高烈度下(雙層系)接轉(zhuǎn)站框架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析

滕振超，劉 宇

(東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318)

我國(guó)抗震規(guī)范提出的要求是在結(jié)構(gòu)的全壽命周期，對(duì)于可能發(fā)生的不同震級(jí)或是不同頻譜的作用，該結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)具備不同的抵抗能力。建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50011—2010)的中心內(nèi)容可以總結(jié)為三水準(zhǔn)和兩階段，即“小震不壞、中震可修、大震不倒”和“彈性設(shè)計(jì)階段、彈塑性設(shè)計(jì)階段”?？拐鹪O(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)所承受的地震作用是由地震地面運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)作用，它是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或分析的基本依據(jù)[1-5]，如表1所示。

地震本身的隨機(jī)性很強(qiáng)，故一般荷載與地震作用有很大差別。在地震作用下,彈性地震作用指結(jié)構(gòu)處于彈性階段工作時(shí)，各樓層產(chǎn)生的地震作用；彈塑性地震作用指在結(jié)構(gòu)在進(jìn)入塑性階段時(shí)各樓層的地震作用。

對(duì)于抗震設(shè)計(jì)方法，基本上還是以構(gòu)造措施和保證承載力限值2個(gè)方面保證鋼結(jié)構(gòu)抗震性能要求。雖然有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)基于性能的設(shè)計(jì)方法在新版規(guī)范中有所提及，但是并未作強(qiáng)制性要求[6-8]。

表1 3個(gè)水準(zhǔn)的各種參數(shù)

1 抗震設(shè)計(jì)方法

1.1 國(guó)內(nèi)常用抗震設(shè)計(jì)方法

設(shè)計(jì)人員應(yīng)按照建筑抗震規(guī)范規(guī)定針對(duì)不同的擬建房屋類(lèi)型、建筑高度范圍和平立面布置形式等因素綜合分析，選用對(duì)應(yīng)的方法進(jìn)行分析[9]。

在我國(guó)的規(guī)范中，將地震分解反應(yīng)譜法作為最基本的設(shè)計(jì)方法，理由為其計(jì)算精度能滿足工程需求，理論也較成熟。

各類(lèi)建筑的應(yīng)用范圍在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB5001—2010)中有明確說(shuō)明：

1) 一般采用底部剪力法的結(jié)構(gòu)多類(lèi)似為單質(zhì)點(diǎn)體系，例如高度在35 m，而且以剪切變形為主、剛度和質(zhì)量均勻分布的建筑物。

2) 反應(yīng)譜分析方法可應(yīng)用于除上述簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)以外的結(jié)構(gòu)。

3) 時(shí)程分析方法主要應(yīng)用于一些特別不規(guī)則的建筑或是建筑類(lèi)別設(shè)定的甲類(lèi)建筑的抗震設(shè)計(jì)，如表2所列高度范圍的高層建筑。

1.2 響應(yīng)譜分析方法

本次利用ANSYS中響應(yīng)譜分析方法來(lái)模擬在地震作用下該接轉(zhuǎn)站的內(nèi)力和變形。首先，譜是頻率與譜值的關(guān)系曲線能反映在時(shí)間-歷程下載荷的強(qiáng)度與頻率之間的關(guān)系。譜分析就是用模態(tài)分析結(jié)果與已知譜結(jié)合，進(jìn)一步計(jì)算出模型的力和位移的分析方法。譜分析替代時(shí)程分析來(lái)分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，主要用于隨機(jī)荷載和與時(shí)間有關(guān)的荷載，例如風(fēng)載、地震作用、海嘯、發(fā)動(dòng)機(jī)震動(dòng)等[10]。

表2 時(shí)程分析高度范圍

譜分析有3種類(lèi)型：動(dòng)力設(shè)計(jì)分析、響應(yīng)譜分析和隨機(jī)振動(dòng)分析。其中響應(yīng)譜分析代表對(duì)時(shí)間-歷程響應(yīng)和頻率的關(guān)系。響應(yīng)譜又分為單點(diǎn)和多點(diǎn)響應(yīng)譜，分別為一一對(duì)應(yīng)和多多對(duì)應(yīng)的響應(yīng)譜。分析船舶裝備抗震性能用動(dòng)力設(shè)計(jì)分析，在隨機(jī)性載荷作用下的響應(yīng)分析采用隨機(jī)振動(dòng)分析[11]。

2 有限元軟件ANSYS分析

2.1 (雙層系)接轉(zhuǎn)站框架結(jié)構(gòu)描述

接轉(zhuǎn)站對(duì)油田有序生產(chǎn)、建設(shè)水平、生產(chǎn)效率起關(guān)鍵作用，在高烈度區(qū)建立接轉(zhuǎn)站，更需要保證其安全性。接轉(zhuǎn)站又稱(chēng)集油站,是集輸系統(tǒng)的主要中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié),安全系數(shù)要求極高。其任務(wù)是接收單井、井排或計(jì)量站來(lái)油,進(jìn)行原油穩(wěn)定及油氣分離、原油脫水等處理,同時(shí)將原油加壓、加熱后外輸。為便于區(qū)別,常將各種類(lèi)型的接轉(zhuǎn)站按其業(yè)務(wù)范圍的大小分為集中處理站、接轉(zhuǎn)站和轉(zhuǎn)油站等。

由于該結(jié)構(gòu)具有非常重要的作用，進(jìn)而需要高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。故在基本設(shè)防烈度為8度的區(qū)域，驗(yàn)算罕遇地震作用時(shí)在實(shí)際工程中需提高1度考慮，為9度。

2.2 (雙層系)接轉(zhuǎn)站框架結(jié)構(gòu)有限元分析模型建立

本次分析的(雙層系)接轉(zhuǎn)站框架結(jié)構(gòu)主要由梁、柱和板等部分組成，其長(zhǎng)×寬×高為5.2 m×2.4 m×3 m。采用ANSYS17.0有限元分析軟件。首先需要建立該(雙層系)接轉(zhuǎn)站框架結(jié)構(gòu)有限元分析模型(圖1)，實(shí)際建模時(shí)，忽略變壓器外殼、變電箱、墻體等薄壁元件，對(duì)框架角鋼、槽鋼及螺栓采用梁?jiǎn)卧M。使用鋼材的材料力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表3、表4。

表3 各單元類(lèi)型

注：在進(jìn)行有限元分析時(shí)，把實(shí)際工程中的配電、變頻、自控通訊等設(shè)備，采用質(zhì)量塊的形式，作用在結(jié)構(gòu)底部對(duì)應(yīng)的單元上，進(jìn)而分析。

表4 計(jì)算中所采用的材料力學(xué)性能參數(shù)

圖1 (雙層系)接轉(zhuǎn)站整體結(jié)構(gòu)有限元模型

2.3 (雙層系)接轉(zhuǎn)站框架結(jié)構(gòu)自振頻率計(jì)算

按照《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，經(jīng)ANSYS模態(tài)分析計(jì)算，(雙層系)接轉(zhuǎn)站框架結(jié)構(gòu)水平向基本自振頻率為10.48 Hz，前3階振型如圖2所示。

圖2 前3階振型圖

2.4 地震作用結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜及強(qiáng)度驗(yàn)算

2.4.1設(shè)計(jì)地震加速度反應(yīng)譜確定

本計(jì)算分別對(duì)(雙層系)接轉(zhuǎn)站框架結(jié)構(gòu)在水平橫向和縱向地震作用、風(fēng)荷載及重力荷載(含雪荷載)下進(jìn)行計(jì)算，最后分別得出縱橫2個(gè)方向的總效應(yīng)，驗(yàn)算其抗震強(qiáng)度。

其中，地震作用采用振型分解反應(yīng)譜法對(duì)(雙層系)接轉(zhuǎn)站框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震計(jì)算，按照上述設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，首先確定基本設(shè)防烈度8度(0.2g)和罕遇烈度9度(0.62g)下設(shè)計(jì)地震加速度反應(yīng)譜(圖3)，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范的說(shuō)明，阻尼比按照多高層鋼結(jié)構(gòu)統(tǒng)一取0.02，地震作用的基本參數(shù)如表5所示。

表5 地震作用基本參數(shù)

圖3 地震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜

按規(guī)范要求設(shè)計(jì)地震加速度反應(yīng)譜按下列規(guī)定確定[9]：

當(dāng)0 ≤T<0.1時(shí)：

a(T)=(10(η2αmax-0.45αmax)T+0.45αmax)×g

當(dāng)0.1≤T

a(T)=η2αmax×g

當(dāng)Tg≤T<5Tg時(shí)：

a(T)=(Tg/T)γ×η2αmax×g

當(dāng)5Tg≤T<6時(shí)：

a(T)=(η2×0.2γ-η1(T-5Tg)) ×αmax×g

由此算出該單點(diǎn)反應(yīng)譜分析中激勵(lì)譜的各個(gè)頻率點(diǎn)的頻率值和對(duì)應(yīng)的譜值，在這里選用的是加速度值，如表6所示。

表6 響應(yīng)譜分析數(shù)據(jù)

2.4.2地震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)

帶入數(shù)據(jù)，對(duì)該框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行振型分解反應(yīng)分析，最終數(shù)據(jù)結(jié)果如表7所示，譜分析結(jié)果的位移和應(yīng)力云圖見(jiàn)圖4，最大位移和最大應(yīng)力見(jiàn)圖5。

表7 結(jié)構(gòu)最大位移及最大應(yīng)力數(shù)據(jù)

圖4 譜分析結(jié)果的位移和應(yīng)力云圖

圖5 地震作用下結(jié)構(gòu)反應(yīng)的最大位移和最大應(yīng)力

3 結(jié)論

利用有限元結(jié)構(gòu)分析專(zhuān)用程序ANSYS，采用振型分解反應(yīng)譜分析法，對(duì)(雙層系)接轉(zhuǎn)站框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)防烈度(0.2g)和罕遇烈度(0.62g)兩級(jí)縱橫2個(gè)方向地震作用下的抗震計(jì)算，經(jīng)計(jì)算分析，獲得以下結(jié)論：

1) 在相當(dāng)于設(shè)防烈度的地震作用(0.2g)下，(雙層系)接轉(zhuǎn)站框架結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生損壞，可繼續(xù)使用。

2) 在相當(dāng)于罕遇烈度的地震作用(0.62g)下，(雙層系)接轉(zhuǎn)站框架結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生損壞，可繼續(xù)使用。

3) 最大位移出現(xiàn)在屋架橫梁處，屋架橫梁、柱與基礎(chǔ)連接位置會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。與常規(guī)抗震設(shè)計(jì)相比，用有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析的結(jié)構(gòu)更直觀，能更好地模擬結(jié)構(gòu)在實(shí)際地震作用下的變形和應(yīng)力分布。