鋼框架結構抗震的粘滯阻尼器位置優化研究

李新明,宋文博,李 慧,彭 曄

(北方工業大學土木工程學院，北京,100144)

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鋼框架結構抗震的粘滯阻尼器位置優化研究

李新明,宋文博,李 慧,彭 曄

(北方工業大學土木工程學院，北京,100144)

摘要：隨著中國經濟的快速增長，產業規模和技術不斷革新，全鋼結構工業廠房作為一種新型廠房備受關注。地震載荷作用下鋼結構廠房的安全至關重要，本文研究將粘滯阻尼器用于鋼結構煤氣化工業廠房的抗震設計中。通過ABAQUS軟件建立有限元模型，利用有限元理論分析地震作用下的鋼結構廠房響應，對粘滯流體阻尼器的參數和位置進行優化，達到減震設計目的。

關鍵詞：鋼結構；工業廠房；抗震；粘滯阻尼器；優化

大型超高鋼框架結構是石化及煤化工行業廣泛使用的化學反應設備，隨著石化和煤化工行業裝置建設規模擴大，這些大型框架結構不斷加高，正由目前的100米向著130米的高度方向發展。這類超高鋼框架結構的抗震設計問題亟待研究。傳統的抗震設計是通過增強結構自身的強度和剛度，做到“小震不壞、中震可修、大震不倒”。另外一種比較有效的抗震途徑是采取結構振動控制技術，在工程結構的特定部位裝設阻尼減震裝置，改變調整結構的動力特性，使得工程結構在地震作用下的動力反應得到合理控制，確保結構本身及結構中的人員、儀器設備等的安全和正常使用同。

本文研究在這種超高鋼框架結構安裝粘滯流體阻尼器進行減震設計的可行性。本文通過ABAQUS軟件建立鋼框架結構的有限元模型，利用有限元理論分析地震作用下的鋼結構廠房響應，對黏滯流體阻尼器的參數和位置進行優化設計，達到減震設計要求。

1　鋼框架結構的幾何模型

本文研究的高層鋼框架結構工業廠房是某化工企業的高層工業生產廠房，安裝有巨大重型的化工設備，廠房平面尺寸42m×20m，12層，高99.7m。支撐均采用人字型支撐，采用了焊接型鋼，框柱均采用箱型柱，主、次梁為焊接H型鋼梁。廠房主結構梁、柱均選用Q235鋼材，共有四種截面尺寸，見表1。高層鋼框架廠房的幾何模型見圖1。

表1　柱截面尺寸

2　鋼框架結構的有限元模型

2.1鋼框架結構

鋼框架采用采用B31二節點梁單元。加載采用兩個分析步，第一個分析步為靜力學分析步，給整體模型施加重力加速度，框架與基礎固定約束；第二個分析步為隱式動力學分析步，放松框架與基礎 在地震作用方向的自由度，并在該自由度方向上施加El-Centro地震波加速度時程，粘滯阻尼器采用ABAQUS軟件中的彈簧阻尼單元模擬，有限元模型見圖2。

2.2地震波選取

表2　梁截面尺寸

圖1　高層鋼框架廠房幾何模型

圖2　高層鋼框架廠房有限元模型

該工程抗震設防烈度為7度，相應于設防烈度的設計基本地震加速度為0.15g，設計地震分組為第二組，設計特征周期為0.40s。按照GB50761-2012《石油化工鋼制設備抗震設計規范》對時程分析法規定，地震波選用El-Centro波作為地面運動加速度時程曲線，并對加速度時程進行調幅，以危害性大的罕遇地震為例，持續時間20s，調整后的加速度時程曲線見圖3。

圖3　El-Centro地震波加速度時程

3　安裝粘滯阻尼器的鋼框架結構抗震響應

在模型底部施加水平向的加速度邊界條件，框架頂端的加速度響應情況見圖4。阻尼器的安裝直接影響側框架塔的抗震性能，阻尼器變形反映了樓層之間的相對位移，阻尼器軸力變化反映框架之間的相互作用力。圖5-圖10給出了分別在奇數樓層安裝粘滯流體阻尼器時，鋼框架頂端的加速度時程響應曲線。

圖4　框架頂部加速度響應時程曲線

圖5　位置1阻尼器減震效果

圖6　位置2阻尼器減震效果

圖7　位置3阻尼器減震效果

圖8　位置4阻尼器減震效果

圖9　位置5阻尼器減震效果

圖10　位置6阻尼器減震效果

4　總結

對比圖5-圖10六個位置阻尼器對框架頂部減震的效果，可知在位置3安裝阻尼器對框架頂部的減震效果最好，分析原因是位置3為混凝土框架結構向鋼框架結構的過渡階段，相對變形較大，因此位置3阻尼器效果最好。需要說明的是，上述計算結果是將框架結構簡化為二維模型的計算結果，模型進行了較大的簡化。計算中阻尼器減震效果是只考慮了阻尼器安裝位置對減震的影響，沒有考慮阻尼器本身剛度、阻尼系數對減震效果的影響。

參考文獻

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[2]洪建國．直立高塔與框架的水平荷載協同工作分析 [J]．化工設備設計，1993，30(1)：12-19

[3]GB50761-2012石油化工鋼制設備抗震計規范[S]． 北京：中國計劃出版社，2012

STEEL FRAME STRUCTURES viscous dampers position Optimization

Li Xinming,Song Wenbo,Li Hui,Peng Ye
（School of Civil Engineering, North China University of Technology,Beijing,100144）

Abstract：With the rapid growth of Chinese economy,the scale of the industry and technological innovation, all-steel industrial plant as a new powerhouse concern.Essential safety under earthquake loading steel plant,the paper studies the viscous dampers used in steel gas chemical plant seismic design.ABAQUS finite element model through software,using finite element analysis theory steel plant response under seismic effect on the fluid viscous damper parameters and optimize the position, designed to achieve damping.

Keywords：steel;industrial plants;Earthquake;viscous dampers; optimization