòu)的水平地震剪力和頂部的水平地震位移減小。3、廠房結(jié)構(gòu)對地震波有明顯的放大作用。當考慮相互作用影響時，主設(shè)備固定支座處 的峰值加速度，比不考慮相互作用影響的大 7.4，比地面的大 85.3。關(guān)于這一點應(yīng)該引 起設(shè)備工程師的高度重視。4、恒力吊具有一定的耗能減震作用。場地特征周期和支撐條件對恒力吊的耗能減震作 用有明顯影響。參考文獻1 gb50011-2001建筑抗震設(shè)計規(guī)范s北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001 2 ansys release