料倉(cāng)-框架隔震結(jié)構(gòu)的時(shí)程與振型分解反映譜分析研究

劉占宇，于 洋，李明政，滕振超

(1.黑龍江省建筑設(shè)計(jì)研究院，黑龍江 哈爾濱 150000；2.東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

料倉(cāng)-框架因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便等特點(diǎn)而較多用于石油化工項(xiàng)目[1].料倉(cāng)-框架的重心較高，對(duì)地震作用和風(fēng)荷載等自然災(zāi)害十分敏感且抵抗力較差，而我國(guó)地處環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶，地震災(zāi)害的發(fā)生極易對(duì)其造成破壞[2-3]，故而對(duì)框架-料倉(cāng)抗震性能的研究顯得尤為重要.目前，對(duì)料倉(cāng)-框架的地震作用分析主要包括譜分析和時(shí)程分析兩種[4-6]，本文通過對(duì)比兩種方法的特點(diǎn)，找出更適合料倉(cāng)-框架結(jié)構(gòu)的分析方法，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，找出結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移的變化趨勢(shì)，以求為相關(guān)研究提供借鑒.

1 模型的建立與驗(yàn)證

結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)寬高分別為9、9、39 m，其中框架部分高度為15 m，分為2層，第1層高6.2 m，第2層高8.8 m，材料為鋼筋混凝土；料倉(cāng)中圓柱體部分高度為24 m，直徑為7.3 m，厚度為16 mm，錐體卸料部分高度為7 m，材料為5052-H112鋁合金；料倉(cāng)部分與框架部分剛性接觸.采用Mass21單元模擬倉(cāng)內(nèi)貯料以及工藝設(shè)備的質(zhì)量，料倉(cāng)-框架結(jié)構(gòu)各部分材料及所填物料參數(shù)見表1.

表1 材料的力學(xué)性能參數(shù)

選用廣東宇泰減震科技有限公司生產(chǎn)的GZY500型號(hào)的鉛芯橡膠隔震支座，由于其直徑為600 mm，故取Ab=0.28 m2.共布置4個(gè)Combin14彈簧單元，每根柱子布置1個(gè)，為Y方向；設(shè)置8個(gè)Combin40彈簧單元，每根柱子布置2個(gè)，X、Z方向各1個(gè).單元參數(shù)具體見表2.

表2 彈簧隔震支座參數(shù)

利用ANSYS有限元軟件，自底向上建立料倉(cāng)-框架有限元模型，其中柱底與基礎(chǔ)固定連接，料倉(cāng)與環(huán)梁剛接并進(jìn)行耦合，由點(diǎn)、線、面、體的形式逐步推進(jìn)建模進(jìn)程.各部分及整體結(jié)果模型如圖1所示.

圖1 料倉(cāng)-框架結(jié)構(gòu)模型

2 帶隔震支座的料倉(cāng)框架結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析

2.1 振型分解反應(yīng)譜分析

建立結(jié)構(gòu)整體模型之后，按照相關(guān)規(guī)范[7-9]的要求，運(yùn)用ANSYS中的Block Lanczos進(jìn)行計(jì)算及模態(tài)分析.料倉(cāng)-框架結(jié)構(gòu)及其帶隔震支座模型結(jié)構(gòu)的自振頻率見表3.

表3 料倉(cāng)-框架結(jié)構(gòu)及其帶隔震支座模型結(jié)構(gòu)的自振頻率 單位：Hz

料倉(cāng)-框架結(jié)構(gòu)的X向基本自振頻率為2.951 Hz，對(duì)照文獻(xiàn)[1]的自振頻率2.924 Hz，誤差為0.93%，小于5%；滿倉(cāng)中誤差為11.9%，文獻(xiàn)[1]中的滿倉(cāng)誤差為11.28%，二者相差不大.產(chǎn)生此誤差的主要原因是試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭敽偷装逑嘟訒r(shí)，為防止混凝土和鋼板黏結(jié)性較差，在柱底進(jìn)行了配筋的加強(qiáng)，導(dǎo)致模型結(jié)構(gòu)剛度的增大，基頻也隨之增大.因此，空倉(cāng)結(jié)構(gòu)所造成的誤差是符合實(shí)際的，說明本模型具有分析價(jià)值.

2.1.1 結(jié)構(gòu)位移分析

由振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果可知，空料倉(cāng)-框架結(jié)構(gòu)基頻下最大位移為52 mm，出現(xiàn)在料倉(cāng)頂部中點(diǎn)；帶隔震支座空料倉(cāng)-框架結(jié)構(gòu)基頻下最大位移為5.1 mm，同樣出現(xiàn)在料倉(cāng)頂部中點(diǎn)，框架部分最大位移為5.77 mm，出現(xiàn)在頂層框架角點(diǎn)處，帶隔震支座結(jié)構(gòu)框架部分最大位移為1.13 mm.滿倉(cāng)中原結(jié)構(gòu)與帶隔震支座結(jié)構(gòu)基頻下最大位移點(diǎn)分別為66.6、5.4 mm，也均為料倉(cāng)頂部中點(diǎn)；框架部分最大位移為8.71 mm，出現(xiàn)在頂層框架角點(diǎn)處，帶隔震支座結(jié)構(gòu)框架部分最大位移為1.46 mm，位置與未加隔震支座結(jié)構(gòu)相同.發(fā)現(xiàn)料倉(cāng)每一剛度變化較大處的位移最大點(diǎn)隨高度的增加逐漸增大，如圖2所示.由圖2可知，料倉(cāng)框架結(jié)構(gòu)隨高度的增加，側(cè)移量整體呈逐漸增大趨勢(shì).

圖2 料倉(cāng)-框架結(jié)構(gòu)位移隨高度變化的曲線

2.1.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

對(duì)7度設(shè)防烈度且加速度為0.1g地震作用下料倉(cāng)-框架結(jié)構(gòu)和帶隔震支座料倉(cāng)-框架結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合分析結(jié)果對(duì)最大等效應(yīng)力點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)算，得出并對(duì)比加隔震支座與未加隔震支座結(jié)構(gòu)的振型分解反應(yīng)譜法的應(yīng)力作用.

由振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算可知，空料倉(cāng)-框架原結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力為13.1 MPa，帶隔震支座空料倉(cāng)-框架最大等效應(yīng)力為2.2 MPa；滿料倉(cāng)-框架原結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力為16.2 MPa，帶隔震支座滿料倉(cāng)-框架最大等效應(yīng)力為3.1 MPa；最大應(yīng)力值發(fā)生在框架柱頂端4個(gè)角點(diǎn)處和柱底4個(gè)點(diǎn)處，8個(gè)點(diǎn)數(shù)值大小相等，柱頂端4個(gè)點(diǎn)處受應(yīng)力方向沿X軸正方向的為拉應(yīng)力，柱底4個(gè)點(diǎn)處受應(yīng)力方向?yàn)閄軸負(fù)方向的為壓應(yīng)力.結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值隨高度變化曲線如圖3所示.

圖3 料倉(cāng)-框架結(jié)構(gòu)所受最大應(yīng)力隨高度變化曲線

由圖可知:滿倉(cāng)下的移動(dòng)位移和所受應(yīng)力均比同條件下的空倉(cāng)要大；當(dāng)料倉(cāng)內(nèi)質(zhì)量一定時(shí)，帶隔震支座料倉(cāng)-框架結(jié)構(gòu)上同一點(diǎn)所移動(dòng)的位移比原結(jié)構(gòu)所移動(dòng)的位移有大幅度減小，所受應(yīng)力也相應(yīng)減小；底部框架至框架柱中部結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力均為壓應(yīng)力，中部以上為拉應(yīng)力，框架柱頂端最高點(diǎn)處為最大值，且小于30 MPa，均滿足規(guī)范要求.結(jié)構(gòu)由下到上的位移與應(yīng)力分布合理，符合實(shí)際情況；結(jié)構(gòu)受力最大值點(diǎn)處在柱頂和柱底的邊緣處.

2.2 結(jié)構(gòu)時(shí)程分析

2.2.1 調(diào)整與施加

選取符合工程實(shí)際要求的2組天然波和1組根據(jù)場(chǎng)地?cái)M合的人工波作為時(shí)程分析曲線，分別為EL-Centro波、Taft波和人工SHM2波.在實(shí)際計(jì)算時(shí)，對(duì)選用的地震波數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，地震波峰值調(diào)整之后應(yīng)滿足抗震規(guī)范對(duì)底部剪力、結(jié)構(gòu)位移限值和應(yīng)力限值的要求.

根據(jù)文獻(xiàn)[10]，結(jié)合料倉(cāng)-框架結(jié)構(gòu)基本情況，采用的地震波參數(shù)如下：場(chǎng)地土屬Ⅱ—Ⅲ類，EL-Centro波，時(shí)間間隔0.02 s，持續(xù)時(shí)間53.76 s，加速度峰值出現(xiàn)在第2.14 s，峰值341.7 cm/s2，如圖4所示；場(chǎng)地土屬Ⅱ類，Taft波，時(shí)間間隔0.02 s，持續(xù)時(shí)間54.4 s，加速度峰值出現(xiàn)在第3.72 s，峰值175.9 cm/s2，如圖5所示；場(chǎng)地土屬Ⅳ類，SHM2波，時(shí)間間隔0.02 s，持續(xù)時(shí)間78.64 s，加速度峰值出現(xiàn)在第13 s，峰值35 cm/s2，如圖6所示.

圖4 EL-Centro波時(shí)程與幅度變化

圖5 Taft波時(shí)程與幅度變化

圖6 SHM2波時(shí)程與幅度變化

根據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范推薦的方法，對(duì)加速度地震波的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行壓縮，故而輸入的EL-Centro波持時(shí)為25 s，Taft波持時(shí)為25 s，人工波SHM2波持時(shí)為40 s[11].

2.2.2 結(jié)構(gòu)位移分析

利用ANSYS分別建立料倉(cāng)-框架結(jié)構(gòu)和帶隔震支座的料倉(cāng)框架結(jié)構(gòu)有限元模型，采用時(shí)程分析法，輸入調(diào)整后的EL-Centro波、Taft波和人工波SHM2波，進(jìn)行地震作用下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析.由結(jié)果分析可知結(jié)構(gòu)所受最大位移點(diǎn)在料倉(cāng)的頂部中點(diǎn).用振型分解反應(yīng)譜法繪制7度以上水平地震動(dòng)加速度作用下的數(shù)據(jù)，并將每種物料荷載工況(滿倉(cāng)和空倉(cāng))下的原結(jié)構(gòu)和帶隔震支座結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合.如圖7、8、9所示.

圖7 EL-Centro波位移變化

圖8 Taft波位移變化

圖9 SHM2波位移變化

從圖中可知：EL-Centro地震波作用下空倉(cāng)下結(jié)構(gòu)的最大位移為21.00 mm，滿倉(cāng)下結(jié)構(gòu)的最大位移為39.10 mm；帶隔震支座空倉(cāng)下結(jié)構(gòu)的最大位移為4.66 mm，帶隔震支座滿倉(cāng)下結(jié)構(gòu)的最大位移為4.94 mm.Taft地震波作用下空倉(cāng)下結(jié)構(gòu)的最大位移為32.30 mm，滿倉(cāng)下結(jié)構(gòu)的最大位移為43.40 mm；帶隔震支座空倉(cāng)下結(jié)構(gòu)的最大位移為8.72 mm，帶隔震支座滿倉(cāng)下結(jié)構(gòu)的最大位移為9.26 mm.SHM2地震波作用下空倉(cāng)下結(jié)構(gòu)的最大位移為16.20 mm，滿倉(cāng)下結(jié)構(gòu)的最大位移為43.40 mm；帶隔震支座空倉(cāng)下結(jié)構(gòu)的最大位移為4.51 mm，帶隔震支座滿倉(cāng)下結(jié)構(gòu)的最大位移為6.01 mm.

2.2.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

采用上述3種地震波進(jìn)行時(shí)程分析，由結(jié)果發(fā)現(xiàn)基頻下結(jié)構(gòu)受力最大點(diǎn)為4根框架柱頂點(diǎn)和底部支座處，頂點(diǎn)與支座處點(diǎn)受力數(shù)值大小相同，方向相反，底部框架值為負(fù)，即壓應(yīng)力.下面以其中1個(gè)點(diǎn)，即2層框架頂部角點(diǎn)進(jìn)行分析.用振型分解反應(yīng)譜法繪制7度以上水平地震動(dòng)加速度作用下的數(shù)據(jù)，并將每種物料荷載工況(滿倉(cāng)和空倉(cāng))下的原結(jié)構(gòu)和帶隔震支座結(jié)構(gòu)應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行整合.如圖10、11、12所示.

圖10 EL-Centro波應(yīng)力變化

圖11 Taft波應(yīng)力變化

圖12 SHM2波應(yīng)力變化

從圖中可知：EL-Centro地震波作用下空倉(cāng)下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為12.00 MPa，滿倉(cāng)下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為14.60 MPa；帶隔震支座空倉(cāng)下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為2.02 MPa，帶隔震支座滿倉(cāng)下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為2.75 MPa.Taft地震波作用下空倉(cāng)下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為10.50 MPa，滿倉(cāng)下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為13.80 MPa；帶隔震支座空倉(cāng)下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為1.80 MPa，帶隔震支座滿倉(cāng)下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為2.60 MPa.SHM2地震波作用下空倉(cāng)下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為8.50 MPa，滿倉(cāng)下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為11.10 MPa；帶隔震支座空倉(cāng)下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為1.92 MPa，帶隔震支座滿倉(cāng)下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為2.33 MPa.

3 結(jié)論

采用有限元軟件ANSYS對(duì)料倉(cāng)-框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得出結(jié)構(gòu)在前10階陣型下的頻率，進(jìn)而采用振型分解反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法計(jì)算料倉(cāng)-框架結(jié)構(gòu)及其帶隔震支座下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，并對(duì)其位移和應(yīng)力進(jìn)行比較，得出以下結(jié)論：

1)通過結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析得出的頻率數(shù)據(jù)可以確定模型是符合實(shí)際的，并且可以看出由于滿倉(cāng)下結(jié)構(gòu)質(zhì)量大而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)頻率變小，后期時(shí)程分析中對(duì)應(yīng)點(diǎn)滿倉(cāng)所受應(yīng)力也比空倉(cāng)要大，說明滿倉(cāng)下結(jié)構(gòu)損傷要比空倉(cāng)大，結(jié)構(gòu)更加不穩(wěn)定.

2)時(shí)程分析法與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算的料倉(cāng)位移與地震施加方向一致，料倉(cāng)結(jié)構(gòu)頂部中點(diǎn)處位移值最大，并且結(jié)構(gòu)所移動(dòng)的位移由下到上的變化也是逐漸增大的.

3)料倉(cāng)-框架結(jié)構(gòu)與帶隔震支座料倉(cāng)-框架結(jié)構(gòu)在水平地震波(EL-Centro)波作用下，空倉(cāng)時(shí)倉(cāng)頂位移最大值為21.00 mm，滿倉(cāng)時(shí)倉(cāng)頂位移最大值為39.10 mm，滿倉(cāng)時(shí)位移大于空倉(cāng)時(shí)位移，且另外2種地震波作用下結(jié)果也是如此.因此，料倉(cāng)內(nèi)物料對(duì)料倉(cāng)結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移變形有比較大的影響，即料倉(cāng)-框架結(jié)構(gòu)最大位移出現(xiàn)在料倉(cāng)頂部，帶隔震支座料倉(cāng)-框架結(jié)構(gòu)最大位移也出現(xiàn)在料倉(cāng)頂部.滿倉(cāng)狀態(tài)下的地震反應(yīng)比空倉(cāng)狀態(tài)下的地震反應(yīng)更加劇烈，表明滿倉(cāng)狀態(tài)對(duì)料倉(cāng)結(jié)構(gòu)更為不利.

4)按時(shí)程分析法進(jìn)行計(jì)算，原料倉(cāng)-框架結(jié)構(gòu)的最大位移值小于同條件下按振型分解反應(yīng)譜法的計(jì)算值；空倉(cāng)下EL-Centro地震波約為相同點(diǎn)振型分解反應(yīng)譜法的40.4%，Taft地震波約為相同點(diǎn)振型分解反應(yīng)譜法的62.1%，SHM2地震波約為振型分解反應(yīng)譜法相同點(diǎn)數(shù)據(jù)的62.3%；滿倉(cāng)下EL-Centro地震波約為相同點(diǎn)振型分解反應(yīng)譜法的58.7%，Taft地震波約為相同點(diǎn)振型分解反應(yīng)譜法的65.2%，SHM2地震波約為振型分解反應(yīng)譜法相同點(diǎn)數(shù)據(jù)的65.2%.計(jì)算帶隔震支座料倉(cāng)-框架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值，小于同條件下原結(jié)構(gòu)按振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算的最大等效應(yīng)力值，空倉(cāng)下EL-Centro地震波約為振型分解反應(yīng)譜法的91.6%，Taft地震波約為振型分解反應(yīng)譜法的80.2%，SHM2地震波約為振型分解反應(yīng)譜法的84.7%；滿倉(cāng)下EL-Centro地震波約為振型分解反應(yīng)譜法的90.1%，Taft地震波約為振型分解反應(yīng)譜法的85.2%，SHM2地震波約為振型分解反應(yīng)譜法的68.5%.

顯然，時(shí)程分析法的數(shù)據(jù)結(jié)果變化較小，偏于精確；振型分解反應(yīng)譜法數(shù)據(jù)變化較大，偏于保守.