試論西南煤機電高層工業(yè)廠房抗震性能及其設(shè)計方法

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,能源短缺越來越嚴(yán)重, 為了使國家能順利實施煤炭發(fā)展規(guī)劃, 為了提高能源的使用效率, 根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》，有必要分析煤氣化高層工業(yè)廠房抗震性能，應(yīng)符合所建地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求，對西南煤機典型煤氣化高層工業(yè)廠房, ,應(yīng)符合比9度抗震設(shè)防更高的要求。

一、西南煤機電工程概況與計算方案

（一）工程概況

本項目建設(shè)場地位于貴州省六盤水市，原為山脊和丘陵段，地勢起伏大，現(xiàn)已開挖平場，場地基本平整。抗震設(shè)防烈度均為6度。西南天地煤機裝備制造有限公司建設(shè)中，其第一聯(lián)合廠房為門式剛架結(jié)構(gòu)，電鍍車間廠房為鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)，第二聯(lián)合廠房為門式剛架結(jié)構(gòu)，成品庫主體結(jié)構(gòu)為剛結(jié)構(gòu)，廠房在形體設(shè)計上盡量保持了工業(yè)廠房的基本特征，本項目屬于大型工業(yè)項目，子項較多，涉及工藝復(fù)雜。

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, 主設(shè)備采用三點支承于廠房結(jié)構(gòu)上, 恒力支吊架是一種承載力不變,或?qū)⒊休d力限制在一定范圍內(nèi)變動的管道支吊裝置。

（二）計算模型

分析西南煤機電煤氣化廠房結(jié)構(gòu)與設(shè)備動力相互作用性能, 排除設(shè)備與結(jié)構(gòu)相互作用時，在實際使用時考慮其廠房的地震效應(yīng)差別，我們在這里有幾個計算模型可以考慮。第一種模型就是人們比較熟悉的傳統(tǒng)廠房結(jié)構(gòu)分析模型,也就是可以非常簡單地把主設(shè)備簡化成廠房結(jié)構(gòu)上的荷載；第二模型是在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上把主設(shè)備進(jìn)行簡化，改為支撐在地面上的設(shè)備；第三種形式的模型是把主設(shè)備進(jìn)行有效簡化，做為廠房結(jié)構(gòu)構(gòu)件之一，這種模式最好，它充分考慮了主設(shè)備與廠房結(jié)構(gòu)相互作用。

（三）地震記錄選取

地震記錄千差萬別,每個記錄都有各自的特性,得根據(jù)不同的實際情況，不能僅憑一條地震波的計算結(jié)果就下定論，本文重點分析水平地震, 對煤氣化廠房進(jìn)行抗震性能研究, 本文用地震波處理軟件得到加速度標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜，通過遷安波水平分量加速度標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜、Cape波水平分量加速度、El Centro 波水平分量加速度、Taft波水平分量加速度、Newhall波水平分量加速度、天津波水平分量加速度標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜。

二、有限元建模與求解

用ANSYS建立西南煤機電煤氣高層工業(yè)廠房關(guān)于其建筑的三維有限元建模, 包括實體單元模型和桿系單元模型，分析究設(shè)備與結(jié)構(gòu)的相互作用, 實體單元模型多用于分析獨立的構(gòu)件, 主要單元特性包括三維線彈性錐化非對稱梁單元, 用于模擬鋼筋混凝土實體模型的單元, 具有非線性功能的單軸彈簧單元, 用來表達(dá)與接觸單元相聯(lián)系的目標(biāo)面。

進(jìn)行線彈性分析時,采用相應(yīng)的規(guī)則，定義密度、泊松比、阻尼比和彈性模量；屈服準(zhǔn)則描述材料屈服其各應(yīng)力滿足一定條件，強化準(zhǔn)則描述初始屈服準(zhǔn)則隨塑性應(yīng)變增加所產(chǎn)生的變化。流動準(zhǔn)則描述發(fā)生屈服時塑性應(yīng)變方向。

西南煤機電廠房中各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料參數(shù)包括混凝土梁、柱,厚板混凝土；鋼梁、柱，鋼支撐,對

拉螺桿。設(shè)備，厚板縱向受拉鋼筋，剛性墊片以及恒力吊。設(shè)備的混凝土厚板固定支座, 混凝土本構(gòu)關(guān)系由三維模型簡化一維模型, 鋼材和鋼筋具有很好的均勻性。

進(jìn)行單元選取、實常數(shù)設(shè)置和材料模型建立, 在單元形狀打開后繪圖開始有限元建模工作。進(jìn)行廠房主結(jié)構(gòu)建模，有限元建模不考慮樓板。主設(shè)備建?？紤]自身質(zhì)量和附加質(zhì)量，次設(shè)備建模建立節(jié)點,連接節(jié)點生成次設(shè)備單元，剛性墊片與樓面支承梁之間進(jìn)行節(jié)點藕合。主設(shè)備與主結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點是建模的重點和難點，恒力吊是一種特殊制作的彈簧,我們采用采用Combine39視為理想彈塑性材料, 可以方便的模擬恒力吊的工作，為主設(shè)備提供了特殊的約束。模擬恒力吊節(jié)點的實際工作情況, 模擬設(shè)備與厚板的連接, 采用承壓型高強螺栓, 考慮自由度禍合與約束方程。

三、模態(tài)分析和地震方向及相互作用

用ANSYS對三種計算模型進(jìn)行模態(tài)分析, 取前9階振型計算，其中模型二中設(shè)備與結(jié)構(gòu)的相互作用對廠房周期效果最大，廠房第1階振型以主設(shè)備的振動為主，廠房各階周期下降較緩慢。ANSYS模態(tài)分析后,根據(jù)設(shè)備與結(jié)構(gòu)的相互作用提取廠房各個方向的振型參與系數(shù)，使廠房的高階振型的參與系數(shù)增大, 考慮主設(shè)備相互作用后,主振型向高階偏移，主設(shè)備與結(jié)構(gòu)的相互作用對其動力性能作用最大。

水平地震方向與廠房結(jié)構(gòu)成一定的角度, 對主結(jié)構(gòu)反應(yīng)進(jìn)行分析，在水平X向地震下, X方向地震最大, 對主結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響最大。設(shè)備與結(jié)構(gòu)相互作用對主設(shè)備地震反應(yīng)表現(xiàn) 為在X方向是最強。

四、地震動參數(shù)對相互作用的影響

不同場地特征周期對廠房主設(shè)備與結(jié)構(gòu)在不同的方向上，對廠房主設(shè)備與結(jié)構(gòu)的相互作用有影響，要進(jìn)行線彈性時程分析, 選取主結(jié)構(gòu)頂層質(zhì)心的水平位移、以及它所處的底部水平剪力絕對最大值,還有就是它的主結(jié)構(gòu)層間位移值最大值，再有就是相應(yīng)的標(biāo)高兩個節(jié)點水平位移絕對最大值進(jìn)行實驗，我們發(fā)現(xiàn)，主結(jié)構(gòu)的頂層質(zhì)心水平位移絕對最大值在相關(guān)公式計算下，隨著場地特征周期界的增大；在相同場地特征周期條件下,采用不同的計算模型，計算結(jié)果有差異，但都相互作用改變了峰值和相位。

我們將主結(jié)構(gòu)的層間位移最大值進(jìn)行分析，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》，隨場地特征周期增大而增大, 由位移角限值可以計算得到規(guī)范限值曲線。廠房混凝土框架結(jié)構(gòu)的側(cè)移曲線為剪切型, 在堅硬和中等場地上,層間位移滿足要求，底部的層間位移最大, 建議在軟弱場地上建造西南煤機電煤氣化廠房時, 為了安全起見，要加強混凝土框架結(jié)構(gòu)的層剛度,換句話說，在進(jìn)行設(shè)計時要考慮整個廠房都用鋼結(jié)構(gòu)建造，可以增加更多的鋼支撐。為了對比相互作用對同一樓層不同點影響，大部分地震波作用下,考慮相互作用后，選取相應(yīng)標(biāo)高兩個節(jié)點水平位移絕對最大值，靠近主設(shè)備的節(jié)點的位移減少幅度大,根據(jù)相應(yīng)公式計算，相互作用改變了峰值,也改變了相位。

對固定支座處的加速度對比分析，主設(shè)備頂點水平位移對比分析，主設(shè)備固定支座水平剪力對比分析，當(dāng)不考慮相互作用的影響時, 主設(shè)備頂點的水平位移偏小,同等條件下相關(guān)的主設(shè)備固定支座峰值加速度以及它所涉及到的水平剪力也會在相應(yīng)條件下隨場地特征周期的變化有增有減,當(dāng)然，這都要依照其建筑設(shè)計而定。

當(dāng)恒力吊軸力達(dá)到最大軸力值時,我們就可以將研究進(jìn)入到塑性階段,這時要考慮到恒力吊將消耗地震能量。我們可以采用計算模型進(jìn)行計算，選擇合適的地震波對恒力吊進(jìn)行耗能分析，并繪出相應(yīng)的圖表可得知，恒力吊的耗能存在滯后現(xiàn)象，恒力吊具有一定的耗能減震作用，恒力吊的耗能與其支撐條件有關(guān)，恒力吊耗能與地震輸入能量相比,所占分量很小。在堅硬場地上基本保持彈性, 恒力吊要改變重力作用下的變形,其鋼箱梁的運動減弱了恒力吊的耗能作用，恒力吊較少進(jìn)入塑性,所以耗能小。恒力吊的滯回曲線隨著地震峰值加速度的增大變得飽滿，隨著地震峰值加速度的增大而增大，與地震輸入能量相比,所占分量較小。

在強震作用下,混凝土主梁的梁端會產(chǎn)生塑性鉸，主梁塑性鉸的滯回曲線越飽滿,它所表現(xiàn)出的耗散地震能量越大，說明相互作用減小了主梁塑性鉸的發(fā)展。

五、設(shè)備參數(shù)對相互作用的影響

根據(jù)西南煤機電工程實際情況,其中所擁有的設(shè)備工作狀態(tài)有幾種，隨著主設(shè)備質(zhì)量的增大,計算機模型的各階周期增大，主設(shè)備質(zhì)量對廠房高階振型的影響不能忽略。地震時程分析后,選取主結(jié)構(gòu)頂層質(zhì)心的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，主設(shè)備質(zhì)量越大,主設(shè)備地震效應(yīng)越小。

西南煤機電廠房中的次設(shè)備眾多,為了簡化分析，煤氣化廠房中,除了主設(shè)備之外, 選取其中有代表性的次設(shè)備研究。考慮主次設(shè)備同層、異層等情況, 設(shè)備的質(zhì)量均取操作質(zhì)量，而且分析發(fā)現(xiàn)，次設(shè)備的相互作用會影響主結(jié)構(gòu)和主設(shè)備的地震作用, 次設(shè)備相互作用對主設(shè)備地震效應(yīng)有影響，設(shè)備不同的工作狀態(tài),質(zhì)量不同,其結(jié)果也不同。主設(shè)備在所有備的相互作用中起主要地位。因此設(shè)計時要考慮主設(shè)備的地震反應(yīng)最小,考慮在主設(shè)備上安裝耗能器, 耗能減震器的種類有很多, 考慮耗能裝置的力學(xué)特征，考慮周圍環(huán)境的影響，要避免主設(shè)備上產(chǎn)生應(yīng)力集中，有必要保護(hù)主設(shè)備,以起到改善抗震性能的作用。

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