基于SMA橡膠復(fù)合支座的高聳化工塔隔震分析

摘 要：針對(duì)高聳化工塔設(shè)備在地震載荷作用下的振動(dòng)響應(yīng)問(wèn)題，應(yīng)用SMA橡膠復(fù)合支座對(duì)地震載荷作用下的高聳化工塔設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，探索方案的可行性及其減震效果。研究表明，SMA橡膠復(fù)合支座對(duì)高聳化工塔設(shè)備有很好的隔震作用。

關(guān)鍵詞：高聳化工塔；地震響應(yīng)；SMA復(fù)合橡膠支座

高聳化工塔設(shè)備是化工企業(yè)重要的設(shè)備之一，對(duì)其在隔震領(lǐng)域的研究非常重要。形狀記憶合金[1]（簡(jiǎn)稱(chēng)SMA）因具有形狀記憶效應(yīng)及穩(wěn)定的偽彈耗能特性，在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中得到關(guān)注，并廣泛應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域[2]。文章將形狀記憶合金橡膠復(fù)合支座用于高聳化工塔設(shè)備地震控制中，探索其控制效果。

1 SMA橡膠復(fù)合支座構(gòu)造及工作原理

文章采用的SMA橡膠復(fù)合支座[3]兼有耗能和復(fù)位功能，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。SMA拉索交叉對(duì)稱(chēng)的分布在橡膠支座的四個(gè)側(cè)面，SMA拉索的兩端固定在支座的外聯(lián)結(jié)鋼板上，拉索施加3%的預(yù)應(yīng)變。

在正常使用載荷下，SMA橡膠復(fù)合支座具有足夠的初始剛度可以抵抗振動(dòng)產(chǎn)生的側(cè)向變形，此時(shí)SMA拉索處于彈性階段工作狀態(tài)。在強(qiáng)震作用下，橡膠通過(guò)自身的剪切滯回變形消耗能量，同時(shí)SMA拉索發(fā)生加卸載交替變化，未經(jīng)預(yù)拉伸的拉索進(jìn)入彈塑性變形和超彈性變形階段，產(chǎn)生通過(guò)原點(diǎn)的滯回曲線(xiàn)；經(jīng)過(guò)預(yù)拉伸的拉索發(fā)生超彈性變形，形成飽滿(mǎn)的滯回曲線(xiàn)，消耗振動(dòng)產(chǎn)生的能量。通過(guò)對(duì)預(yù)應(yīng)變SMA拉索和橡膠支座滯回曲線(xiàn)的疊加得到復(fù)合支座的滯回曲線(xiàn)，為SMA橡膠復(fù)合支座在高聳化工塔設(shè)備隔震領(lǐng)域的應(yīng)用提供論基礎(chǔ)。

2 動(dòng)力響應(yīng)分析

3 數(shù)值模擬

由于高聳中壓閃蒸塔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，且壁厚相同，為了研究方便，文章將其簡(jiǎn)化為10個(gè)集中質(zhì)量的多自由離散體系，該塔尺寸及材料參數(shù)[4]為：內(nèi)徑1400mm，壁厚14mm，高度30000mm，密度7850kg/m3，彈性模量200GPa，阻尼比？灼1=？灼2=0.02。形狀記憶合金材料參數(shù)參照文獻(xiàn)[5]。采用的地震波選取Taft地震波，時(shí)間步長(zhǎng)為0.02s，輸入地震波持續(xù)時(shí)間為16s。

為了使SMA橡膠復(fù)合支座均勻的支撐住高聳中壓閃蒸塔，并起到較好的減震效果，設(shè)計(jì)三個(gè)SMA橡膠復(fù)合支座均勻的安置在高聳塔設(shè)備的底部。

基于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)原理，對(duì)安裝有SMA橡膠復(fù)合支座的地震響應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，探索SMA橡膠復(fù)合支座對(duì)高聳化工塔地震響應(yīng)的控制效果。圖2和3分別為高聳化工塔中間第五個(gè)質(zhì)點(diǎn)和塔頂?shù)谑畟€(gè)質(zhì)點(diǎn)在有控和無(wú)控狀態(tài)下位移響應(yīng)曲線(xiàn)。為了驗(yàn)證MATLAB數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，利用ANSYS軟件計(jì)算的高聳化工塔無(wú)控狀態(tài)下的地震響應(yīng)曲線(xiàn)也一并給出。

從圖2中可以看出，MATLAB數(shù)值模擬結(jié)果與ANSYS軟件計(jì)算結(jié)果很接近。在Taft地震波作用下，高聳中壓閃蒸塔設(shè)備中部第五個(gè)質(zhì)點(diǎn)在無(wú)控狀態(tài)下的峰值為38.15mm，安裝SMA橡膠復(fù)合支座的高聳中壓閃蒸塔設(shè)備的中部第五個(gè)質(zhì)點(diǎn)位移峰值達(dá)到15.27mm，位移減震率達(dá)到60%。

從圖3中可以看出，在Taft地震波作用下，高聳中壓閃蒸塔的塔頂?shù)谑畟€(gè)質(zhì)點(diǎn)在無(wú)控狀態(tài)下的峰值達(dá)到了57.17mm，安裝有SMA橡膠復(fù)合支座的高聳中壓閃蒸塔設(shè)備的位移峰值達(dá)到25.807mm，位移減震率達(dá)到54.85%。

圖4為SMA橡膠復(fù)合支座在地震載荷作用下的回復(fù)力滯回曲線(xiàn)，由圖可以看出，隨著支座振幅增大，支座回復(fù)力也相應(yīng)增大，最大回復(fù)力達(dá)到49KN，在震動(dòng)過(guò)程中，支座因形狀記憶合金的超彈性形成飽和的滯回曲線(xiàn)，起到了良好的耗能減震作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)應(yīng)用SMA橡膠復(fù)合支座的高聳化工塔進(jìn)行了地震響應(yīng)分析表明，高聳化工塔設(shè)備的位移響應(yīng)明顯減小，SMA橡膠復(fù)合支座對(duì)高聳化工塔設(shè)備有很好的隔震作用。

參考文獻(xiàn)

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[4]郝偉.高聳石化設(shè)備阻尼減振技術(shù)研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2012.

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作者簡(jiǎn)介：呂梅（1988-），女，山東濟(jì)南，漢族，青島科技大學(xué)工程碩士，工程力學(xué)專(zhuān)業(yè)，主要研究智能材料與結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。