考慮設(shè)備反饋?zhàn)饔玫匿摽蚣艿卣痦憫?yīng)分析

黃俊杰

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

考慮設(shè)備反饋?zhàn)饔玫匿摽蚣艿卣痦憫?yīng)分析

黃俊杰

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備框架計(jì)算模型中真實(shí)模擬設(shè)備的外形尺寸、壁厚和操作重量對(duì)模型分析結(jié)果有一定的影響，通過(guò)模態(tài)分析，振型分解反應(yīng)譜，時(shí)程分析方法分別對(duì)簡(jiǎn)化模型和模擬設(shè)備本體模型進(jìn)行分析比較，并得出一些結(jié)論。

地震響應(yīng)；模態(tài)分析；反應(yīng)譜；時(shí)程分析

在石油化工、化工、冶金等裝置中，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備框架是最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)單體。目前工程設(shè)計(jì)中鋼結(jié)構(gòu)框架的結(jié)構(gòu)分析一般采用兩種建模方法，一種是將設(shè)備荷載轉(zhuǎn)化為等效荷載輸入結(jié)構(gòu)模型的簡(jiǎn)化方法，另一種是將設(shè)備本體和結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體建模分析的方法。兩種建模方法的優(yōu)缺點(diǎn)是前者建模簡(jiǎn)單，計(jì)算方便，但未能考慮設(shè)備本體與框架協(xié)同作用對(duì)框架結(jié)構(gòu)分析的影響；后者雖然建模復(fù)雜，但是考慮了設(shè)備與鋼框架的協(xié)同作用，能正確地反映鋼框架在實(shí)際工程中的模態(tài)特征以及地震作用下的受力情況。本文對(duì)某設(shè)備鋼框架分別進(jìn)行輸入等效荷載的簡(jiǎn)化模型分析和模擬設(shè)備本體的模型分析，通過(guò)分析結(jié)果的對(duì)比，得出鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備框架中設(shè)備（特別是大型容器）對(duì)框架整體影響的一些結(jié)論，供廣大設(shè)計(jì)人員參考。

1 分析模型

某裝置加氫框架主要支撐4臺(tái)立式罐設(shè)備，北側(cè)兩臺(tái)罐設(shè)備高度15 m，直徑2.26 m，操作重量為114 t；南側(cè)兩臺(tái)罐設(shè)備高度14 m，直徑2.6 m，操作質(zhì)量為128 t?？蚣芸偢叨?1.2 m，共五層，設(shè)備支座位于框架第二層，11 m標(biāo)高處。結(jié)構(gòu)形式為鋼結(jié)構(gòu)框架，鋼材采用Q345B，柱腳鉸接，弱軸（X）方向布置人字撐，強(qiáng)軸（Z）方向僅底下二層布置八字撐。樓面恒荷載（含管道）取4 kN/m2，活荷載取3 kN/ m2。

框架結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為50年，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。框架抗震等級(jí)為三級(jí)。

選用STAAD.Pro軟件建立結(jié)構(gòu)基本模型，4臺(tái)設(shè)備的操作荷載按支座集中力的形式輸入模型，其他荷載按實(shí)際情況布置，這個(gè)基本模型我們稱為模型A。另用板單元模擬設(shè)備本體，按照真實(shí)的設(shè)備高度、直徑、壁厚建立各個(gè)設(shè)備單獨(dú)模型，然后將設(shè)備模型合并到模型A中，我們稱為模型B。在模型B中，設(shè)備與鋼結(jié)構(gòu)之間的連接關(guān)系利用主從節(jié)點(diǎn)來(lái)模擬，設(shè)備荷載通過(guò)板單元面荷載的方法輸入，同時(shí)確保兩種模型設(shè)備荷載的靜態(tài)力輸入完全一致。模型A和模型B分別見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 模型AFig.1 Model A

圖2 模型BFig.2 Model B

2 模態(tài)分析比較

模型A和模型B在豎向靜荷載作用下，結(jié)構(gòu)的受力情況基本是一致的。模型B中由于模擬了真實(shí)的設(shè)備本體，考慮了參振設(shè)備與結(jié)構(gòu)的耦合作用，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性相比模型A發(fā)生了比較顯著的變化。考慮所選取振型的有效質(zhì)量系數(shù)總和超過(guò)90 %，對(duì)于兩個(gè)模型分別截取前12階振型模態(tài)進(jìn)行闡述和比較，各階振型的周期、參振質(zhì)量系數(shù)以及模態(tài)特征見(jiàn)表1。

從表1中可以看出：

（1）模型A的振型模態(tài)比較簡(jiǎn)單，前三階振型在結(jié)構(gòu)的總運(yùn)動(dòng)中占了主導(dǎo)地位，第1階為Z方向結(jié)構(gòu)平動(dòng)，第2、3階為X方向結(jié)構(gòu)平動(dòng)，并且前三階振型兩方向參振質(zhì)量系數(shù)總和均已超過(guò)了90 %；模型B的振型模態(tài)相對(duì)復(fù)雜，需要考慮更高階的振型模態(tài)，其中第1階為Z方向結(jié)構(gòu)平動(dòng)，第2、3、6、9階為X方向結(jié)構(gòu)平動(dòng)，其余各階多為設(shè)備的局部振動(dòng)。

（2）模型B考慮了結(jié)構(gòu)與設(shè)備的耦合作用，在模型中模擬了設(shè)備的外形和壁厚，真實(shí)反映出鋼結(jié)構(gòu)在樓層設(shè)備反饋?zhàn)饔孟碌恼裥湍B(tài)。相比簡(jiǎn)化模型A，模型B的Z方向結(jié)構(gòu)平動(dòng)周期略滯后，前幾階振型參振質(zhì)量稍有下降；X方向結(jié)構(gòu)平動(dòng)周期滯后相對(duì)多一些，參振質(zhì)量變化更為顯著。

3 地震響應(yīng)分析

3.1 振型分解反應(yīng)譜法

采用抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為Ⅲ類條件下的地震反應(yīng)譜曲線，對(duì)兩個(gè)結(jié)構(gòu)模型分別進(jìn)行反應(yīng)譜分析，得到結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的地震響應(yīng)。

表1 模態(tài)分析結(jié)果比較Tab.1 Comparison of the model analytic results

兩模型鋼框架基底的地震剪力數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，從表中可以看出相比模型A，模型B的總地震力兩個(gè)方向均有所減小，其中X方向減小了11.3 %，Z方向減小了5.8 %。分析其原因，總的地震力是由各個(gè)振型求得的力平方和再開(kāi)方求得，這就是我們通常說(shuō)的CQC組合方法。各個(gè)振型的質(zhì)點(diǎn)地震力又和地震影響系數(shù)、參振質(zhì)量有關(guān)，從模態(tài)分析中已經(jīng)了解到，模型B兩個(gè)方向的平動(dòng)周期都比模型A要有所變化，由GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]（以下簡(jiǎn)稱抗規(guī)）5.1.5得出地震影響系數(shù)變小，并且模型

B前幾階的參振質(zhì)量也比模型A要小，按照抗規(guī)5.2.2不難得出模型B的總地震力要比模型A要小的結(jié)論。

表2 基底地震剪力的比較Tab.2 Comparison of the base seismic shear force

兩模型在地震效應(yīng)作用下各樓層節(jié)點(diǎn)位移情況見(jiàn)表3，從表中對(duì)比情況可以看出模型B各樓層的位移都比模型A小，其中頂層位移X方向減小了18.5 %，Z方向減小了6.8 %。分析其原因，考慮了樓層設(shè)備與框架的耦合作用，使得框架的平動(dòng)周期發(fā)生變化，進(jìn)而使得所受水平地震力變小，然而框架的抗側(cè)剛度沒(méi)有變化，因此所求得的節(jié)點(diǎn)位移會(huì)變小。

表3 樓層位移的比較Tab.3 Comparison of the floor displacement

3.2 時(shí)程分析法

為了更加形象、深刻地對(duì)兩個(gè)模型在地震作用下的響應(yīng)作對(duì)比，進(jìn)一步采用時(shí)程分析方法進(jìn)行分析。地震波選用國(guó)內(nèi)外認(rèn)可度較高的EL-Centro強(qiáng)震波作為地面運(yùn)動(dòng)加速度時(shí)程曲線[2-3]?？紤]到ELCentro波（N/S波）記錄是一個(gè)典型的Ⅱ、Ⅲ類場(chǎng)地的地震記錄[4-5]，時(shí)長(zhǎng)54 s，卓越周期為0.3 ～ 0.4 s，加速度峰值為341.7 cm/s2，實(shí)際分析時(shí)根據(jù)抗規(guī)表5.1.2-2的要求，對(duì)其進(jìn)行頻譜特性、峰值強(qiáng)度和有效持時(shí)進(jìn)行調(diào)整，峰值按多遇地震7度調(diào)整為0.35 m/s2，持續(xù)時(shí)間為20 s，時(shí)間間隔為0.02 s，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.04，調(diào)整后的時(shí)程曲線見(jiàn)圖3。

圖3 地震波加速度時(shí)程曲線Fig.3 Time-history curve of earthquake acceleration

將調(diào)整后的EL-Centro地震波輸入Staad Pro.計(jì)算軟件，分別對(duì)模型A和模型B進(jìn)行激勵(lì)，結(jié)構(gòu)頂層節(jié)點(diǎn)位移、加速度的時(shí)程響應(yīng)曲線，見(jiàn)圖4 ～ 7，峰值數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表4。

圖4 模型A地震波作用下頂點(diǎn)位移曲線Fig.4 Top displacement curve under seismic wave action in model A

圖5 模型B地震波作用下頂點(diǎn)位移曲線Fig.5 Top displacement curve under seismic wave action in model B

圖6 模型A地震波作用下頂點(diǎn)加速度曲線Fig.6 Top acceleration curve under seismic wave action in model A

圖7 模型B地震波作用下頂點(diǎn)加速度曲線Fig.7 Top acceleration curve under seismic wave action in model B

表4 頂層位移最大值和加速度最大值的比較Tab.4 Comparison the maximal value of top displacement and acceleration

對(duì)比分析圖4 ～ 7以及從表4中可以看出：

（1）兩個(gè)模型發(fā)生頂層節(jié)點(diǎn)最大位移，最大加速度的時(shí)刻基本一致，且位移的最大響應(yīng)總是滯后于最大加速度的響應(yīng)。

（2）相比模型A，模型B頂層位移最大值X方向減小了18.1 %，Z方向減小了5.7 %。

（3）相比模型A，模型B頂層加速度最大值X方向減小了15.7 %，Z方向減小了4.3 %。

4 設(shè)備剛度變化

為進(jìn)一步了解設(shè)備的反饋?zhàn)饔脤?duì)鋼框架地震響應(yīng)的影響，通過(guò)改變?cè)O(shè)備壁厚來(lái)改變?cè)O(shè)備自身的剛度，進(jìn)而探尋設(shè)備剛度變化與設(shè)備鋼框架地震響應(yīng)之間的關(guān)系。

模型B中設(shè)備的壁厚實(shí)際是28 mm，現(xiàn)將壁厚分別調(diào)整為32 mm、36 mm和40 mm，在調(diào)整的過(guò)程中設(shè)備總的操作荷載保持不變，變化的僅僅是設(shè)備自身的剛度。將模型B在不同設(shè)備壁厚情況下分別進(jìn)行計(jì)算分析，采用相同的振型分解反應(yīng)譜方法，得出基底地震力和地震作用下頂層位移最大值，以及與最初模型A分析結(jié)果的比較情況見(jiàn)表5、表6。

從表5和表6可以看出，模型B中隨著設(shè)備本體壁厚的變大（設(shè)備剛度變大），無(wú)論是鋼框架所受的地震力還是地震作用下頂層節(jié)點(diǎn)的位移都變大，并且同模型A分析結(jié)果的差距不斷變小。

5 結(jié)論

通過(guò)模態(tài)分析，振型分解法和時(shí)程分析法分別對(duì)加氫框架簡(jiǎn)化模型與考慮設(shè)備本體模型進(jìn)行了分析比較，得出以下結(jié)論：

表5 基底地震剪力的比較Tab.5 Comparison of the base seismic shear force

表6 頂層位移的比較Tab.6 Comparison of the top displacement

（1）加氫設(shè)備框架在模擬了設(shè)備真實(shí)尺寸、壁厚以及荷載分布后，相比簡(jiǎn)化模型所受的基底地震力和頂層位移都有所減小。

（2）考慮了真實(shí)設(shè)備對(duì)鋼框架地震響應(yīng)的反饋?zhàn)饔?，抗?cè)剛度相對(duì)大的弱軸有支撐方向分析結(jié)果的差異比較顯著，抗側(cè)剛度相對(duì)小的強(qiáng)軸無(wú)支撐方向分析結(jié)果的差異相對(duì)小。

（3）隨著設(shè)備壁厚的增加，設(shè)備剛度的加大，考慮設(shè)備本體模型的分析結(jié)果越接近于簡(jiǎn)化模型的分析結(jié)果。

[1]GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]周曉峰.巨型鋼框架結(jié)構(gòu)的靜力、抗震和抗風(fēng)分析[D].杭州：浙江大學(xué)，2001.

[3]許志榮.高聳鋼結(jié)構(gòu)塔架的風(fēng)荷載、地震作用分析[D].大慶：東北石油大學(xué)，2011：21-40.

[4]肖斌.大型火電廠鍋爐鋼結(jié)構(gòu)靜力及穩(wěn)定性分析[D].上海：上海交通大學(xué)，2008.

[5]段振亞.框架塔設(shè)備動(dòng)力特性的研究[D].天津：天津大學(xué)，2003.

國(guó)家食品藥品總局發(fā)布藥品追溯體系最新意見(jiàn)

根據(jù)《中華人民共和國(guó)食品安全法》、《中華人民共和國(guó)藥品管理法》、《醫(yī)療器械監(jiān)督管理?xiàng)l例》、《化妝品衛(wèi)生監(jiān)督條例》等有關(guān)法律法規(guī)的規(guī)定和《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于加快推進(jìn)重要產(chǎn)品追溯體系建設(shè)的意見(jiàn)》（國(guó)辦發(fā)〔2015〕95號(hào)）文件精神，為控制食品藥品安全風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)消費(fèi)者權(quán)益，2016年9月27日，國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理總局發(fā)布了《總局關(guān)于推動(dòng)食品藥品生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者完善追溯體系的意見(jiàn)》（食藥監(jiān)科〔2016〕122號(hào)）。意見(jiàn)內(nèi)容共8條，主要有以下亮點(diǎn)：

1.強(qiáng)調(diào)食品藥品生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者的主體責(zé)任，要求對(duì)其生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的產(chǎn)品來(lái)源可查、去向可追。在發(fā)生質(zhì)量安全問(wèn)題時(shí)，能夠及時(shí)召回相關(guān)產(chǎn)品、查尋原因。

2.全文4次出現(xiàn)了“鼓勵(lì)”，具體：鼓勵(lì)藥品、醫(yī)療器械生產(chǎn)企業(yè)對(duì)產(chǎn)品最小銷(xiāo)售單位賦以唯一性標(biāo)識(shí)，以便經(jīng)營(yíng)者、消費(fèi)者識(shí)別。鼓勵(lì)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者運(yùn)用信息技術(shù)建立食品藥品追溯體系。鼓勵(lì)信息技術(shù)企業(yè)作為第三方，為生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者提供產(chǎn)品追溯專業(yè)服務(wù)。鼓勵(lì)行業(yè)協(xié)會(huì)組織企業(yè)搭建追溯信息查詢平臺(tái)，為監(jiān)管部門(mén)提供數(shù)據(jù)支持，為生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者提供數(shù)據(jù)共享，為公眾提供信息查詢。（筆者理解：總局不再?gòu)?qiáng)制要求藥企像此前電子監(jiān)管碼一樣對(duì)最小銷(xiāo)售單位進(jìn)行唯一性標(biāo)識(shí)，但是還是希望有條件、有能力的企業(yè)能夠這么做。此外總局也希望信息技術(shù)企業(yè)和行業(yè)協(xié)會(huì)能夠?yàn)樯a(chǎn)經(jīng)營(yíng)者提供專業(yè)服務(wù)或者搭建追溯信息查詢平臺(tái)。）

3.意見(jiàn)對(duì)食品、藥品、醫(yī)療器械、化妝品均提出了要求，如意見(jiàn)第三條 藥品、醫(yī)療器械生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)當(dāng)按照生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范（GMP）要求對(duì)各項(xiàng)活動(dòng)進(jìn)行記錄。記錄應(yīng)當(dāng)真實(shí)、準(zhǔn)確、完整和可追溯。

4.強(qiáng)調(diào)地方藥監(jiān)局要對(duì)行政區(qū)域內(nèi)相關(guān)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者原料來(lái)源記錄、生產(chǎn)過(guò)程記錄、購(gòu)銷(xiāo)記錄等追溯體系建設(shè)要求的落實(shí)情況進(jìn)行督促檢查和總結(jié)。對(duì)不履行追溯責(zé)任者依法及時(shí)查處。

（蒲公英）

Seismic Response Analysis for Steel Frame Interacting with Equipment

Huang Junjie
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai 200120）

In establishing model of steel equipment structure, the contour size, thickness and operation weight of real equipment have some effects to the results of analytical calculation. In this article, by using the methods of modal analysis, discomposed response spectrum with vibration mode and time history analysis, and based on simplified model and real model, seismic analysis was performed. The results from the analysis were compared, and some conclusions were obtained, which may be referenced by engineers.

seismic response; modal analysis; response spectrum; time history analysis

TU 352

A

2095-817X（2016）05-0034-006

2016-07-15

黃俊杰（1983—），男，工程師，從事石油化工行業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。