基于SMA橡膠復(fù)合支座的高聳化工塔隔震分析

摘 要：針對高聳化工塔設(shè)備在地震載荷作用下的振動響應(yīng)問題，應(yīng)用SMA橡膠復(fù)合支座對地震載荷作用下的高聳化工塔設(shè)備進行動態(tài)響應(yīng)分析，探索方案的可行性及其減震效果。研究表明，SMA橡膠復(fù)合支座對高聳化工塔設(shè)備有很好的隔震作用。

關(guān)鍵詞：高聳化工塔；地震響應(yīng)；SMA復(fù)合橡膠支座

高聳化工塔設(shè)備是化工企業(yè)重要的設(shè)備之一，對其在隔震領(lǐng)域的研究非常重要。形狀記憶合金[1]（簡稱SMA）因具有形狀記憶效應(yīng)及穩(wěn)定的偽彈耗能特性，在結(jié)構(gòu)振動控制中得到關(guān)注，并廣泛應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域[2]。文章將形狀記憶合金橡膠復(fù)合支座用于高聳化工塔設(shè)備地震控制中，探索其控制效果。

1 SMA橡膠復(fù)合支座構(gòu)造及工作原理

文章采用的SMA橡膠復(fù)合支座[3]兼有耗能和復(fù)位功能，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。SMA拉索交叉對稱的分布在橡膠支座的四個側(cè)面，SMA拉索的兩端固定在支座的外聯(lián)結(jié)鋼板上，拉索施加3%的預(yù)應(yīng)變。

在正常使用載荷下，SMA橡膠復(fù)合支座具有足夠的初始剛度可以抵抗振動產(chǎn)生的側(cè)向變形，此時SMA拉索處于彈性階段工作狀態(tài)。在強震作用下，橡膠通過自身的剪切滯回變形消耗能量，同時SMA拉索發(fā)生加卸載交替變化，未經(jīng)預(yù)拉伸的拉索進入彈塑性變形和超彈性變形階段，產(chǎn)生通過原點的滯回曲線；經(jīng)過預(yù)拉伸的拉索發(fā)生超彈性變形，形成飽滿的滯回曲線，消耗振動產(chǎn)生的能量。通過對預(yù)應(yīng)變SMA拉索和橡膠支座滯回曲線的疊加得到復(fù)合支座的滯回曲線，為SMA橡膠復(fù)合支座在高聳化工塔設(shè)備隔震領(lǐng)域的應(yīng)用提供論基礎(chǔ)。

2 動力響應(yīng)分析

3 數(shù)值模擬

由于高聳中壓閃蒸塔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較簡單，且壁厚相同，為了研究方便，文章將其簡化為10個集中質(zhì)量的多自由離散體系，該塔尺寸及材料參數(shù)[4]為：內(nèi)徑1400mm，壁厚14mm，高度30000mm，密度7850kg/m3，彈性模量200GPa，阻尼比？灼1=？灼2=0.02。形狀記憶合金材料參數(shù)參照文獻[5]。采用的地震波選取Taft地震波，時間步長為0.02s，輸入地震波持續(xù)時間為16s。

為了使SMA橡膠復(fù)合支座均勻的支撐住高聳中壓閃蒸塔，并起到較好的減震效果，設(shè)計三個SMA橡膠復(fù)合支座均勻的安置在高聳塔設(shè)備的底部。

基于結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)原理，對安裝有SMA橡膠復(fù)合支座的地震響應(yīng)進行動態(tài)分析，探索SMA橡膠復(fù)合支座對高聳化工塔地震響應(yīng)的控制效果。圖2和3分別為高聳化工塔中間第五個質(zhì)點和塔頂?shù)谑畟€質(zhì)點在有控和無控狀態(tài)下位移響應(yīng)曲線。為了驗證MATLAB數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，利用ANSYS軟件計算的高聳化工塔無控狀態(tài)下的地震響應(yīng)曲線也一并給出。

從圖2中可以看出，MATLAB數(shù)值模擬結(jié)果與ANSYS軟件計算結(jié)果很接近。在Taft地震波作用下，高聳中壓閃蒸塔設(shè)備中部第五個質(zhì)點在無控狀態(tài)下的峰值為38.15mm，安裝SMA橡膠復(fù)合支座的高聳中壓閃蒸塔設(shè)備的中部第五個質(zhì)點位移峰值達到15.27mm，位移減震率達到60%。

從圖3中可以看出，在Taft地震波作用下，高聳中壓閃蒸塔的塔頂?shù)谑畟€質(zhì)點在無控狀態(tài)下的峰值達到了57.17mm，安裝有SMA橡膠復(fù)合支座的高聳中壓閃蒸塔設(shè)備的位移峰值達到25.807mm，位移減震率達到54.85%。

圖4為SMA橡膠復(fù)合支座在地震載荷作用下的回復(fù)力滯回曲線，由圖可以看出，隨著支座振幅增大，支座回復(fù)力也相應(yīng)增大，最大回復(fù)力達到49KN，在震動過程中，支座因形狀記憶合金的超彈性形成飽和的滯回曲線，起到了良好的耗能減震作用。

4 結(jié)束語

通過對應(yīng)用SMA橡膠復(fù)合支座的高聳化工塔進行了地震響應(yīng)分析表明，高聳化工塔設(shè)備的位移響應(yīng)明顯減小，SMA橡膠復(fù)合支座對高聳化工塔設(shè)備有很好的隔震作用。

參考文獻

[1]Parulekar Y M ，Reddy G R. Nonlinear model of pseudoelastic shape memory alloy damper considering Residual martensite strain effect[J].Advances in Acoustics and Vibration， 2012，25（3）：312-320.

[2]Song G，Ma N， Li H N. Review of application of shape memory alloys in civil structures. Earth &Space，2004，559-566.

[3]戴辰.基于耗能復(fù)位SMA-橡膠復(fù)合支座的橋梁隔震理論研究[D].河北工業(yè)大學(xué)，2009.

[4]郝偉.高聳石化設(shè)備阻尼減振技術(shù)研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2012.

[5]孫雙雙.SMA復(fù)合結(jié)構(gòu)的熱粘彈性分析及SMA的偽彈行為研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2003.

作者簡介：呂梅（1988-），女，山東濟南，漢族，青島科技大學(xué)工程碩士，工程力學(xué)專業(yè)，主要研究智能材料與結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。