黃俊杰

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

考慮設(shè)備反饋作用的鋼框架地震響應(yīng)分析

黃俊杰

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備框架計算模型中真實模擬設(shè)備的外形尺寸、壁厚和操作重量對模型分析結(jié)果有一定的影響，通過模態(tài)分析，振型分解反應(yīng)譜，時程分析方法分別對簡化模型和模擬設(shè)備本體模型進行分析比較，并得出一些結(jié)論。

地震響應(yīng)；模態(tài)分析；反應(yīng)譜；時程分析

在石油化工、化工、冶金等裝置中，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備框架是最常見的結(jié)構(gòu)單體。目前工程設(shè)計中鋼結(jié)構(gòu)框架的結(jié)構(gòu)分析一般采用兩種建模方法，一種是將設(shè)備荷載轉(zhuǎn)化為等效荷載輸入結(jié)構(gòu)模型的簡化方法，另一種是將設(shè)備本體和結(jié)構(gòu)進行整體建模分析的方法。兩種建模方法的優(yōu)缺點是前者建模簡單，計算方便，但未能考慮設(shè)備本體與框架協(xié)同作用對框架結(jié)構(gòu)分析的影響；后者雖然建模復雜，但是考慮了設(shè)備與鋼框架的協(xié)同作用，能正確地反映鋼框架在實際工程中的模態(tài)特征以及地震作用下的受力情況。本文對某設(shè)備鋼框架分別進行輸入等效荷載的簡化模型分析和模擬設(shè)備本體的模型分析，通過分析結(jié)果的對比，得出鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備框架中設(shè)備（特別是大型容器）對框架整體影響的一些結(jié)論，供廣大設(shè)計人員參考。

1 分析模型

某裝置加氫框架主要支撐4臺立式罐設(shè)備，北側(cè)兩臺罐設(shè)備高度15 m，直徑2.26 m，操作重量為114 t；南側(cè)兩臺罐設(shè)備高度14 m，直徑2.6 m，操作質(zhì)量為128 t?？蚣芸偢叨?1.2 m，共五層，設(shè)備支座位于框架第二層，11 m標高處。結(jié)構(gòu)形式為鋼結(jié)構(gòu)框架，鋼材采用Q345B，柱腳鉸接，弱軸（X）方向布置人字撐，強軸（Z）方向僅底下二層布置八字撐。樓面恒荷載（含管道）取4 kN/m2，活荷載取3 kN/ m2。

框架結(jié)構(gòu)安全等級為二級，設(shè)計使用年限為50年，場地類別為Ⅲ類，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計地震分組為第一組。框架抗震等級為三級。

選用STAAD.Pro軟件建立結(jié)構(gòu)基本模型，4臺設(shè)備的操作荷載按支座集中力的形式輸入模型，其他荷載按實際情況布置，這個基本模型我們稱為模型A。另用板單元模擬設(shè)備本體，按照真實的設(shè)備高度、直徑、壁厚建立各個設(shè)備單獨模型，然后將設(shè)備模型合并到模型A中，我們稱為模型B。在模型B中，設(shè)備與鋼結(jié)構(gòu)之間的連接關(guān)系利用主從節(jié)點來模擬，設(shè)備荷載通過板單元面荷載的方法輸入，同時確保兩種模型設(shè)備荷載的靜態(tài)力輸入完全一致。模型A和模型B分別見圖1、圖2。

圖1 模型AFig.1 Model A

圖2 模型BFig.2 Model B

2 模態(tài)分析比較

模型A和模型B在豎向靜荷載作用下，結(jié)構(gòu)的受力情況基本是一致的。模型B中由于模擬了真實的設(shè)備本體，考慮了參振設(shè)備與結(jié)構(gòu)的耦合作用，結(jié)構(gòu)的動力特性相比模型A發(fā)生了比較顯著的變化?？紤]所選取振型的有效質(zhì)量系數(shù)總和超過90 %，對于兩個模型分別截取前12階振型模態(tài)進行闡述和比較，各階振型的周期、參振質(zhì)量系數(shù)以及模態(tài)特征見表1。

從表1中可以看出：

（1）模型A的振型模態(tài)比較簡單，前三階振型在結(jié)構(gòu)的總運動中占了主導地位，第1階為Z方向結(jié)構(gòu)平動，第2、3階為X方向結(jié)構(gòu)平動，并且前三階振型兩方向參振質(zhì)量系數(shù)總和均已超過了90 %；模型B的振型模態(tài)相對復雜，需要考慮更高階的振型模態(tài)，其中第1階為Z方向結(jié)構(gòu)平動，第2、3、6、9階為X方向結(jié)構(gòu)平動，其余各階多為設(shè)備的局部振動。

（2）模型B考慮了結(jié)構(gòu)與設(shè)備的耦合作用，在模型中模擬了設(shè)備的外形和壁厚，真實反映出鋼結(jié)構(gòu)在樓層設(shè)備反饋作用下的振型模態(tài)。相比簡化模型A，模型B的Z方向結(jié)構(gòu)平動周期略滯后，前幾階振型參振質(zhì)量稍有下降；X方向結(jié)構(gòu)平動周期滯后相對多一些，參振質(zhì)量變化更為顯著。

3 地震響應(yīng)分析

3.1 振型分解反應(yīng)譜法

采用抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為Ⅲ類條件下的地震反應(yīng)譜曲線，對兩個結(jié)構(gòu)模型分別進行反應(yīng)譜分析，得到結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的地震響應(yīng)。

表1 模態(tài)分析結(jié)果比較Tab.1 Comparison of the model analytic results

兩模型鋼框架基底的地震剪力數(shù)據(jù)見表2，從表中可以看出相比模型A，模型B的總地震力兩個方向均有所減小，其中X方向減小了11.3 %，Z方向減小了5.8 %。分析其原因，總的地震力是由各個振型求得的力平方和再開方求得，這就是我們通常說的CQC組合方法。各個振型的質(zhì)點地震力又和地震影響系數(shù)、參振質(zhì)量有關(guān)，從模態(tài)分析中已經(jīng)了解到，模型B兩個方向的平動周期都比模型A要有所變化，由GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[1]（以下簡稱抗規(guī)）5.1.5得出地震影響系數(shù)變小，并且模型

B前幾階的參振質(zhì)量也比模型A要小，按照抗規(guī)5.2.2不難得出模型B的總地震力要比模型A要小的結(jié)論。

表2 基底地震剪力的比較Tab.2 Comparison of the base seismic shear force

兩模型在地震效應(yīng)作用下各樓層節(jié)點位移情況見表3，從表中對比情況可以看出模型B各樓層的位移都比模型A小，其中頂層位移X方向減小了18.5 %，Z方向減小了6.8 %。分析其原因，考慮了樓層設(shè)備與框架的耦合作用，使得框架的平動周期發(fā)生變化，進而使得所受水平地震力變小，然而框架的抗側(cè)剛度沒有變化，因此所求得的節(jié)點位移會變小。

表3 樓層位移的比較Tab.3 Comparison of the floor displacement

3.2 時程分析法

為了更加形象、深刻地對兩個模型在地震作用下的響應(yīng)作對比，進一步采用時程分析方法進行分析。地震波選用國內(nèi)外認可度較高的EL-Centro強震波作為地面運動加速度時程曲線[2-3]?？紤]到ELCentro波（N/S波）記錄是一個典型的Ⅱ、Ⅲ類場地的地震記錄[4-5]，時長54 s，卓越周期為0.3 ～ 0.4 s，加速度峰值為341.7 cm/s2，實際分析時根據(jù)抗規(guī)表5.1.2-2的要求，對其進行頻譜特性、峰值強度和有效持時進行調(diào)整，峰值按多遇地震7度調(diào)整為0.35 m/s2，持續(xù)時間為20 s，時間間隔為0.02 s，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.04，調(diào)整后的時程曲線見圖3。

圖3 地震波加速度時程曲線Fig.3 Time-history curve of earthquake acceleration

將調(diào)整后的EL-Centro地震波輸入Staad Pro.計算軟件，分別對模型A和模型B進行激勵，結(jié)構(gòu)頂層節(jié)點位移、加速度的時程響應(yīng)曲線，見圖4 ～ 7，峰值數(shù)據(jù)匯總見表4。

圖4 模型A地震波作用下頂點位移曲線Fig.4 Top displacement curve under seismic wave action in model A

圖5 模型B地震波作用下頂點位移曲線Fig.5 Top displacement curve under seismic wave action in model B

圖6 模型A地震波作用下頂點加速度曲線Fig.6 Top acceleration curve under seismic wave action in model A

圖7 模型B地震波作用下頂點加速度曲線Fig.7 Top acceleration curve under seismic wave action in model B

表4 頂層位移最大值和加速度最大值的比較Tab.4 Comparison the maximal value of top displacement and acceleration

對比分析圖4 ～ 7以及從表4中可以看出：

（1）兩個模型發(fā)生頂層節(jié)點最大位移，最大加速度的時刻基本一致，且位移的最大響應(yīng)總是滯后于最大加速度的響應(yīng)。

（2）相比模型A，模型B頂層位移最大值X方向減小了18.1 %，Z方向減小了5.7 %。

（3）相比模型A，模型B頂層加速度最大值X方向減小了15.7 %，Z方向減小了4.3 %。

4 設(shè)備剛度變化

為進一步了解設(shè)備的反饋作用對鋼框架地震響應(yīng)的影響，通過改變設(shè)備壁厚來改變設(shè)備自身的剛度，進而探尋設(shè)備剛度變化與設(shè)備鋼框架地震響應(yīng)之間的關(guān)系。

模型B中設(shè)備的壁厚實際是28 mm，現(xiàn)將壁厚分別調(diào)整為32 mm、36 mm和40 mm，在調(diào)整的過程中設(shè)備總的操作荷載保持不變，變化的僅僅是設(shè)備自身的剛度。將模型B在不同設(shè)備壁厚情況下分別進行計算分析，采用相同的振型分解反應(yīng)譜方法，得出基底地震力和地震作用下頂層位移最大值，以及與最初模型A分析結(jié)果的比較情況見表5、表6。

從表5和表6可以看出，模型B中隨著設(shè)備本體壁厚的變大（設(shè)備剛度變大），無論是鋼框架所受的地震力還是地震作用下頂層節(jié)點的位移都變大，并且同模型A分析結(jié)果的差距不斷變小。

5 結(jié)論

通過模態(tài)分析，振型分解法和時程分析法分別對加氫框架簡化模型與考慮設(shè)備本體模型進行了分析比較，得出以下結(jié)論：

表5 基底地震剪力的比較Tab.5 Comparison of the base seismic shear force

表6 頂層位移的比較Tab.6 Comparison of the top displacement

（1）加氫設(shè)備框架在模擬了設(shè)備真實尺寸、壁厚以及荷載分布后，相比簡化模型所受的基底地震力和頂層位移都有所減小。

（2）考慮了真實設(shè)備對鋼框架地震響應(yīng)的反饋作用，抗側(cè)剛度相對大的弱軸有支撐方向分析結(jié)果的差異比較顯著，抗側(cè)剛度相對小的強軸無支撐方向分析結(jié)果的差異相對小。

（3）隨著設(shè)備壁厚的增加，設(shè)備剛度的加大，考慮設(shè)備本體模型的分析結(jié)果越接近于簡化模型的分析結(jié)果。

[1]GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[2]周曉峰.巨型鋼框架結(jié)構(gòu)的靜力、抗震和抗風分析[D].杭州：浙江大學，2001.

[3]許志榮.高聳鋼結(jié)構(gòu)塔架的風荷載、地震作用分析[D].大慶：東北石油大學，2011：21-40.

[4]肖斌.大型火電廠鍋爐鋼結(jié)構(gòu)靜力及穩(wěn)定性分析[D].上海：上海交通大學，2008.

[5]段振亞.框架塔設(shè)備動力特性的研究[D].天津：天津大學，2003.

國家食品藥品總局發(fā)布藥品追溯體系最新意見

根據(jù)《中華人民共和國食品安全法》、《中華人民共和國藥品管理法》、《醫(yī)療器械監(jiān)督管理條例》、《化妝品衛(wèi)生監(jiān)督條例》等有關(guān)法律法規(guī)的規(guī)定和《國務(wù)院辦公廳關(guān)于加快推進重要產(chǎn)品追溯體系建設(shè)的意見》（國辦發(fā)〔2015〕95號）文件精神，為控制食品藥品安全風險，保護消費者權(quán)益，2016年9月27日，國家食品藥品監(jiān)督管理總局發(fā)布了《總局關(guān)于推動食品藥品生產(chǎn)經(jīng)營者完善追溯體系的意見》（食藥監(jiān)科〔2016〕122號）。意見內(nèi)容共8條，主要有以下亮點：

1.強調(diào)食品藥品生產(chǎn)經(jīng)營者的主體責任，要求對其生產(chǎn)經(jīng)營的產(chǎn)品來源可查、去向可追。在發(fā)生質(zhì)量安全問題時，能夠及時召回相關(guān)產(chǎn)品、查尋原因。

2.全文4次出現(xiàn)了“鼓勵”，具體：鼓勵藥品、醫(yī)療器械生產(chǎn)企業(yè)對產(chǎn)品最小銷售單位賦以唯一性標識，以便經(jīng)營者、消費者識別。鼓勵生產(chǎn)經(jīng)營者運用信息技術(shù)建立食品藥品追溯體系。鼓勵信息技術(shù)企業(yè)作為第三方，為生產(chǎn)經(jīng)營者提供產(chǎn)品追溯專業(yè)服務(wù)。鼓勵行業(yè)協(xié)會組織企業(yè)搭建追溯信息查詢平臺，為監(jiān)管部門提供數(shù)據(jù)支持，為生產(chǎn)經(jīng)營者提供數(shù)據(jù)共享，為公眾提供信息查詢。（筆者理解：總局不再強制要求藥企像此前電子監(jiān)管碼一樣對最小銷售單位進行唯一性標識，但是還是希望有條件、有能力的企業(yè)能夠這么做。此外總局也希望信息技術(shù)企業(yè)和行業(yè)協(xié)會能夠為生產(chǎn)經(jīng)營者提供專業(yè)服務(wù)或者搭建追溯信息查詢平臺。）

3.意見對食品、藥品、醫(yī)療器械、化妝品均提出了要求，如意見第三條 藥品、醫(yī)療器械生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)當按照生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范（GMP）要求對各項活動進行記錄。記錄應(yīng)當真實、準確、完整和可追溯。

4.強調(diào)地方藥監(jiān)局要對行政區(qū)域內(nèi)相關(guān)生產(chǎn)經(jīng)營者原料來源記錄、生產(chǎn)過程記錄、購銷記錄等追溯體系建設(shè)要求的落實情況進行督促檢查和總結(jié)。對不履行追溯責任者依法及時查處。

（蒲公英）

Seismic Response Analysis for Steel Frame Interacting with Equipment

Huang Junjie
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai 200120）

In establishing model of steel equipment structure, the contour size, thickness and operation weight of real equipment have some effects to the results of analytical calculation. In this article, by using the methods of modal analysis, discomposed response spectrum with vibration mode and time history analysis, and based on simplified model and real model, seismic analysis was performed. The results from the analysis were compared, and some conclusions were obtained, which may be referenced by engineers.

seismic response; modal analysis; response spectrum; time history analysis

TU 352

A

2095-817X（2016）05-0034-006

2016-07-15

黃俊杰（1983—），男，工程師，從事石油化工行業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。