鋼框架結(jié)構(gòu)抗震的粘滯阻尼器位置優(yōu)化研究

李新明,宋文博,李 慧,彭 曄

(北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京,100144)

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鋼框架結(jié)構(gòu)抗震的粘滯阻尼器位置優(yōu)化研究

李新明,宋文博,李 慧,彭 曄

(北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京,100144)

摘要：隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，產(chǎn)業(yè)規(guī)模和技術(shù)不斷革新，全鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房作為一種新型廠房備受關(guān)注。地震載荷作用下鋼結(jié)構(gòu)廠房的安全至關(guān)重要，本文研究將粘滯阻尼器用于鋼結(jié)構(gòu)煤氣化工業(yè)廠房的抗震設(shè)計(jì)中。通過ABAQUS軟件建立有限元模型，利用有限元理論分析地震作用下的鋼結(jié)構(gòu)廠房響應(yīng)，對(duì)粘滯流體阻尼器的參數(shù)和位置進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到減震設(shè)計(jì)目的。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；工業(yè)廠房；抗震；粘滯阻尼器；優(yōu)化

大型超高鋼框架結(jié)構(gòu)是石化及煤化工行業(yè)廣泛使用的化學(xué)反應(yīng)設(shè)備，隨著石化和煤化工行業(yè)裝置建設(shè)規(guī)模擴(kuò)大，這些大型框架結(jié)構(gòu)不斷加高，正由目前的100米向著130米的高度方向發(fā)展。這類超高鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)問題亟待研究。傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)是通過增強(qiáng)結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度和剛度，做到“小震不壞、中震可修、大震不倒”。另外一種比較有效的抗震途徑是采取結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)，在工程結(jié)構(gòu)的特定部位裝設(shè)阻尼減震裝置，改變調(diào)整結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，使得工程結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力反應(yīng)得到合理控制，確保結(jié)構(gòu)本身及結(jié)構(gòu)中的人員、儀器設(shè)備等的安全和正常使用同。

本文研究在這種超高鋼框架結(jié)構(gòu)安裝粘滯流體阻尼器進(jìn)行減震設(shè)計(jì)的可行性。本文通過ABAQUS軟件建立鋼框架結(jié)構(gòu)的有限元模型，利用有限元理論分析地震作用下的鋼結(jié)構(gòu)廠房響應(yīng)，對(duì)黏滯流體阻尼器的參數(shù)和位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到減震設(shè)計(jì)要求。

1　鋼框架結(jié)構(gòu)的幾何模型

本文研究的高層鋼框架結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房是某化工企業(yè)的高層工業(yè)生產(chǎn)廠房，安裝有巨大重型的化工設(shè)備，廠房平面尺寸42m×20m，12層，高99.7m。支撐均采用人字型支撐，采用了焊接型鋼，框柱均采用箱型柱，主、次梁為焊接H型鋼梁。廠房主結(jié)構(gòu)梁、柱均選用Q235鋼材，共有四種截面尺寸，見表1。高層鋼框架廠房的幾何模型見圖1。

表1　柱截面尺寸

2　鋼框架結(jié)構(gòu)的有限元模型

2.1鋼框架結(jié)構(gòu)

鋼框架采用采用B31二節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧?。加載采用兩個(gè)分析步，第一個(gè)分析步為靜力學(xué)分析步，給整體模型施加重力加速度，框架與基礎(chǔ)固定約束；第二個(gè)分析步為隱式動(dòng)力學(xué)分析步，放松框架與基礎(chǔ) 在地震作用方向的自由度，并在該自由度方向上施加El-Centro地震波加速度時(shí)程，粘滯阻尼器采用ABAQUS軟件中的彈簧阻尼單元模擬，有限元模型見圖2。

2.2地震波選取

表2　梁截面尺寸

圖1　高層鋼框架廠房幾何模型

圖2　高層鋼框架廠房有限元模型

該工程抗震設(shè)防烈度為7度，相應(yīng)于設(shè)防烈度的設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，設(shè)計(jì)特征周期為0.40s。按照GB50761-2012《石油化工鋼制設(shè)備抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)時(shí)程分析法規(guī)定，地震波選用El-Centro波作為地面運(yùn)動(dòng)加速度時(shí)程曲線，并對(duì)加速度時(shí)程進(jìn)行調(diào)幅，以危害性大的罕遇地震為例，持續(xù)時(shí)間20s，調(diào)整后的加速度時(shí)程曲線見圖3。

圖3　El-Centro地震波加速度時(shí)程

3　安裝粘滯阻尼器的鋼框架結(jié)構(gòu)抗震響應(yīng)

在模型底部施加水平向的加速度邊界條件，框架頂端的加速度響應(yīng)情況見圖4。阻尼器的安裝直接影響側(cè)框架塔的抗震性能，阻尼器變形反映了樓層之間的相對(duì)位移，阻尼器軸力變化反映框架之間的相互作用力。圖5-圖10給出了分別在奇數(shù)樓層安裝粘滯流體阻尼器時(shí)，鋼框架頂端的加速度時(shí)程響應(yīng)曲線。

圖4　框架頂部加速度響應(yīng)時(shí)程曲線

圖5　位置1阻尼器減震效果

圖6　位置2阻尼器減震效果

圖7　位置3阻尼器減震效果

圖8　位置4阻尼器減震效果

圖9　位置5阻尼器減震效果

圖10　位置6阻尼器減震效果

4　總結(jié)

對(duì)比圖5-圖10六個(gè)位置阻尼器對(duì)框架頂部減震的效果，可知在位置3安裝阻尼器對(duì)框架頂部的減震效果最好，分析原因是位置3為混凝土框架結(jié)構(gòu)向鋼框架結(jié)構(gòu)的過渡階段，相對(duì)變形較大，因此位置3阻尼器效果最好。需要說明的是，上述計(jì)算結(jié)果是將框架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為二維模型的計(jì)算結(jié)果，模型進(jìn)行了較大的簡(jiǎn)化。計(jì)算中阻尼器減震效果是只考慮了阻尼器安裝位置對(duì)減震的影響，沒有考慮阻尼器本身剛度、阻尼系數(shù)對(duì)減震效果的影響。

參考文獻(xiàn)

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STEEL FRAME STRUCTURES viscous dampers position Optimization

Li Xinming,Song Wenbo,Li Hui,Peng Ye
（School of Civil Engineering, North China University of Technology,Beijing,100144）

Abstract：With the rapid growth of Chinese economy,the scale of the industry and technological innovation, all-steel industrial plant as a new powerhouse concern.Essential safety under earthquake loading steel plant,the paper studies the viscous dampers used in steel gas chemical plant seismic design.ABAQUS finite element model through software,using finite element analysis theory steel plant response under seismic effect on the fluid viscous damper parameters and optimize the position, designed to achieve damping.

Keywords：steel;industrial plants;Earthquake;viscous dampers; optimization