轉換層剛接和鉸接對結構抗震性能的影響

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過程系統科學湖北省重點實驗室,湖北武漢,430081;3.中南勘察設計院有限公司,湖北武漢,430071)

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

1 廠房結構及其有限元模型

某化工廠廠房主建筑12層,總高度93 m,寬42 m,其中1～5層為鋼筋混凝土結構,6～12層為鋼結構。材料基本參數如表1所示。廠房內主體設備為氣化塔和合成氣塔,高40 m,重640 t,穿越整個鋼結構樓層;設備與結構通過大直徑的彎管相連,一端剛結在轉換層的樓板上,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Table 1 Basic material parameters

采用有限元軟件ANSYS建立廠房結構模型,如圖1所示。

圖1 廠房結構有限元模型Fig.1 Finite element model of structure

建模說明如下:

(1)坐標系及單元。沿結構長軸方向為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備,mass21單元模擬質量點,link 8單元模擬連接桿件。模型共生成節點13 892個,單元17 763個。

(2)荷載。設備荷載、樓板的等效荷載、相關動力荷載均按等效質量單元導入模型。

(3)邊界條件。結構底部施加固定約束,其他部分自由。

(4)剛接鉸接處理。將轉換層處鋼結構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點在旋轉方向的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,使轉換層節點徹底由剛接變為鉸接。

2 結果與分析

2.1 剛接和鉸接時結構的動力特性比較

采用ANSYS模態分析中的Block Lanczos法計算結構的自振頻率和振型參與系數。結構的前5階自振頻率和振型參與系數如表2所示。由表2中數據計算可得,采用剛接和鉸接時,轉換層結構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,因此不易發生共振。由于鉸接比剛接的剛度降低,使得結構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 剛接和鉸接時結構的自振頻率和振型參與系數Table 2 Comparison of frequency and participation coefficient in twomethods

模態計算表明,采用剛接和鉸接方式,結構的振型規律基本一致,第1階為X向平動,第2階為Y向平動,第3階為扭振,第4階為設備振動,第5階為鋼結構的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階模態不易發生耦聯振動,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階模態對X向的地震效應貢獻較小,而第4和第5階模態貢獻較大;第1、3和4階模態對Y向地震效應貢獻減小,而第5階模態貢獻較大。可見剛接換成鉸接方案后,對以鋼結構振動為主的第5階模態影響較大,剛度的減弱使得其周期延長了5.55%,對地震的作用效應貢獻增大,使結構抗震性能略微下降。

2.2 剛接和鉸接時結構的動力響應比較

設計反應譜按GB50011—2001中給出的地震影響曲線確定,譜曲線按結構的自振頻率確定,由于設備的局部振型較多,按完全二次項組合法(CQC)[6-8]組合計算地震效應。以Y向地震荷載為例,兩種方案結構的層間位移、底層混凝土柱子的內力如圖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)),柱的受力狀態有所改善。

圖2 剛接和鉸接時結構的位移和內力Fig.2 Comparison of displacement and internal force in twomethods

剛接和鉸接時結構的基底和轉換層軸力如表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,轉換層連接方式不同引起的柱軸力的變化不是本質的。

表3 剛接和鉸接時結構的基底和轉換層軸力Table 3 Axial force of the bottom and transfer floor in two methods

3 結論

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

(2)鉸接方案對轉換層位移影響較大,該方案使轉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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