安裝粘滯阻尼器的石化裂解爐抗震計算分析★

張貴辰 張宏濤

(1.北方工業(yè)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，北京 100043； 2.北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100043)

0 引言

近年來，隨著現(xiàn)代信息檢測技術(shù)的快速發(fā)展，對工程結(jié)構(gòu)和石化裂解爐等建立系統(tǒng)的健康監(jiān)測[1-3](SHM)系統(tǒng)是土木和石化工程一個重要發(fā)展方向之一。目前，在大型裂解爐裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計中，由于不同地震烈度區(qū)域計算的爐體鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)變化較大，而工藝和設(shè)備等專業(yè)的設(shè)備一般是定型產(chǎn)品，如輻射段和對流段模塊，結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整將影響模塊設(shè)備設(shè)計，所以對不同地震烈度區(qū)域裂解爐裝備鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用標(biāo)準(zhǔn)化爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計對加快裂解爐設(shè)計周期和保證裂解爐性能指標(biāo)意義重大。本文采用結(jié)構(gòu)振(震)動控制技術(shù)，應(yīng)用大型通用軟件ABAQUS對裂解爐結(jié)構(gòu)進(jìn)行加速度模擬分析，提出粘滯阻尼器布置優(yōu)化方案，減震達(dá)到了10%以上的目標(biāo)，效果良好。不僅減少了結(jié)構(gòu)材料使用，還有效地縮短了裂解爐工程的設(shè)計周期，使結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

1 裂解爐基本模型

該大型裂解爐主要由兩部分構(gòu)成，如圖1所示。0 m～15 m輻射段箱體結(jié)構(gòu)及框架，15 m以上中間部分是對流段模塊以及框架結(jié)構(gòu)構(gòu)成。裂解爐平面尺寸為11.37 m×31.82 m，爐體框架總高44.5 m。

2 有限元模型

2.1 對流段模塊和框架

輻射段爐墻板的厚度相對于高度(或直徑)數(shù)值較小，可視為薄壁結(jié)構(gòu)，采用殼單元(Shell elements)中的S4R。框架中桿件為細(xì)長，跨高比很大，可視為梁結(jié)構(gòu)，采用結(jié)構(gòu)梁單元(Beam element)中的B32，粘滯流體阻尼器采用彈簧阻尼器單元(Connector element)。材料采用鋼材，材質(zhì)為Q235B。

2.2 地震波選取

本工程位于國內(nèi)，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.15g，設(shè)計地震分組為第二組，設(shè)計特征周期為0.40 s，場地土類別為第Ⅱ類。根據(jù)上述工程情況和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定[4]，選取了El Centro波，天然記錄的El Centro地震波的時程曲線如圖2所示，其加速度峰值為0.35g，調(diào)整后的El Centro地震動加速度時程曲線如圖3所示。

3 結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析

3.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動力分析的基礎(chǔ)，主要計算結(jié)構(gòu)固有模態(tài)的兩個基本參數(shù)：固有頻率(周期)和各階振型，以此來分析結(jié)構(gòu)自振特性，為以后的動力時程分析做準(zhǔn)備。

在ABAQUS 6.11軟件中設(shè)定線性攝動分析步，對側(cè)框架塔進(jìn)行模態(tài)分析，得到了裂解爐組合結(jié)構(gòu)的自由模態(tài)，其周期和頻率如表1所示，前4階振型結(jié)果圖如圖4～圖7所示。

表1 裂解爐框架的模態(tài)分析結(jié)果

結(jié)果表明，裂解爐框架在寬度方向上的剛度要遠(yuǎn)小于長度方向上的剛度，因此，在下面的地震響應(yīng)分析和減震分析中，取最不利方向，假設(shè)地震動沿裂解爐框架寬度方向。根據(jù)優(yōu)化原則布置了8個粘滯阻尼器，如圖1所示。

3.2 裂解爐框架結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

在對流段模塊和框架之間不設(shè)置粘滯阻尼器，通過ABAQUS顯示動力學(xué)分析，得到地震作用下裂解爐框架結(jié)構(gòu)的時程響應(yīng)結(jié)果。裂解爐框架在調(diào)幅后的El Centro波作用下的加速度時程響應(yīng)結(jié)果如圖8所示。

3.3 裂解爐框架結(jié)構(gòu)的粘滯阻尼器位置和參數(shù)

在ABAQUS軟件中，阻尼器的模擬可以采用彈簧阻尼單元。在如圖1的位置安裝8個粘滯阻尼器。阻尼器參數(shù)如表2所示。

表2 阻尼器參數(shù)

3.4 裂解爐框架結(jié)構(gòu)的粘滯阻尼減震響應(yīng)分析

通過ABAQUS顯示動力學(xué)分析，得到地震作用下裂解爐框架結(jié)構(gòu)安裝粘滯阻尼器后的時程響應(yīng)結(jié)果。裂解爐框架在調(diào)幅后的El Centro波作用下的加速度時程響應(yīng)結(jié)果如圖9所示。

由圖可以看到，安裝粘滯阻尼器之后結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)的頻率和峰值都有所下降，其中加速度峰值減小了13.95%，減震效果比較明顯。

4 結(jié)論和建議

本文根據(jù)工程特點(diǎn)和所在位置選定了地震波時程曲線；對裂解爐框架進(jìn)行了模態(tài)分析，根據(jù)模態(tài)分析的頻率和振型結(jié)果，確定了地震波邊界條件的施加方式；通過ABAQUS顯示動力學(xué)分析，得到地震作用下裂解爐框架結(jié)構(gòu)的時程響應(yīng)結(jié)果；在計算模型中添加了阻尼單元，模擬粘滯阻尼器對裂解爐框架的減震作用，通過ABAQUS顯示動力學(xué)分析，得到地震作用下裂解爐框架結(jié)構(gòu)的減震響應(yīng)結(jié)果，由結(jié)果可知安裝粘滯阻尼器的減震效果比較明顯。