鋼結構廠房抗震性能評估及減震設計優(yōu)化

摘 要：地震作為一種嚴重的自然災害，對鋼結構廠房等重要工業(yè)設施的影響不可忽視。本研究以鋼結構廠房為研究對象，通過模態(tài)分析、動力響應分析以及減震設計等方面的研究，評估了其在地震作用下的抗震性能，并提出了相應的優(yōu)化方案。通過模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，結構存在低頻振動特性及易受地震荷載影響的問題；通過加速度響應分析揭示了不同區(qū)域的動力響應差異情況。此外，通過減震設計，采用了TMD設備來提升結構的抗震性能，并對TMD的設計參數(shù)和安裝工況進行了優(yōu)化。研究結果表明，通過對TMD的設計參數(shù)和安裝工況進行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)通過安裝8臺TMD設備，并且TMD質量比為3%時，可以顯著提升廠房結構的抗震性能。

綜上所述，本研究為鋼結構廠房抗震設計提供了重要的理論和實踐指導。

關鍵詞：模態(tài)分析；抗震性能；減震設計；有限元方法

中圖分類號：TQ050.4 + 1；TU391 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2025）03-0173-04

Seismic performance evaluation and shock absorption designoptimization of steel structure workshop

ZHANG Wenming 1 ，NIU Jiale 2

（1. Quzhou Intelligent Manufacturing New City Management Committee，Quzhou 324002，Zhejiang China；

2. China National Chemical Engineering Third Construction Co.，Ltd.，Hefei 230601，China）

Abstract：As a serious natural disaster，the impact of an earthquake on important industrial facilities such as steelstructure workshops cannot be ignored. In this study，the seismic performance of the steel structure workshop underseismic action was evaluated through modal analysis，dynamic response analysis and seismic absorption design，andthe corresponding optimization scheme was proposed. Through modal analysis，it was found that the structure hadthe problems of low-frequency vibration characteristics and was susceptible to seismic loads. Through the accelera?tion response analysis，the differences in dynamic response in different regions were revealed. In addition，throughthe shock absorption design，TMD equipment was used to improve the seismic performance of the structure，and thedesign parameters and installation conditions of TMD were optimized. The results showed that by optimizing the de?sign parameters and installation conditions of TMD，it was found that the seismic performance of the plant structurecould be significantly improved by installing 8 TMD devices with a TMD mass ratio of 3%. In summary，this studyprovides important theoretical and practical guidance for the seismic design of steel structure workshops.

Key words：modal analysis；seismic performance；shock absorption design；finite element method

地震是一種嚴重的自然災害，對人類社會和經濟造成了巨大的影響 [1-3] 。在地震頻繁地區(qū)，特別是工業(yè)發(fā)達地區(qū)，鋼結構廠房作為生產設施的重要組成部分，通常承載著重要的生產設備和原材料，一旦發(fā)生地震災害，不僅會造成生產中斷和損失，還可能導致環(huán)境污染和造成嚴重的社會影響 [4-5] 。

目前，國內外學者針對鋼結構廠房結構抗震性能研究方法主要集中于模型試驗、數(shù)值計算和理論計算3種方法 [6-7] 。張文元等 [8] 以某大型火電廠鋼結構主廠房煤倉間為原型，按1∶12縮尺比例制作試驗模型，在14種地震工況下進行振動臺試驗。王富民等 [9]通過振動臺模型試驗和數(shù)值模擬相結合的方法，研究了火電場鋼結構廠房的抗震性能。王金花等 [10] 通過添加減震措施和繞絲加固法來提高廠房的抗震性能，并增加消能器以提供附加阻尼比。

本文以地震頻發(fā)區(qū)某鋼結構廠房為研究背景，旨在通過模態(tài)分析、動力響應分析以及減震設計等方面的研究，探討鋼結構廠房在地震作用下的動態(tài)響應特性，并提出相應的減震優(yōu)化方案，以提高其抗震性能，減少地震災害可能造成的損失。

1 工程概況及有限元模型建立

1.1 工程背景

以某擬建鋼結構工業(yè)主廠房工程為研究背景，該廠房的抗震設防烈度為8度，最大場地地震度加速度峰值為0.2 g，場地類別為II類，屬于乙類重點設防類。

該廠房共有3個主要區(qū)域，即1個主廠房、1個副廠房以及1個綜合辦公區(qū)，3個區(qū)域間相互獨立，總占地面積達26 000 m 2 。該主廠房為生產廠房，廠房整體采用鋼結構為主梁，外部澆筑了一層混凝土。主梁采用鋼筋混凝土柱結構，間距為3.0 m，框架梁采用型鋼梁，屋面墻體采用磚結構砌筑。本文僅對該生產廠房的抗震性能進行研究。

1.2 模型簡化

由于實際生產廠房結構較為復雜，為建模方便以及提升計算精度，現(xiàn)需要對模型進行簡化。以廠房最長邊為 x 軸，以短邊為 y 軸，豎直方向為 z 軸進行建模。建模時做了如下簡化和假定 [11] ：

（1）模型采用簡化的幾何形狀和尺寸，例如將復雜的結構部分簡化為梁、柱、板等基本幾何體，以減少計算復雜度。

（2）建模材料假定為各向同性、線性彈性的材料。

（3）為簡化分析，對結構的邊界條件進行理想化處理。將結構的支座假定為固定支承或簡化為簡單支承。

以上假定和簡化都是為了在保持結果準確性的同時，降低計算復雜度和提高計算效率。

1.3 有限元模型建立及材料參數(shù)

本文基于上述假定和簡化，采用有限元分析軟件Abaqus建立主廠房模型，并對其進行動力計算。經過簡化后的有限元模型如圖1所示。

根據(jù)Abaqus中自帶的殼單元、梁單元或者實體單元進行建模。其中，該主廠房主要構件有鋼柱、鋼梁、鋼網(wǎng)架、樓板和墻等，主要構件尺寸及單元類型如表1所示。

利用表1的數(shù)據(jù)，經過計算承重柱 Φ900 和 Φ700的鋼筋混凝土柱的彈性模量為46GPa，密度為3.2×10 -9t/mm 3 ，泊松比為0.25。

2 廠房結構抗震性能分析

2.1 模態(tài)響應分析

模態(tài)響應分析是結構工程領域中常用的分析方法之一，通過對結構的振動特性進行研究，可以有效評估結構的動態(tài)行為，為結構設計和改進提供重要的技術支持。本研究通過Lanczos求解器對鋼結構廠房的模態(tài)響應進行求解 [12] 。為便于描述該廠房不同部位的變形特性，通過廠房四周的主承重柱的變形進行表示，該廠房主承重柱布點示意圖如圖2所示，前3階模態(tài)結果如表2所示。

由表2可知，該主廠房的第1階振型主要是沿Y方向進行振動，其第1階振動頻率為1.74 Hz，其中①～③號主承重柱的變形較小，而④～⑥號主承重柱的變形較為顯著。造成這種現(xiàn)象的原因可能是與①～③號主承重柱相比④～⑥號主承重柱區(qū)域的整體剛度較小，因而其變成程度較為顯著。該主廠房的第2階振型主要是在 XY 平面內發(fā)生扭轉變化，其第2階振動頻率為2.31 Hz，也是④～⑥號主承重柱區(qū)域的變形較大，這是由于該廠房結構較為特殊導致的，廠房整體左側的質量分布遠大于右側。該主廠房的第3階振型主要是在 X 方向發(fā)生變形，其第3階振動頻率為2.85 Hz，變形的最大值發(fā)生在模型的最右側。

綜上，該主廠房結構的自振頻率處在 1.74～2.85 Hz的低頻段。并且由于其為非對稱的特殊結構、質量分布不均勻，導致該廠房易受荷載影響。極端情況下甚至可能發(fā)生扭轉變形。

2.2 加速度分析

2.2.1 地震波輸入

ElCentro地震波（簡稱，EL波）是一種歷史上記錄到的地震波之一，產生于1940年5月19日加州南部ElCentro地區(qū)的一次地震 [13] 。盡管El Centro地震波是源自于加州南部地區(qū)的一次地震，但其波形和特性通常被認為在一定程度上適用于全球范圍內的抗震分析。

這是因為地震波在傳播過程中會受到地質結構的影響，但El Centro地震波的波形和特性仍然具有一定的普適性。因此，本研究選取EL-Centro 地震波作為輸入的地震波，加載幅值最大為 0.2 g 。

2.2.2 加速度響應分析

由于主廠房結構較大，無法對每一點都進行研究。因此，本研究中將主廠房劃分為7個研究區(qū)域，并研究每個區(qū)域中心部位的加速度響應。區(qū)域劃分及監(jiān)測點位置示意圖如圖3所示。

限于篇幅，本文僅以廠房左側中心監(jiān)測點8#和廠房右側中心監(jiān)測點4#的加速度時程曲線進行分析，結果如圖4所示。

由圖4可知，測點4#號的加速度響應明顯高于8#加速度響應，4#測點的加速度相應幅值為0.35 g ，8#測點的加速度響應幅值為0.236 g ，表明廠房右側區(qū)域的平均加速度響應為廠房左側平均加速度響應的1.48倍。

3 廠房結構減震設計

3.1 TMD原理及設計參數(shù)

TMD（Tuned Mass Damper）是一種被動減震裝置，通常用于結構物中，用來減少結構在地震或風等外部激勵下的振動。它由一個質量塊（通常為鋼制或混凝土制）和一個或多個阻尼器組成 [14] 。

3.2 初始TMD設計工況

TMD的質量塊通常安裝在廠房的高層或頂部，以便有效地減少結構的振動。通常會考慮結構的振動特性和振動分布情況，選擇最佳的位置安裝質量塊。本研究中，由于廠房形狀不規(guī)則，雖然通過模態(tài)分析可知④～⑥號主承重柱的變形較大，但如果將TMD大多布置在廠房右側，則可能造成質量集中的情況，反而降低了減震效果。因此設計時采用均布的方式進行安裝。初始廠房抗震設計時，設計工況為安裝兩臺阻尼器，并且將這兩臺TMD分別安裝在廠房左右兩部分各自的中心處。投入使用后發(fā)現(xiàn)其減震效果不佳。因此，需要對其減震設計進一步優(yōu)化。

3.3 TMD安裝優(yōu)化設計方案

以工況1為對照組，工況2安裝兩臺阻尼器為初始設計工況，其余工況為TMD的優(yōu)化設計工況。具體安裝工況見表3。

3.4 不同工況下位移變化

針對不同TMD安裝工況下廠房的位移變化，以1#～7#監(jiān)測點的位移數(shù)據(jù)進行分析，結果如圖5所示。

由圖5可知，模型左側整體位移比模型右側小，這與模態(tài)分析所得結論一致。并且隨著TMD安裝數(shù)量的增加，與未安裝TMD的工況相比，位移均顯著減小。以7#監(jiān)測點為例，0.2 g EL波作用下工況1～5的位移分別為 1.30 mm、0.68 mm、0.51 mm、1.15 mm、1.09 mm，與未加TMD工況相比，工況2～5的最大位移分別降低了47%、60.8%、11.5%和16.2%。綜上所述，通過安裝TMD能有效提升廠房結構的抗震性能。

但是當TMD數(shù)量超過8臺后，廠房結構的抗震性能提升效果大幅降低，造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于TMD數(shù)量的增加，導致廠房結構整體的質量增大，進而對抗震性能的提升起到了弱化作用。本研究中，該廠房結構布設8臺TMD設備最為合理，提升的抗震效果最為顯著。

3.5 參數(shù)優(yōu)化

通過3.4節(jié)已確認通過安裝8臺TMD能起到最佳減震效果。TMD的質量比是指TMD質量塊的質量與其所振動的結構質量之比。這個比值是TMD設計中的一個重要參數(shù)，決定了TMD對結構振動的影響程度。通常情況下，TMD的質量比應該選擇在合適的范圍內，以實現(xiàn)最佳的減振效果。因此，本研究以工況3為基準，繼續(xù)研究TMD的最優(yōu)質量比。本文共設計了5組不同的TMD質量比，以研究不同質量比下的減震效果。基于有限元法計算，輸入 0.2 g EL波，分析4#和8#測點的位移變化規(guī)律，如圖6所示。

由圖6可知，隨著TMD質量比的逐漸增加，模型典型測點的位移均呈下降趨勢，表明廠房結構抗震性能在逐漸提升。但當TMD的質量比過高時，質量塊的質量相對較大，可能導致TMD的減震效果提升的不明顯。這是因為質量塊的振動慣性增加，反而會增加結構的振動響應。因此，通過分析圖 7 可知，當TMD質量比為3%時，結構的最大位移下降明顯，但當TMD質量比為4%～5%時，結構的最大位移下降率趨于平緩，表明抗震提升效果下降。因此，該廠房TMD的質量比建議取為3%，可達到最優(yōu)的減震效果。

4 結語

通過本研究的模態(tài)分析、動力響應分析以及減震設計，對鋼結構廠房在地震作用下的抗震性能有了全面的認識和優(yōu)化方案。這些研究結果對于指導工程實踐中鋼結構廠房的抗震設計具有重要的理論和實踐意義。未來的研究可以進一步優(yōu)化減震設計方案，提高鋼結構廠房的抗震性能，減少地震災害可能造成的損失。

【參考文獻】

[1] 王通，劉先峰，袁勝洋，等. 順傾及反傾層狀碎裂結構斜坡地震反應的大型振動臺試驗研究[J]. 巖土力學，2024，45

（2）：489-501.

[2] 張慧，張超，侯偉. 近斷層脈沖型地震動作用下“先滑后限”的滑移隔震結構動力響應分析[J]. 粘接，2022，49（4）：188-192.

[3] 祖琨奧. 罕遇地震下高強鋼筋混凝土結構粘結性能分析[J]. 粘接，2021，46（4）：102-105.

[4] 劉秀麗，張劍，宋薇. 核安全相關廠房鋼平臺樓層反應譜計算方法對比[J]. 建筑結構，2023，53（S1）：695-697.

[5] 郗浩博，高向宇，王勇強，等. 高烈度區(qū)發(fā)電廠側煤倉鋼結構廠房BRB消能減震方案研究[J]. 鋼結構，2016，31（8）：44-49.

[6] 程震宇，高源，何鎧岐，等. 按國際標準進行某高烈度區(qū)發(fā)電廠主廠房鋼結構抗震計算分析[J]. 武漢大學學報（工學版），2022，55（S2）：29-32.

[7] 薛建陽，梁炯豐，彭修寧，等. 大型火電廠鋼結構主廠房框排架結構抗震性能試驗研究[J]. 建筑結構學報，2012，33

（8）：16-22.

[8] 張文元，于海豐，張耀春，等. 大型火電廠鋼結構主廠房鉸接中心支撐框架體系的振動臺試驗研究[J]. 建筑結構學報，2009，30（3）：11-19.

[9] 王富民，高向宇，黃金，等. 鋼支撐-混凝土框排架結構抗震性能試驗及有限元分析[J]. 建筑結構，2021，51（16）：42-50.

[10] 王金花，陳澤赳，何天森. 消能減震在某文保廠房改造加固中的應用[J]. 建筑結構，2023，53（S1）：1049-1054.

[11] 李翠楦，高升，桂玉倩. 北京某鋼結構關鍵節(jié)點有限元分析研究[J]. 建筑結構，2022，52（S1）：1184-1188.

[12] 劉廣祿，董斌，李登科，等. 基于ABAQUS的某載貨汽車前橋有限元分析及模態(tài)分析[J]. 機械與電子，2016，34（7）：22-26.

[13] 王通，劉先峰，袁勝洋，等. 灰?guī)r崩塌體斜坡動力響應與損傷識別[J]. 中國鐵道科學，2023，44（6）：13-24.

[14] 樂治濟，田會元，謝文博，等. 風、冰荷載聯(lián)合作用下的海上單樁風機結構TMD減振控制模擬[J]. 可再生能源，2024，42（2）：189-197.

（責任編輯：張玉平）