不同场地特征周期煤气化高层工业厂房抗震性能分析.doc

豆丁网精品论文不同场地特征周期煤气化高层工业厂房抗震性能分析龙炳煌，王敏仕 武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉（430070） e-mail：binghuang_摘要：为了提高我国煤气化高层工业厂房的抗震能力，本文运用有限元分析软件 ansys， 对某煤气化高层工业厂房进行了时程分析，重点探讨了这种厂房在不同场地特征周期地震波 作用下的抗震性能，得出了有关设备与结构相互作用影响的重要结论，并在此基础上提出了设计建议。关键词：煤气化；工业厂房；结构；设备；相互作用1.前言我国能源 “煤多油少”，煤炭的利用率不高。随着经济的快速发展，能源短缺越来越严 重。为了提高能源的使用效率，缓解石油紧张状况，我国从 2000 年开始实施“煤代油”计划。2007 年 1 月，国家发改委组织编制了煤炭工业“十一五”发展规划，提出要有序推进煤 炭转化示范工程建设，为后十年产业化发展奠定基础。到 2006 年为止，我国已经建成投产的煤气化工程项目 8 个，正在建设的 4 个，还处在 规划中的 2 个。煤气化高层工业厂房是煤气化工程中的关键性厂房。该厂房不仅结构高大， 而且设备高大，设备与结构的联系复杂。设备实际上已经成为厂房结构的一部分。在地震的 作用下，设备与结构之间存在复杂的动力相互作用。以往的研究，针对的设备大多比较矮小，两者的联系比较简单。有关这种设备高大、联 系复杂的高层工业厂房抗震性能的理论研究较少，试验研究则更加匮乏。由于“工程超前、 研究滞后”，设计者往往将设备简化为荷载直接作用在结构上，不考虑设备与结构之间的动 力相互作用。这种设计缺陷必然会加大厂房遭遇地震灾害的风险。一旦厂房结构或者设备出 现破坏，不仅会造成重大的直接灾害，而且很可能会引发严重的次生灾难。因此，对这种煤气化高层工业厂房抗震性能的研究是一项非常重要而又十分紧迫性工 作。本文拟运用 ansys 对某个典型煤气化高层工业厂房进行时程分析，重点从不同场地特 征周期入手，探讨设备与结构的相互作用问题，并在此基础上提出设计建议。2.工程概况与计算方案2.1 工程概况某煤气化高层工业厂房，平面尺寸 20m42m，高度 99.7m（12 层）。38m 以下（5 层） 为混凝土结构，38m 以上（7 层）为钢结构。结构平面见图 1，剖面见图 2。抗震设防烈度 为 7 度，设计基本地震加速度为 0.15g。厂房主设备为气化炉及合成气冷却器，总高度为 55m，总重 1467 吨（工作质量），形 状为倒 u 形，贯穿主体结构达 6 层之多。主设备见图 3。除了主设备之外，还有很多质量、 刚度较小的次设备。主设备采用三点支承于厂房结构上，如图 3 所示。主设备左端固定于第 5 层的混凝土厚 板上（38m 标高），右端通过两个恒力吊支撑在第 6 层的钢箱梁上（46m 标高）。图 1 厂房 38m 标高平面图图 2 厂房 1-1 剖面图 3 主设备示意图2.2 计算方案2.2.1 计算模型拟选 为了研究煤气化工业厂房设备与结构的相互作用，本文拟选择三个计算模型（见图 4）进行对比分析。模型 m1（传统的结构分析模型），将主设备简化成厂房结构上的荷载。模型 m2（传统的设备分析模型），将主设备简化成支撑在地面上的设备。模型 m3，将主设 备简化成厂房结构中的构件。m1m2m3图 4计算模型2.2.2 计算参数选择经分析，时程分析需要考虑 3 个参数的影响：地震动方向、地震动峰值加速度和场地特 征周期。本文选择 x 向（见图 1）为地震动方向，选取地震动峰值加速度为 0.15g。重点研 究在不同场地特征周期下，厂房主设备与结构的相互作用。地震记录千差万别，且每个记录都有其场地地震记录站编号特征周期（s）坚硬capemendocino(90)10.08唐山迁安(ns)20.12中等taftkern county（ns）30.36唐山北京(ew)40.40el centroimperial valley（ns）50.56软弱loma prieta treasure island（90）60.62宁河-天津（ns）70.94特殊的特性，不能仅凭一条地震波的计算结 果来得出结论。因此，本文选择国内外不同 类别场地上的强震记录（见表 1）。这些地 震波的特征周期在 0 到 1 秒之间，每种场地 有 23 条地震波。选取每条地震波中最强 烈的 10 秒钟进行计算，时间步长为 0.02 秒。为了对比分析的方便，将文献1中的 类和类场地统称为中等场地，类场地 为坚硬场地，类场地为软弱场地。3. 有限元分析表 1场地与地震记录3.1 有限元建模本文采用 ansys 进行三维有限元分析，主要采用的单元为：beam44、solid65、 combin39、link8、mass21 等。厂房结构的梁柱、主设备采用 beam44 单元模拟，钢 结构支撑采用 link8 单元模拟。次设备按质量单元 mass21 输入到每个楼层相应的节点上。 活荷载（4.0kn/m2）折算成质量，地震组合系数取 0.5。主设备与结构的连接是建模的关键。恒力吊采用 combine39 单元模拟，单元的轴力变形曲线见图 5。恒力吊的恒定拉力大小取为，设备左边与厚板固接处弯矩为最小值（重 力作用下）时的拉力。为了模拟恒力吊节点的实际工作情况，在设备右边连接恒力吊的地方 设置正方形刚性垫片（见图 6）。图 5 恒力吊的力-位移曲线图 6 结构与主设备连接节点有限元模型主设备固定支座处的混凝土厚板采用 solid65 单元模拟，设置为含钢筋的三维实体。 厚板上下表面各设置刚性垫片（见图 6），可以传递弯矩，防止混凝土单元因节点连接而发 生破坏。两个垫片与厚板之间采用对拉螺杆(用 link8 单元模拟)进行连接。厚板与刚性垫 片之间用 targe170 和 conta173 单元模拟面面接触。厂房的整体有限元模型见图 7。3.2 设备与刚性垫片自由度耦合与约束方程在模型中，主设备采用梁单元，刚性垫片是实体单元，梁 与实体之间的连接要考虑自由度耦合与约束方程。在设备与垫 片连接的部位，应设置两个同位置不同编号的节点，然后进行 耦合自由度和约束方程。3.3 时程分析中的若干问题与处理方法阻尼问题：本分析要考虑阻尼的影响。由于整个结构主要 由混凝土和钢材组成，因此采用材料阻尼，用“mp,damp”命令 输入材料阻尼更方便。重力处理问题：厂房在特征周期较大的地震波作用下，部 分结构可能会进入弹塑性。厂房自重很大，弹塑性分析必须考 虑其影响。解决方法是：时程分析开始时，用“timint,off” 命令关闭时间积分效应，设置“kbc,1”产生阶跃荷载，设置 2 个以上的子步，荷载步时间取非常小（比如 1e-5），施加重力图 7厂房整体有限元模型加速度，这是第一个荷载步；然后再用 timint,on 打开时间积分，设置“kbc,0”逐级加载， 开始正常输入地震波进行时程分析。这样就考虑了自重作为时程分析的初始条件，结构体系有初始位移和初始内力，没有初始速度和加速度。 2-34. 计算结果分析用 ansys 分别对 3 个计算模型进行模态、时程分析，提取计算结果进行对比分析，得 出有关结论。下面从厂房模态、主结构、主设备和恒力吊四个方面进行分析。4.1 模态分析对厂房三个计算模型进行模态分析，取前 9 阶 振型计算（各方向振型质量分数总和为 97100%）， 结果见表 2，可得如下分析：（1）模型 m3 的各阶自振周期比 m1 的大 9.256.0%，其中第 4 阶周期大 56.0%。可见设备与结构 的相互作用对厂房的动力性能有很大的影响。（2）模型 m3 和 m2 的第一周期非常接近，m3 的第一阶振型以主设备的振动为主。（3）厂房各阶周期下降较缓慢，高阶振型对厂 房的影响不能忽略。4.2 主结构抗震性能分析振型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 2三个计算模型的自振周期（s）比较选取主结构顶层（86 米标高）的水平位移、底部水平剪力进行分析。4.2.1 顶层水平位移绝对最大值 xs max 对比分析主结构的顶层水平位移绝对最大值 xs随场地特征周期t 的增大而增大（见图 8a）。maxg随着场地特征周期tg 的增大，m1 的 xs max 从 8mm 增大到 279mm，m3 的 xs max 从 8mm增大到 249mm。在相同场地特征周期tg 条件下，m3 的 xs max 比 m1 的小。其中坚硬场地，m3 比 m1 平均小 12.8%（2mm）；中等场地，m3 比 m1 平均小 9.9%（10mm）；软弱场地，m3 比 m1 小 9.8%（24mm）。4.2.2 底部剪力绝对最大值 vs max 对比分析主结构的底部剪力绝对最大值 vs随场地特征周期t 的增大而增大（见图 8b）。随maxg着场地特征周期tg 的增大，m1 的 vs max 从 1959kn 增大到 31492kn，m3 的 vs max 从 1997kn增大到 25967kn。在相同场地特征周期tg 条件下，m3 的 vs max 比 m1 的小。其中坚硬场地，m3 比 m1 平均小 8.2%（338kn）；中等场地，m3 比 m1 平均小 9.4%（1105kn）；软弱场地，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）图 8axst 关系曲线对比图 8bgmaxvsmax tg 关系曲线对比注： xs表示主结构顶层水平位移绝对最大值； vs表示主结构底部剪力绝对最大值； t 表max示场地特征周期。maxg从上述两个方面的分析可以看出，不考虑相互作用的影响时，主结构的顶层水平位移和底部剪力偏大。4.3 主设备抗震分析选取主设备固定支座加速度时 程、主设备顶点水平位移和底部剪力 的绝对最大值进行分析。4.3.1 固定支座处的加速度对比分析 经分析，在 loma prieta 波的作用下，厂房结构的地震反应最强烈，所加速度（m/s2）-0.5-1.5-2.5m1m3m2012345678910时间(s)以提取这个地震波的固定支座加速度图 9 loma prieta 波作用下主设备固定支座加速度时程对比时程的进行比较（见图 9）。m2 主设备固定支座处的加速度就是 loma prieta 波，其峰值加速度是 1.56m/s2；m1 中主设备固定支座处峰值加速度是 2.69 m/s2， m3 中主设备固定支座 处峰值加速度是 2.89 m/s2。m3 和 m1 在主设备固定支座处的峰值加速度比 m2 的大。说明 厂房结构对地震波有明显的放大作用。其中 m1 在主设备固定支座处的峰值加速度比 m2 的 大 72.4；m3 在主设备固定支座处的峰值加速度比 m2 的大 85.3；m3 在主设备固定支 座处的峰值加速度比 m1 的大 7.4。4.3.2 主设备顶点水平位移对比分析主设备顶点水平位移绝对最大值 xe随场地特征周期t 的增大而增大(见图 10a)。maxgm2 的 xe从 44mm 增大到 98mm，m3 的 xe从 96mm 增大到 473mm。maxmax在相同场地特征周期tg 条件下，m3 的 xe max 比 m2 的大。坚硬场地上，m3 比 m2 平 均大 187.3%（85mm）；中等场地上，m3 比 m2 平均大 180.0%(128mm)；软弱场地上，m3 比 m2 平均大 311.9%（298mm）。4.3.3 主设备底部剪力对比分析主设备底部剪力绝对最大值 ve随场地特征周期t 的增大而增大（见图 10b）。m2maxg的 ve从 973kn 增大到 3286kn，m3 的 ve从 235 kn 增大到 4175 kn。maxmax输入 1、2、3、4、7 号地震波时，m3 的 ve比 m2 的小；输入 5、6 号地震波时，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）图 10a 主设备顶点 xet 关系曲线对比图 10b 主设备 vetg 关系曲线对比maxgmax注： xs表示主设备顶点水平位移绝对最大值； vs表示主设备底部剪力绝对最大值； tg 表示maxmax场地特征周期。m3 中设备顶点水平位移：顶点位移绝对值减去固定支座处的绝对位移值得到。从上述三个方面的分析可以看出，当不考虑相互作用的影响时，主设备支座处的峰值加 速度和设备顶点的水平位移偏小，主设备的底部剪力随场地特征周期的变化有增有减。4.4 恒力吊的耗能分析选择 1、4、6 号地震波对恒力吊进行耗能分析。以恒力吊在振动过程中所作的功来表示 恒力吊的耗能。图 11、12 分别给出了 m3 和 m2 中两个恒力吊，在 1、4、6 号地震波作用下的耗能曲线。从图中可以得到以下分析：（1）恒力吊具有一定的耗能减震作用。恒力吊在软弱场地上的耗能最多，m3 的合计 为 111kj，m2 的合计为 150 kj；中等场地其次，m3 的合计为 23kj，m2 的合计为 97 kj；坚 硬场地最少，m3 的合计为 10kj，m2 的合计为 8kj。（2）恒力吊的耗能存在滞后现象。在坚硬场地上，m2 和 m3 恒力吊的耗能主要集中在 地震开始的 0.1 秒左右，恒力吊要改变重力作用下的变形，0.1 秒之后耗能曲线几乎保持水 平。在中等和软弱场地上，从 0.1 秒到 2 秒这个时间段内耗能曲线保持水平，从第 2 秒开始 耗能曲线随时间明显上升，相互作用开始强烈起来。（3）恒力吊的耗能与其支撑条件有关。比较恒力吊的耗能可知，m2 的恒力吊的耗能 比 m3 大。这是由于 m2 的恒力吊是固定在地上的，没有竖向的运动，而 m3 的恒力吊是固 定在第 6 层的钢箱梁上的。箱梁的运动减弱了恒力吊的耗能作用。从上述分析可知，场地特征周期和支撑条件对恒力吊的耗能减震作用有明显影响。8064e（kj）60140201号恒力吊2562041e（kj）151052号恒力吊00246810t（s）00246810t（s）图 11 m3 的恒力吊在不同地震下耗能曲线8064e（kj）601401号恒力吊66041e（kj）45302号恒力吊201500246810t（s）00246810t（s）图 12 m2 的恒力吊在不同地震下耗能曲线5. 结论以上分析可以得出如下结论：1、主设备与结构的相互作用对厂房的动力特性有较大的影响。当考虑相互作用影响时， 厂房结构的各阶周期以及高阶振型的影响增大。建议，当采用振型分解反应谱法时，宜取前69 个振型。2、厂房结构的水平地震剪力和顶层的水平地震位移，随场地特征周期的增大而增大。 在相同场地特征周期下，当考虑相互作用影响时，厂房结构的水平地震剪力和顶部的水平地震位移减小。3、厂房结构对地震波有明显的放大作用。当考虑相互作用影响时，主设备固定支座处 的峰值加速度，比不考虑相互作用影响的大 7.4，比地面的大 85.3。关于这一点应该引 起设备工程师的高度重视。4、恒力吊具有一定的耗能减震作用。场地特征周期和支撑条件对恒力吊的耗能减震作 用有明显影响。参考文献1 gb50011-2001建筑抗震设计规范s北京：中国建筑工业出版社，2001 2 ansys release