韓 芳,鐘冬望,汪 君

(1.武漢科技大學理學院,湖北武漢,430065;2.武漢科技大學冶金工業(yè)過程系統(tǒng)科學湖北省重點實驗室,湖北武漢,430081;3.中南勘察設(shè)計院有限公司,湖北武漢,430071)

煤制氫工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)多為超高層結(jié)構(gòu),具有跨度大、設(shè)備多、設(shè)備與廠房連接復雜等特點[1-3]。由于生產(chǎn)工藝限制,設(shè)備不能保證對稱布置,因此在風振、地震等動荷載作用下,結(jié)構(gòu)質(zhì)心和剛心易發(fā)生偏離,結(jié)構(gòu)整體的抗震性能降低[4-5]。另外工業(yè)設(shè)備體積大、質(zhì)量大,在動荷載作用下,設(shè)備產(chǎn)生的慣性力對廠房結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響較大。本文擬在轉(zhuǎn)換層剛接和鉸接條件下,研究鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的抗震性能,以期為工程設(shè)計提供合理可靠的理論依據(jù)。

1 廠房結(jié)構(gòu)及其有限元模型

某化工廠廠房主建筑12層,總高度93 m,寬42 m,其中1～5層為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),6～12層為鋼結(jié)構(gòu)。材料基本參數(shù)如表1所示。廠房內(nèi)主體設(shè)備為氣化塔和合成氣塔,高40 m,重640 t,穿越整個鋼結(jié)構(gòu)樓層;設(shè)備與結(jié)構(gòu)通過大直徑的彎管相連,一端剛結(jié)在轉(zhuǎn)換層的樓板上,另一端通過16根拉桿懸吊在主梁上。工程場地的抗震設(shè)防烈度為6度,特征周期為0.40 s,屬于Ⅱ類場地。

表1 材料的基本參數(shù)Table 1 Basic material parameters

采用有限元軟件ANSYS建立廠房結(jié)構(gòu)模型,如圖1所示。

圖1 廠房結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.1 Finite element model of structure

建模說明如下:

(1)坐標系及單元。沿結(jié)構(gòu)長軸方向為X軸,短軸方向為Y軸,豎直向上為Z軸,采用beam188單元模擬梁柱剛性支撐,shell63單元模擬混凝土樓板和設(shè)備,mass21單元模擬質(zhì)量點,link 8單元模擬連接桿件。模型共生成節(jié)點13 892個,單元17 763個。

(2)荷載。設(shè)備荷載、樓板的等效荷載、相關(guān)動力荷載均按等效質(zhì)量單元導入模型。

(3)邊界條件。結(jié)構(gòu)底部施加固定約束,其他部分自由。

(4)剛接鉸接處理。將轉(zhuǎn)換層處鋼結(jié)構(gòu)柱子的最底層單元更換為beam44單元,然后釋放掉其與混凝土相交節(jié)點在旋轉(zhuǎn)方向的3個自由度,并將該層鋼支撐由原來的梁單元更換為桿單元,使轉(zhuǎn)換層節(jié)點徹底由剛接變?yōu)殂q接。

2 結(jié)果與分析

2.1 剛接和鉸接時結(jié)構(gòu)的動力特性比較

采用ANSYS模態(tài)分析中的Block Lanczos法計算結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型參與系數(shù)。結(jié)構(gòu)的前5階自振頻率和振型參與系數(shù)如表2所示。由表2中數(shù)據(jù)計算可得,采用剛接和鉸接時,轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)自振的基本周期分別為1.845 7 s(X向)、1.605 4 s(Y向)和1.893 9 s(X向)、1.628 1 s(Y向),均遠大于場地特征周期0.40 s,因此不易發(fā)生共振。由于鉸接比剛接的剛度降低,使得結(jié)構(gòu)自振的基本周期變長,其中X向延長2.61%,Y向延長1.41%。

表2 剛接和鉸接時結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型參與系數(shù)Table 2 Comparison of frequency and participation coefficient in twomethods

模態(tài)計算表明,采用剛接和鉸接方式,結(jié)構(gòu)的振型規(guī)律基本一致,第1階為X向平動,第2階為Y向平動,第3階為扭振,第4階為設(shè)備振動,第5階為鋼結(jié)構(gòu)的X向平動;前5階間的自振頻率有一定的間隔,其中相鄰兩階自振頻率相差最小為第4階和第5階,也相差10.3%。因此,前5階模態(tài)不易發(fā)生耦聯(lián)振動,對抗震有利。

由表2中可見,相對剛接來說,鉸接方案的第2和第3階模態(tài)對X向的地震效應(yīng)貢獻較小,而第4和第5階模態(tài)貢獻較大;第1、3和4階模態(tài)對Y向地震效應(yīng)貢獻減小,而第5階模態(tài)貢獻較大?？梢妱偨訐Q成鉸接方案后,對以鋼結(jié)構(gòu)振動為主的第5階模態(tài)影響較大,剛度的減弱使得其周期延長了5.55%,對地震的作用效應(yīng)貢獻增大,使結(jié)構(gòu)抗震性能略微下降。

2.2 剛接和鉸接時結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)比較

設(shè)計反應(yīng)譜按GB50011—2001中給出的地震影響曲線確定,譜曲線按結(jié)構(gòu)的自振頻率確定,由于設(shè)備的局部振型較多,按完全二次項組合法(CQC)[6-8]組合計算地震效應(yīng)。以Y向地震荷載為例,兩種方案結(jié)構(gòu)的層間位移、底層混凝土柱子的內(nèi)力如圖2所示。從位移來看,地震荷載作用下,鉸接方案對第6層轉(zhuǎn)換層的層間位移影響較大,其余樓層相差不大(見圖2(a))。從內(nèi)力來看,地震荷載作用下,鉸接方案使底層部分混凝土柱子軸力有所提高,而剪力和彎矩有較大幅度下降(見圖2(b)、圖2(c)和圖2(d)),柱的受力狀態(tài)有所改善。

圖2 剛接和鉸接時結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力Fig.2 Comparison of displacement and internal force in twomethods

剛接和鉸接時結(jié)構(gòu)的基底和轉(zhuǎn)換層軸力如表3所示。由表3中可見,地震引起的基底軸力占恒荷載引起的基底軸力的7.5%(最大情況下),而由于轉(zhuǎn)換層連接方式不同引起的基底軸力的變化占恒荷載引起的基底軸力的0.16%(最大情況下)。因此,轉(zhuǎn)換層連接方式不同引起的柱軸力的變化不是本質(zhì)的。

表3 剛接和鉸接時結(jié)構(gòu)的基底和轉(zhuǎn)換層軸力Table 3 Axial force of the bottom and transfer floor in two methods

3 結(jié)論

(1)轉(zhuǎn)換層分別采用鉸接和剛接時,結(jié)構(gòu)的動力特性規(guī)律基本一致,但鉸接比剛接的剛度略低,使得結(jié)構(gòu)的基本周期變長,抗震性能略微下降。

(2)鉸接方案對轉(zhuǎn)換層位移影響較大,該方案使轉(zhuǎn)換層及底層混凝土柱子的剪力和彎矩減小,部分柱子軸力略有提高,改善了其受力性能。

[1] 韓芳,黃克戩.偏心化工廠房結(jié)構(gòu)抗震性能分析[J].三峽大學學報:自然科學版,2004,26(6):520-523.

[2] 蔡元奇,韓芳,朱以文.場地卓越周期與結(jié)構(gòu)基本周期關(guān)系研究[J].地震工程與工程振動,2004,24(4):70-74.

[3] 俞盛鍔.化工廠結(jié)構(gòu)設(shè)計中若干問題的探討[J].上海化工,2002,10(11):24-26.

[4] 李杰,陳淮,孫增壽,等.工業(yè)結(jié)構(gòu)-設(shè)備體系在地震作用下的動力相互作用研究[J].地震工程與工程振動,1997,17(2):98-105.

[5] 孫增壽,陳淮,李杰.結(jié)構(gòu)-設(shè)備復合系統(tǒng)振動特性研究[J].工業(yè)建筑,1997,27(2):20-24.

[6] 朱鏡清.結(jié)構(gòu)抗震分析原理[M].北京:地震出版社,2002:85-90.

[7] 李培林.建筑抗震與結(jié)構(gòu)選型構(gòu)造[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1990:95-98.

[8] 鄒經(jīng)湘,王本利,王世忠,等.結(jié)構(gòu)動力學[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社,1996:50-53.