转换层刚接和铰接对结构抗震性能的影响

韩 芳,钟冬望,汪 君

(1.武汉科技大学理学院,湖北武汉,430065;2.武汉科技大学冶金工业过程系统科学湖北省重点实验室,湖北武汉,430081;3.中南勘察设计院有限公司,湖北武汉,430071)

煤制氢工业厂房结构多为超高层结构,具有跨度大、设备多、设备与厂房连接复杂等特点[1-3]。由于生产工艺限制,设备不能保证对称布置,因此在风振、地震等动荷载作用下,结构质心和刚心易发生偏离,结构整体的抗震性能降低[4-5]。另外工业设备体积大、质量大,在动荷载作用下,设备产生的惯性力对厂房结构的稳定性影响较大。本文拟在转换层刚接和铰接条件下,研究钢-混凝土组合结构的抗震性能,以期为工程设计提供合理可靠的理论依据。

1 厂房结构及其有限元模型

某化工厂厂房主建筑12层,总高度93 m,宽42 m,其中1～5层为钢筋混凝土结构,6～12层为钢结构。材料基本参数如表1所示。厂房内主体设备为气化塔和合成气塔,高40 m,重640 t,穿越整个钢结构楼层;设备与结构通过大直径的弯管相连,一端刚结在转换层的楼板上,另一端通过16根拉杆悬吊在主梁上。工程场地的抗震设防烈度为6度,特征周期为0.40 s,属于Ⅱ类场地。

表1 材料的基本参数Table 1 Basic material parameters

采用有限元软件ANSYS建立厂房结构模型,如图1所示。

图1 厂房结构有限元模型Fig.1 Finite element model of structure

建模说明如下:

(1)坐标系及单元。沿结构长轴方向为X轴,短轴方向为Y轴,竖直向上为Z轴,采用beam188单元模拟梁柱刚性支撑,shell63单元模拟混凝土楼板和设备,mass21单元模拟质量点,link 8单元模拟连接杆件。模型共生成节点13 892个,单元17 763个。

(2)荷载。设备荷载、楼板的等效荷载、相关动力荷载均按等效质量单元导入模型。

(3)边界条件。结构底部施加固定约束,其他部分自由。

(4)刚接铰接处理。将转换层处钢结构柱子的最底层单元更换为beam44单元,然后释放掉其与混凝土相交节点在旋转方向的3个自由度,并将该层钢支撑由原来的梁单元更换为杆单元,使转换层节点彻底由刚接变为铰接。

2 结果与分析

2.1 刚接和铰接时结构的动力特性比较

采用ANSYS模态分析中的Block Lanczos法计算结构的自振频率和振型参与系数。结构的前5阶自振频率和振型参与系数如表2所示。由表2中数据计算可得,采用刚接和铰接时,转换层结构自振的基本周期分别为1.845 7 s(X向)、1.605 4 s(Y向)和1.893 9 s(X向)、1.628 1 s(Y向),均远大于场地特征周期0.40 s,因此不易发生共振。由于铰接比刚接的刚度降低,使得结构自振的基本周期变长,其中X向延长2.61%,Y向延长1.41%。

表2 刚接和铰接时结构的自振频率和振型参与系数Table 2 Comparison of frequency and participation coefficient in twomethods

模态计算表明,采用刚接和铰接方式,结构的振型规律基本一致,第1阶为X向平动,第2阶为Y向平动,第3阶为扭振,第4阶为设备振动,第5阶为钢结构的X向平动;前5阶间的自振频率有一定的间隔,其中相邻两阶自振频率相差最小为第4阶和第5阶,也相差10.3%。因此,前5阶模态不易发生耦联振动,对抗震有利。

由表2中可见,相对刚接来说,铰接方案的第2和第3阶模态对X向的地震效应贡献较小,而第4和第5阶模态贡献较大;第1、3和4阶模态对Y向地震效应贡献减小,而第5阶模态贡献较大。可见刚接换成铰接方案后,对以钢结构振动为主的第5阶模态影响较大,刚度的减弱使得其周期延长了5.55%,对地震的作用效应贡献增大,使结构抗震性能略微下降。

2.2 刚接和铰接时结构的动力响应比较

设计反应谱按GB50011—2001中给出的地震影响曲线确定,谱曲线按结构的自振频率确定,由于设备的局部振型较多,按完全二次项组合法(CQC)[6-8]组合计算地震效应。以Y向地震荷载为例,两种方案结构的层间位移、底层混凝土柱子的内力如图2所示。从位移来看,地震荷载作用下,铰接方案对第6层转换层的层间位移影响较大,其余楼层相差不大(见图2(a))。从内力来看,地震荷载作用下,铰接方案使底层部分混凝土柱子轴力有所提高,而剪力和弯矩有较大幅度下降(见图2(b)、图2(c)和图2(d)),柱的受力状态有所改善。

图2 刚接和铰接时结构的位移和内力Fig.2 Comparison of displacement and internal force in twomethods

刚接和铰接时结构的基底和转换层轴力如表3所示。由表3中可见,地震引起的基底轴力占恒荷载引起的基底轴力的7.5%(最大情况下),而由于转换层连接方式不同引起的基底轴力的变化占恒荷载引起的基底轴力的0.16%(最大情况下)。因此,转换层连接方式不同引起的柱轴力的变化不是本质的。

表3 刚接和铰接时结构的基底和转换层轴力Table 3 Axial force of the bottom and transfer floor in two methods

3 结论

(1)转换层分别采用铰接和刚接时,结构的动力特性规律基本一致,但铰接比刚接的刚度略低,使得结构的基本周期变长,抗震性能略微下降。

(2)铰接方案对转换层位移影响较大,该方案使转换层及底层混凝土柱子的剪力和弯矩减小,部分柱子轴力略有提高,改善了其受力性能。

[1] 韩芳,黄克戬.偏心化工厂房结构抗震性能分析[J].三峡大学学报:自然科学版,2004,26(6):520-523.

[2] 蔡元奇,韩芳,朱以文.场地卓越周期与结构基本周期关系研究[J].地震工程与工程振动,2004,24(4):70-74.

[3] 俞盛锷.化工厂结构设计中若干问题的探讨[J].上海化工,2002,10(11):24-26.

[4] 李杰,陈淮,孙增寿,等.工业结构-设备体系在地震作用下的动力相互作用研究[J].地震工程与工程振动,1997,17(2):98-105.

[5] 孙增寿,陈淮,李杰.结构-设备复合系统振动特性研究[J].工业建筑,1997,27(2):20-24.

[6] 朱镜清.结构抗震分析原理[M].北京:地震出版社,2002:85-90.

[7] 李培林.建筑抗震与结构选型构造[M].北京:中国建筑工业出版社,1990:95-98.

[8] 邹经湘,王本利,王世忠,等.结构动力学[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1996:50-53.