減震技術在工業廠房設計中的應用研究

朱貴剛

摘要：為進一步探究減震設計技術在工業廠房設計中的應用，以某廠房項目為例，基于3種不同的支座方案構建ANSYS模型，并進行有限元分析。結果發現：采用鉸支座方案的模型周期最短，地震響應相對劇烈，最大層間位移也相對較大;鉛芯橡膠支座則具有一定的延性變形能力，能夠有效吸收地震能量從而發揮減震效果;帶錨栓的板式橡膠支座性能則位于二者之間。

關鍵詞：減震設計;工業廠房;抗震性能;消能減震

中圖分類號：TU352

文獻標識碼：A文章編號：1001-5922（2022）06-0129-04

Research on application of shock absorption technology in industrial plant design

ZHU Guigang

（Nanjing Design and Research Institute Co.， Ltd.， China Coal Technology Engineering Group， Nanjing 210000， China

）

[HJ1.5mm]

Abstract：In order to further explore the application of shock absorption design technology in industrial plant design， taking a plant project as an example， ANSYS model is constructed based on 3 different bearing schemes， and finite element analysis is carried out. The results show that the model with hinged bearing scheme has the shortest period， relatively strong seismic response and relatively large maximum interlayer displacement， while the lead rubber bearing has a certain advantage of ductility deformation capacity，? which can effectively absorb the seismic energy and play a damping effect， while the performance of the plate rubber bearing with anchor bolt is between the two.

Key words：shock absorption design; industrial plant; seismic performance; energy dissipation and shock absorption

按照工程建設的抗震設防要求，不同重要性的建筑必須要達到不同等級的抗震能力。一般情況下，通過抗震設計并加強抗震構造措施就能夠滿足工程建設抗震設防要求。然而，一些工業廠房項目對抗震性能要求較高，單純采用傳統的抗震設計方法難以滿足實際抗震需求。為此，還應進一步加強減隔震技術應用才能滿足抗震設防要求。從學術研

究與工程應用實踐來看，目前階段隔震設計應用與發展已經相對成熟，但減震設計的發展依然相對滯后，在工程實踐中的應用也相對較少，大多數工程技術人員對工業廠房中的減震設計技術缺乏足夠的認識。基于此種情況，本文以某一具體項目為例對工業廠房減震設計方案進行研究與分析。

1工程概況

本文所研究的工業廠房結構形式為排架結構。由于該工程項目尚停留在方案設計階段，其他細節性設計尚未全部完成。為此，在本文的研究當中，僅從模型理論分析的角度展開研究。

2研究方案

對于排架結構而言，在水平地震力作用下，支座所承擔的荷載為結構自身的豎向力與水平地震力的合力，剛度則是影響結構抗震性能的一個重要指標，此外，由于阻尼耗能才是發揮減震作用的根本要素;為此，也必須要重視阻尼系數的取值問題。為了提升研究的可靠性，本文的研究放棄采用PKPM、Midas等工程類有限元軟件，采用了精度更高的ANSYS軟件作為減震模擬分析的軟件，主要是對鉸支座、鉛芯橡膠支座以及帶錨栓的板式橡膠支座3種減震方案的減震效果進行對比分析，從而得到合適的減震設計方案。上述3種支座方案的具體設計參數如下。

2.1鉸支座

不同的支座形式實際上各有優缺點，鉸支座的最大優勢在于具有較強的豎向與水平承載力，結構的受力形態也相對簡單。在實際工程應用當中，鉸支座的主要功能是連接上部網架與下部結構，具體可以被簡化為2個分別向豎向與水平2個方向提供支撐力的桿單元。鉸支座的主要缺點是在正常使用狀態下，支座的水平反力相對較大，在長期的荷載作用下容易出現金屬疲勞，從而影響支座與結構的使用壽命。根據結構力學的基本原理，鉸支座只有1個轉動自由度。為此，ANSYS模型中將鉸支座的水平與豎向剛度都設定為無限大。

2.2鉛芯橡膠支座

鉛芯橡膠支座由于造價相對較低，在實際工程實踐中的應用相對較為廣泛，同時由于鉛本身的屈服應力相對較小，在支座被完全填滿鉛棒的前提下，支座具備良好的耗能能力，能起到較高的減震效果。在結構中，鉛芯橡膠支座也同樣會承擔水平地震力與豎向力。在ANSYS模型中采用Combine40單元來模擬支座的水平方向，采用Combine14單元來模擬支座的豎向，相關支座參數直接采用支座公司所提供的數據：支座屈服前的水平剛度為3.926×10N/m，屈服后的水平剛度為7.21×10N/m，支座阻尼為8.173 （kN·s）/m，支座屈服力則為42 kN。

2.3帶錨栓的板式橡膠支座

帶錨栓的板式橡膠支座具有較高的延性變形能力，能夠與廠房屋蓋的變形有效協調，并清晰傳遞水平力。帶錨栓的板式橡膠支座不僅具備較強的延性變形能力，同時也具有一定的阻尼，能夠使得結構的變形更小。此外，在帶錨栓的板式橡膠支座內部的錨栓與膠墊之間位移空間，在結構不受水平地震力作用時，其剪切剛度與鉛芯橡膠支座無明顯差異性。在水平地震力作用下，結構會發生水平位移，支座內部錨栓會擠壓膠墊的空間，從而導致支座內部的空間閉合，支座的剪切剛度必將持續增大。根據實際工程經驗，帶錨栓的板式橡膠支座相關設計參數：豎向剛度為1.06×10 kN/m，在錨栓被擠壓占位膠墊之后支座的剪切剛度為3.58×10 kN/m，支座阻尼為3.57×10（kN·s）/m。

3自震周期分析

由于該廠房的長度相對較長，同時ANSYS的計算時長相對較長，為簡化計算，在本工程當中選擇了該廠房的某一段進行建模。由于該工程并不位于地震活躍帶，因此地震活動并不活躍，所承受的地震力主要來自于強震地區的余震。根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010（2016年版））的相關規定，該工程的抗震設防烈度為8度，并采用時程分析法對結構的動力響應進行分析，地震反應譜采用規范譜。為更真實的反映廠房的真實地震反應，假定結構在地震作用下的彈性模量為非地震作用下的1.5倍，阻尼比系數為0.05，在結構抗震計算中構件截面尺寸計算所采用的地震荷載為其所對應的地震烈度的35%。時程分析所采用的人工波波形，結果如圖1所示。

其中，圖1（a）為x向加速度時程，加速度峰值為0.084g;圖1（b）為y向加速度時程，加速度峰值為0.056g。

分別按照3種不同的支座形式建立3個不同的廠房有限元模型，并對3個模型進行抗震計算分析，每個模型取前10個自振周期，具體計算結果如表1所示。

從表1的統計數據可以發現，鉸支座的一階振型為0.627 3;鉛芯橡膠支座的自振周期為0.652 4;帶錨栓的板式橡膠支座自振周期則為0.678 2，周期依次增長。這說明隨著支座水平剪切剛度的逐步降低，結構的整體剛度有所下降，結構的自振周期也就由此不斷增長，從而在地震作用下能夠降低結構所承受的地震力，提升減震效果。

4不同支座方案的結構位移與應力分析

4.1結構位移分析

如圖2中所示標記出了該工程項目的8個典型節點;對廠房左側的4個節點位移進行計算分析，結果如圖3所示。

從圖4的數據可以發現，右側的節點位移變化與左側的規律基本相同。在廠房右側的各節點當中，鉸支座的最大層間位移均值為43.87 mm，鉛芯橡膠支座的最大層間位移均值為30.56 mm，帶錨栓的板式橡膠支座為35.87 mm。對左、右側相同位置處的節點最大層間位移進行統計分析可以發現，左側節點位移要明顯高于右側位置的節點位移。但這主要是由于左、右側位置的壩基標高存在一定差異，從而導致廠房柱子在左、右側置處的長度存在一定差異，進而柱節點位置的位移存在較大差異。

總之，從結構位移的角度來看，鉛芯橡膠支座的減震性能最佳，帶錨栓的板式橡膠支座次之;鉸支座最差。

4.2支座變形分析

上文的研究認為鉛芯橡膠支座的變形能力相對較高，能夠有效發揮減震作用。但需要注意的是支座的變形也必須要控制在合理的范圍之內，否則必然會導致結構出現失穩、附加應力等問題。對3種方案的不同節點的柱頂變形進行了統計分析，從中可以發現鉸支座與帶錨栓的板式橡膠支座的水平剪切剛度相對較大，柱頂位置的變形很小，均不足1 mm，支座位置的反力則相對較大。鉛芯橡膠制作雖然剛度較小，柱頂位置的變形較大（最高可達25 mm），但依然處于規范允許的范圍之內，有效均衡了減震需求與應變控制。

4.3排架柱應力分析

從圖5可以發現，在不同支座方案中排架柱的頂部主拉應力都相對較小，均不足0.1 MPa，但位于右側地區的排架柱柱底拉應力要高于左側地區。由此可見，在地震力作用下，右側地區的柱底存在著較大的開裂風險。此外，從圖5中還可以進一步發現鉛芯橡膠支座模型中排架柱基本處于相對安全的狀態。鉸支座由于水平與豎向剛度相對較大，并不會發生彈性滑移，為此主拉應力相對較大，這也是鉸支座容易出現金屬疲勞損傷的重要因素。

5結語

本文以某廠房為例構建了3個不同支座類型的分析模型，并進行了有限元計算分析。

（1）鉸支座具有較大的水平與豎向剛度，在豎向靜載荷作用下能夠發揮出較大的承載力;但在地震作用下，鉸支座只具備一個轉動自由度，結構只能發生轉動，排架柱的柱頂位移相對較大，同時鉸支座中排架柱的頂部與底部拉應力也相對較大。因此，鉸支座在廠房減震設計中的應用效果并不理想;

（2）帶錨栓的板式橡膠支座模型中，排架柱的最大層間位移處于其他2種支座方案的中間;

（3）在水平地震力作用下，3種支座形式適應剪切變形的能力有所差異，鉸支座與帶錨栓的板式橡膠支座剪切剛度較大，無法有效釋放支座處反力。鉛芯橡膠支座的剪切變形較大，能夠有效釋放水平地震力所造成的應力集中，從而達到減震設計目標。

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