水泥廠窯尾框架結構抗震性能分析研究

李晶晶

（合肥水泥研究設計院有限公司， 安徽 合肥 230001）

0 引言

近年來，隨著我國水泥生產工藝的不斷進步以及生產規模的不斷擴大，我國水泥廠窯尾高度開始不斷增加，但也正因為如此，水泥廠窯尾框架結構在地震作用下響應也更加復雜。因此，如何在強烈地震作用下，確保窯尾框架結構的穩定性及設備的安全性，成為了當前我國水泥生產企業普遍關注的問題。

1 水泥廠窯尾框架結構抗震性能研究現狀

目前，我國大多數水泥廠都開始采用新型干法水泥生產工藝，而對于新型干法水泥廠來說，窯尾框架結構工程則是其核心工程，同時也是新型干法水泥廠中的最高建筑和荷載較高的特種結構。[4]而隨著我國水泥生產工藝的不斷發展，水泥廠對窯尾框架結構的功能需求也在不斷提高。從目前來看，我國對窯尾框架結構的研究主要可以分為兩種體系，包括：鋼結構體系和鋼-混凝土組合結構體系。[1]2002年宗周紅通過擬動力試驗、擬靜力試驗、以及彈塑性地震反應分析，得出了鋼管框架窯尾結構在地震作用下的各方面性能，同時通過所得數據建立了鋼管框架結構窯尾的彈塑性性能模型；2005年，徐禮華等人通過地震反應振動臺對比試驗，分析了混凝土體系有支撐模型和無支撐模型在不同地震波影響下的加速度、水平位移變化，通過數據對比，該對比試驗得出了有支撐結構較無支撐結構抗震性能更加優越且結構延性更加良好的結論；2006年王文達等人將窯尾框架結構梁祝的界面面積和界面形狀作為了試驗參數，通過水平反復荷載試驗得出了圓柱形框架窯尾抗震性能更加優越的結論；

張大林等人通過對一12層鋼框架結構在地震作用下的反應譜分析和彈塑性分析，研究了在不同支撐形勢下，鋼結構框架的動力特性及地震響應影響。

2 水泥廠窯尾框架結構體系介紹

窯尾框架結構是新型干法水泥廠的核心建筑物，在我國水泥廠建設規模不斷擴大的形勢下，窯尾框架高度正在不斷增加。而這也意味著普通鋼筋混凝土結構是難以確保水泥廠窯尾框架結構的設計要求的。[2]另外，考慮到設備的安裝以及施工成本，目前我國在水泥廠窯尾框架結構的選擇上主要采用鋼結構框架。一方面，鋼結構框架可以有效確保設備的安裝及同步，另一方面，采用鋼結構框架也可以有效降低施工成本。因此，目前我國主要將鋼結構作為水泥廠窯尾框架的首選方案。通常來說，支承窯尾塔架的主要構件是柱，其截面形式目前常用的包括下列五種：H型鋼、空心方鋼、純鋼管、鋼管硅、十字鋼等。但目前我國普遍采用的主要是鋼管混凝土框架結構。

3 水泥廠窯尾框架結構抗震性能分析

3.1 模型建立

為了進一步對水泥廠窯尾框架結構抗震性能進行分析，本文選取了國內某一大型窯尾塔架作為主要研究對象。研究方法采用有限元分析法，具體的分析過程依賴相關軟件及實測數據進行。該預熱窯尾塔架結構主體平面大小為：15.5×16m;塔高為：87.6m，在設備安裝完成之后，總高度提升至：97.6m；在結構方面，該窯尾塔架在第一層采用的了鋼筋混凝土結構，除了第一層外其余各樓層均采用了鋼結構，結構總層數為 7層。每一層采用的結構柱均為圓形結構柱，且均為鋼筋混凝土柱。

3.2 地震波選取

在地震波的選取上，本試驗均按照《建筑抗震設計規范》及其它國家先關規范執行。在實踐中，主要是根據該窯尾塔架所處的位置和場地類型以及地震分組確定地震波類型。由于本實驗采用有限元分析法，因此在實施過程中，需要分別按照場地類型和地震分組建立人工模擬加速度時程曲線，并將兩組曲線進行對比。[3]本文選取地震波的具體方法如下：首先，根據現場場地類型選擇與場地特征周期相近的地震波。由于建筑結構處于 2類場地，地震分組為第一組，因此，現場地震周期可以確定為0.35s。（如果是對罕遇地震作用下的試驗則應該講地震周期延長至 0.4s。）在本試驗中，根據實際情況，場地特征周期選擇為 0.4S；其次，再按照同樣方法再次選擇地震波，再次選擇地震波應按照相關標準進行調幅處理。根據實際情況，本試驗在時程分析時，為了取得良好的試驗記錄，地震波時長均控制在25S。

3.3 模態分析

本文采用分塊矩陣法進行了該窯尾框架的模態分析，結構自震頻率及振動特征如下表1所示：

表 1結構自振頻率及振動特征

由表 1可知，該結構從整體上來說振型特征良好。結構第一扭轉周期振型表現為Y方向，且第一扭轉周期與第一平動周期之比處于合理范圍內，雖然結構橫向柱子數量少于縱向柱子，但因支撐設置的不同，使結構側向剛度仍然大于縱向，故此，該結構第一振型表現為Y方向（縱向）。

4 結束語

綜上所述，本分首先介紹當前我國水泥廠窯尾框架結構研究現狀，并對水泥廠窯尾框架抗震體系進行了簡單描述，隨后在通過有限元分析法對鋼結構窯尾框架抗震性能進行了較為深入的分析。