安裝粘滯阻尼器的石化裂解爐抗震計算分析★

張貴辰 張宏濤

(1.北方工業(yè)大學電氣與控制工程學院，北京 100043； 2.北方工業(yè)大學土木工程學院，北京 100043)

0 引言

近年來，隨著現(xiàn)代信息檢測技術的快速發(fā)展，對工程結構和石化裂解爐等建立系統(tǒng)的健康監(jiān)測[1-3](SHM)系統(tǒng)是土木和石化工程一個重要發(fā)展方向之一。目前，在大型裂解爐裝備結構設計中，由于不同地震烈度區(qū)域計算的爐體鋼結構參數(shù)變化較大，而工藝和設備等專業(yè)的設備一般是定型產(chǎn)品，如輻射段和對流段模塊，結構參數(shù)調(diào)整將影響模塊設備設計，所以對不同地震烈度區(qū)域裂解爐裝備鋼結構設計，采用標準化爐體結構設計對加快裂解爐設計周期和保證裂解爐性能指標意義重大。本文采用結構振(震)動控制技術，應用大型通用軟件ABAQUS對裂解爐結構進行加速度模擬分析，提出粘滯阻尼器布置優(yōu)化方案，減震達到了10%以上的目標，效果良好。不僅減少了結構材料使用，還有效地縮短了裂解爐工程的設計周期，使結構優(yōu)化設計達到了國際先進水平。

1 裂解爐基本模型

該大型裂解爐主要由兩部分構成，如圖1所示。0 m～15 m輻射段箱體結構及框架，15 m以上中間部分是對流段模塊以及框架結構構成。裂解爐平面尺寸為11.37 m×31.82 m，爐體框架總高44.5 m。

2 有限元模型

2.1 對流段模塊和框架

輻射段爐墻板的厚度相對于高度(或直徑)數(shù)值較小，可視為薄壁結構，采用殼單元(Shell elements)中的S4R?？蚣苤袟U件為細長，跨高比很大，可視為梁結構，采用結構梁單元(Beam element)中的B32，粘滯流體阻尼器采用彈簧阻尼器單元(Connector element)。材料采用鋼材，材質(zhì)為Q235B。

2.2 地震波選取

本工程位于國內(nèi)，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.15g，設計地震分組為第二組，設計特征周期為0.40 s，場地土類別為第Ⅱ類。根據(jù)上述工程情況和《建筑抗震設計規(guī)范》的規(guī)定[4]，選取了El Centro波，天然記錄的El Centro地震波的時程曲線如圖2所示，其加速度峰值為0.35g，調(diào)整后的El Centro地震動加速度時程曲線如圖3所示。

3 結構動力響應分析

3.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析是結構動力分析的基礎，主要計算結構固有模態(tài)的兩個基本參數(shù)：固有頻率(周期)和各階振型，以此來分析結構自振特性，為以后的動力時程分析做準備。

在ABAQUS 6.11軟件中設定線性攝動分析步，對側(cè)框架塔進行模態(tài)分析，得到了裂解爐組合結構的自由模態(tài)，其周期和頻率如表1所示，前4階振型結果圖如圖4～圖7所示。

表1 裂解爐框架的模態(tài)分析結果

結果表明，裂解爐框架在寬度方向上的剛度要遠小于長度方向上的剛度，因此，在下面的地震響應分析和減震分析中，取最不利方向，假設地震動沿裂解爐框架寬度方向。根據(jù)優(yōu)化原則布置了8個粘滯阻尼器，如圖1所示。

3.2 裂解爐框架結構地震響應分析

在對流段模塊和框架之間不設置粘滯阻尼器，通過ABAQUS顯示動力學分析，得到地震作用下裂解爐框架結構的時程響應結果。裂解爐框架在調(diào)幅后的El Centro波作用下的加速度時程響應結果如圖8所示。

3.3 裂解爐框架結構的粘滯阻尼器位置和參數(shù)

在ABAQUS軟件中，阻尼器的模擬可以采用彈簧阻尼單元。在如圖1的位置安裝8個粘滯阻尼器。阻尼器參數(shù)如表2所示。

表2 阻尼器參數(shù)

3.4 裂解爐框架結構的粘滯阻尼減震響應分析

通過ABAQUS顯示動力學分析，得到地震作用下裂解爐框架結構安裝粘滯阻尼器后的時程響應結果。裂解爐框架在調(diào)幅后的El Centro波作用下的加速度時程響應結果如圖9所示。

由圖可以看到，安裝粘滯阻尼器之后結構加速度響應的頻率和峰值都有所下降，其中加速度峰值減小了13.95%，減震效果比較明顯。

4 結論和建議

本文根據(jù)工程特點和所在位置選定了地震波時程曲線；對裂解爐框架進行了模態(tài)分析，根據(jù)模態(tài)分析的頻率和振型結果，確定了地震波邊界條件的施加方式；通過ABAQUS顯示動力學分析，得到地震作用下裂解爐框架結構的時程響應結果；在計算模型中添加了阻尼單元，模擬粘滯阻尼器對裂解爐框架的減震作用，通過ABAQUS顯示動力學分析，得到地震作用下裂解爐框架結構的減震響應結果，由結果可知安裝粘滯阻尼器的減震效果比較明顯。