韓 芳,鐘冬望,汪 君

(1.武漢科技大學(xué)理學(xué)院,湖北武漢,430065;2.武漢科技大學(xué)冶金工業(yè)過(guò)程系統(tǒng)科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢,430081;3.中南勘察設(shè)計(jì)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(fù)雜等特點(diǎn)[1-3]。由于生產(chǎn)工藝限制,設(shè)備不能保證對(duì)稱(chēng)布置,因此在風(fēng)振、地震等動(dòng)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(dòng)荷載作用下,設(shè)備產(chǎn)生的慣性力對(duì)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(jì)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?jī)?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(gè)鋼結(jié)構(gòu)樓層;設(shè)備與結(jié)構(gòu)通過(guò)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(guò)16根拉桿懸吊在主梁上。工程場(chǎng)地的抗震設(shè)防烈度為6度,特征周期為0.40 s,屬于Ⅱ類(lèi)場(chǎng)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(shuō)明如下:

(1)坐標(biāo)系及單元。沿結(jié)構(gòu)長(zhǎng)軸方向?yàn)閄軸,短軸方向?yàn)閅軸,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(diǎn),link 8單元模擬連接桿件。模型共生成節(jié)點(diǎn)13 892個(gè),單元17 763個(gè)。

(2)荷載。設(shè)備荷載、樓板的等效荷載、相關(guān)動(dòng)力荷載均按等效質(zhì)量單元導(dǎo)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(diǎn)在旋轉(zhuǎn)方向的3個(gè)自由度,并將該層鋼支撐由原來(lái)的梁?jiǎn)卧鼡Q為桿單元,使轉(zhuǎn)換層節(jié)點(diǎn)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(shí)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性比較

采用ANSYS模態(tài)分析中的Block Lanczos法計(jì)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(jì)算可得,采用剛接和鉸接時(shí),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(yuǎn)大于場(chǎng)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(zhǎng),其中X向延長(zhǎng)2.61%,Y向延長(zhǎng)1.41%。

表2 剛接和鉸接時(shí)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(jì)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(dòng),第2階為Y向平動(dòng),第3階為扭振,第4階為設(shè)備振動(dòng),第5階為鋼結(jié)構(gòu)的X向平動(dòng);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(dòng),對(duì)抗震有利。

由表2中可見(jiàn),相對(duì)剛接來(lái)說(shuō),鉸接方案的第2和第3階模態(tài)對(duì)X向的地震效應(yīng)貢獻(xiàn)較小,而第4和第5階模態(tài)貢獻(xiàn)較大;第1、3和4階模態(tài)對(duì)Y向地震效應(yīng)貢獻(xiàn)減小,而第5階模態(tài)貢獻(xiàn)較大。可見(jiàn)剛接換成鉸接方案后,對(duì)以鋼結(jié)構(gòu)振動(dòng)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(zhǎng)了5.55%,對(duì)地震的作用效應(yīng)貢獻(xiàn)增大,使結(jié)構(gòu)抗震性能略微下降。

2.2 剛接和鉸接時(shí)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)比較

設(shè)計(jì)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(xiàng)組合法(CQC)[6-8]組合計(jì)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(lái)看,地震荷載作用下,鉸接方案對(duì)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(jiàn)圖2(a))。從內(nèi)力來(lái)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(jiàn)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(shí)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(shí)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(jiàn),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(shí)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(shí),結(jié)構(gòu)的動(dòng)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(zhǎng),抗震性能略微下降。

(2)鉸接方案對(duì)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。

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