帶筒倉(cāng)廠房層間隔震設(shè)計(jì)與抗震性能研究

雷傳章

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣州 510010）

0 引言

隨著老舊工業(yè)廠房改造加固加快，建筑結(jié)構(gòu)與設(shè)備筒倉(cāng)等一體化廠房加固改造方面除了滿足生產(chǎn)工藝需求外，還需要考慮當(dāng)前地震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較原有標(biāo)準(zhǔn)提升的問(wèn)題，這給廠房改造加固方案提出了挑戰(zhàn)。工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)中存在大量設(shè)備管線，在地震作用下不僅需要建筑結(jié)構(gòu)保持安全防止倒塌，其內(nèi)部的設(shè)備也需保持相應(yīng)的運(yùn)行能力，避免對(duì)生產(chǎn)造成影響[1]。工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)往往存在大開洞、不規(guī)則現(xiàn)象，這不利于結(jié)構(gòu)自身的抗震，而廠房?jī)?nèi)部的筒倉(cāng)、設(shè)備等抗震安全同樣對(duì)工業(yè)生產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生較大影響[2，3]。由于生產(chǎn)工藝需求而產(chǎn)生的下部大底盤+上部生產(chǎn)區(qū)間類建筑結(jié)構(gòu)成為常見工業(yè)廠房類型之一，對(duì)于此類工業(yè)廠房在考慮廠房結(jié)構(gòu)抗震安全的同時(shí)，還需考慮由于筒倉(cāng)等倉(cāng)儲(chǔ)類設(shè)備不同位置、高造價(jià)、大質(zhì)量占比的影響，合理考慮地震下結(jié)構(gòu)與筒倉(cāng)類設(shè)備的的相互作用也成為此類廠房設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素[4]。層間隔震技術(shù)通過(guò)在大底盤與上部塔樓間設(shè)置隔震層，延長(zhǎng)上部塔樓的振動(dòng)特性以降低地震響應(yīng)，使得其成為大底盤+上部生產(chǎn)區(qū)間類型廠房的潛在抗震能力提升方案[5]。束偉農(nóng)等對(duì)西安高烈度區(qū)某地鐵上蓋結(jié)構(gòu)塔樓進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)和構(gòu)件優(yōu)化，基于彈塑性分析結(jié)果得出層間隔震技術(shù)結(jié)合構(gòu)件性能化設(shè)計(jì)措施可有效保證高烈度區(qū)地鐵上蓋結(jié)構(gòu)的抗震性能[6]；徐飛鴻等基于MIDAS軟件對(duì)某15層鋼框架結(jié)果進(jìn)行層間隔震性能分析，得出隔震后上部結(jié)構(gòu)周期延長(zhǎng)、加速度響應(yīng)減小的結(jié)論[7]；曹加良等[8]對(duì)層間隔震可簡(jiǎn)化為雙質(zhì)點(diǎn)模型的適用范圍進(jìn)行了討論，并結(jié)合模型質(zhì)量比、周期比敏感性對(duì)簡(jiǎn)化模型振型進(jìn)行了參數(shù)相關(guān)性分析，研究指出簡(jiǎn)化為雙質(zhì)點(diǎn)后每個(gè)質(zhì)點(diǎn)所有振型參與向量和必須為一是判斷雙質(zhì)點(diǎn)模型是否合理的前置條件。查軍龍等[9]分析工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震參數(shù)，提出基于地震動(dòng)強(qiáng)度、工程需求參數(shù)和損傷參數(shù)的工業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)類結(jié)構(gòu)抗震能力適用性評(píng)價(jià)方法。程瑜等[10]建立某糧庫(kù)筒倉(cāng)混凝土有限元模型，對(duì)單倉(cāng)和群倉(cāng)不同烈度地震下的動(dòng)力反應(yīng)進(jìn)行了規(guī)律性研究。研究結(jié)合某大底盤工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)上部塔樓包含筒倉(cāng)倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備，為提升廠房整體抗震能力采用層間隔震設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行設(shè)防烈度地震動(dòng)時(shí)程分析。

1 工程概況

1.1 結(jié)構(gòu)概況

某帶筒倉(cāng)工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)為6層，1～2層為成品儲(chǔ)料平臺(tái)高度層高為4.5m、3～6屋加工區(qū)域?qū)痈邽?m。場(chǎng)地類別III類、地震分組第II組，場(chǎng)地特征周期0.55s，設(shè)防烈度為8度0.2g，1～2層外部柱 700mm×700mm、內(nèi)部柱 900mm×900mm，底層梁 900mm×600mm、700mm×600mm，底層板150mm。上部辦公區(qū)域柱700mm×700mm，梁700mm×400mm，板300mm。1層平臺(tái)恒載6kN/m2，2層平臺(tái)恒載4.5kN/m2，活載3.5kN/m2，上部作業(yè)區(qū)域恒載 4.5kN/m2，活載 4kN/m2，計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 有限元分析模型

工程計(jì)算模型采用SAP2000，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，依照相關(guān)規(guī)范要求的設(shè)計(jì)參數(shù)輸入，采用梁?jiǎn)卧桶鍐卧⒛Ｐ筒⑦M(jìn)行模擬分析。

上部作業(yè)區(qū)域3～5層中心有大型現(xiàn)澆混凝土筒倉(cāng)，筒倉(cāng)上部長(zhǎng)6m、寬4m，出料口為1m×1m方孔，筒倉(cāng)壁厚300mm，出料口、底部、頂部標(biāo)高分別為12、13、17m。結(jié)合場(chǎng)地譜及設(shè)備廠家提供目標(biāo)譜，人工擬合一條地震動(dòng)R波進(jìn)行地震時(shí)程分析，人工擬合地震波有效持時(shí)不少于8s，總持時(shí)不少于20s，設(shè)防烈度下強(qiáng)度為0.2g，罕遇地震下強(qiáng)度為0.4g，圖2為0.2g設(shè)防烈度下加速度反應(yīng)譜對(duì)比，短周期段擬合地震動(dòng)波譜包絡(luò)目標(biāo)譜滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 加速度譜對(duì)比

1.2 改造加固流程

整個(gè)廠房的改造涉及到廠房結(jié)構(gòu)和筒倉(cāng)的安全保證，同時(shí)又需要減小對(duì)生產(chǎn)流程、作業(yè)區(qū)域和物料運(yùn)輸?shù)挠绊?。在確定加固改造方案之前，需先對(duì)原有廠房進(jìn)行基礎(chǔ)信息的全面調(diào)查，委托專業(yè)房屋檢測(cè)鑒定單位進(jìn)行信息收集。結(jié)合上述目標(biāo)與限制，擬采用層間隔震方案進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，采用層間隔震后可以使上部生產(chǎn)作業(yè)區(qū)的作業(yè)分區(qū)、筒倉(cāng)設(shè)計(jì)最大限度的減小擾動(dòng)，但是會(huì)使跨越隔震層的作業(yè)管線遭受較大的位移二次應(yīng)力影響，因此層間隔震方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)、筒倉(cāng)計(jì)算和管線重設(shè)計(jì)。該廠房加固改造流程見圖3。

圖3 廠房改造加固流程

1.3 隔震設(shè)計(jì)方案

擬采用層間隔震技術(shù)提升結(jié)構(gòu)與設(shè)備抗震能力，在2層平臺(tái)頂部外加1.8m高隔震層，支座布設(shè)在外加隔震層內(nèi)，隔震層同步作物料短儲(chǔ)層使用。鉛芯橡膠支座（LRB）布置在角柱邊柱提高抗扭，橡膠支座（NRB）布置在內(nèi)柱底提供恢復(fù)力。支座布設(shè)方案見圖4、支座類型與支座力學(xué)參數(shù)見表1。

圖4 水平隔震支座布置

表1 水平隔震支座力學(xué)參數(shù)

2 抗震能力評(píng)價(jià)

2.1 廠房結(jié)構(gòu)抗震性能分析

表2為未隔震結(jié)構(gòu)、隔震結(jié)構(gòu)自振周期對(duì)比，可見層間隔震后塔樓周期為2.26s較未隔震結(jié)構(gòu)0.62s延長(zhǎng)3.62倍。

表2 模態(tài)信息

圖5為0.2gR波地震下X向?qū)蛹袅Πj(luò)圖，結(jié)果顯示0.2g加速度輸入下上部隔震廠房層剪力峰值均小于未隔震結(jié)構(gòu)層剪力峰值。

圖5 層剪力包絡(luò)圖

圖6為0.2gR波地震下X向?qū)蛹铀俣确逯蛋j(luò)圖，結(jié)果顯示層間隔震塔樓在0.2g輸入下的頂部加速度峰值為3.51m/s2，與未隔震結(jié)構(gòu)頂部加速度峰值9.59m/s2相比降低63.43%，表明層間隔震有效降低上部作業(yè)區(qū)層加速度響應(yīng)。

圖6 層加速度峰值

圖7為0.2gR波地震下X向?qū)游灰品逯登€隨高度變化圖，結(jié)果顯示未隔震結(jié)構(gòu)層位移峰值隨高度增加呈放大趨勢(shì)，而層間隔震結(jié)構(gòu)水平變形則集中在隔震層內(nèi)，上部作業(yè)區(qū)域保持平動(dòng)。

圖7 層位移峰值曲線

圖8為0.2gR波地震下頂層加速度反應(yīng)譜對(duì)比，未隔震結(jié)構(gòu)譜峰值為40.9m/s2，隔震結(jié)構(gòu)頂部加速度峰值26.4m/s2，僅為未隔震結(jié)構(gòu)的64.5%，而在長(zhǎng)周期區(qū)域隔震結(jié)構(gòu)則有峰值5.7m/s2出現(xiàn)，結(jié)果表明低周區(qū)內(nèi)層間隔震結(jié)構(gòu)頂層加速度反應(yīng)譜峰值明顯降低，但在長(zhǎng)周期區(qū)域內(nèi)層間隔震結(jié)構(gòu)譜值明顯高于未隔震結(jié)構(gòu)。

圖8 頂層加速度反應(yīng)譜對(duì)比

2.2 筒倉(cāng)抗震能力分析

圖9為0.2gR波地震下筒倉(cāng)頂部17m標(biāo)高處地震加速度時(shí)程對(duì)比圖，結(jié)果顯筒倉(cāng)頂部隔震時(shí)加速度峰值為3.73m/s2，與未隔震時(shí)頂部加速度峰值11.13m/s2相比降低66.4%。

圖9 筒倉(cāng)頂部加速度時(shí)程對(duì)比

圖10為0.2gR波地震下筒倉(cāng)頂部17m標(biāo)高處加速度反應(yīng)譜對(duì)比，結(jié)果顯示筒倉(cāng)頂部隔震時(shí)加速度譜峰值為12.12m/s2，與未隔震時(shí)頂部加速度譜峰值22.01m/s2相比降低45.5%。

圖10 筒倉(cāng)17m標(biāo)高處加速度譜對(duì)比

圖11為0.2gR波地震下隔震層頂部標(biāo)高處相對(duì)位移時(shí)程對(duì)比，結(jié)果顯示未隔震時(shí)頂部相對(duì)位移為22mm，隔震層隔震層頂部相對(duì)位移為92mm，相比未隔震放大4.18倍。相對(duì)位移的放大對(duì)原有結(jié)構(gòu)中鋪設(shè)的管線產(chǎn)生極大的二次應(yīng)力，對(duì)該部分跨隔震溝管線的設(shè)計(jì)需在后續(xù)重點(diǎn)考慮。

圖11 筒倉(cāng)頂部加速度時(shí)程對(duì)比

2.3 支座滯回分析

圖12為0.2gR波地震下鉛芯橡膠支座滯回曲線，地震作用下LRB支座滯回環(huán)飽滿、耗能能力穩(wěn)定，可以有效降低經(jīng)隔震層輸入到上部的能量。

圖12 LRB支座滯回曲線

圖13為0.4gR波罕遇地震下各支座極限面壓圖，結(jié)果顯示極大壓應(yīng)力為10.02MPa小于規(guī)范12MPa，最大拉應(yīng)力為0.62MPa小于規(guī)范1MPa，表明罕遇地震下隔震支座性能滿足限值。

圖13 各支座極限面壓

3 結(jié)語(yǔ)

研究為提升廠房-筒倉(cāng)整體抗震能力采用層間隔震設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行設(shè)防烈度地震動(dòng)時(shí)程分析。結(jié)果顯示：

（1）層間隔震后塔樓周期延長(zhǎng)3.62倍，能夠有效避開場(chǎng)地特征周期，減小地震響應(yīng)。

（2）0.2g地震輸入下，塔樓位移集中在隔震層內(nèi)，塔樓頂層加速度峰值較未隔震降低63.43%，反應(yīng)譜峰值降低66.5%；筒倉(cāng)頂部17m標(biāo)高處加速度時(shí)程峰值降低66.4%。各支座滯回飽滿耗能穩(wěn)定，且0.4g地震時(shí)支座最大壓應(yīng)力為10.02MPa，最大拉應(yīng)力為0.62MPa均小于規(guī)范限值，表明層間隔震設(shè)計(jì)有效提升工業(yè)廠房筒倉(cāng)抗震性能。