考虑设备反馈作用的钢框架地震响应分析

黄俊杰

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

考虑设备反馈作用的钢框架地震响应分析

黄俊杰

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

钢结构设备框架计算模型中真实模拟设备的外形尺寸、壁厚和操作重量对模型分析结果有一定的影响，通过模态分析，振型分解反应谱，时程分析方法分别对简化模型和模拟设备本体模型进行分析比较，并得出一些结论。

地震响应；模态分析；反应谱；时程分析

在石油化工、化工、冶金等装置中，钢结构设备框架是最常见的结构单体。目前工程设计中钢结构框架的结构分析一般采用两种建模方法，一种是将设备荷载转化为等效荷载输入结构模型的简化方法，另一种是将设备本体和结构进行整体建模分析的方法。两种建模方法的优缺点是前者建模简单，计算方便，但未能考虑设备本体与框架协同作用对框架结构分析的影响；后者虽然建模复杂，但是考虑了设备与钢框架的协同作用，能正确地反映钢框架在实际工程中的模态特征以及地震作用下的受力情况。本文对某设备钢框架分别进行输入等效荷载的简化模型分析和模拟设备本体的模型分析，通过分析结果的对比，得出钢结构设备框架中设备（特别是大型容器）对框架整体影响的一些结论，供广大设计人员参考。

1 分析模型

某装置加氢框架主要支撑4台立式罐设备，北侧两台罐设备高度15 m，直径2.26 m，操作重量为114 t；南侧两台罐设备高度14 m，直径2.6 m，操作质量为128 t。框架总高度21.2 m，共五层，设备支座位于框架第二层，11 m标高处。结构形式为钢结构框架，钢材采用Q345B，柱脚铰接，弱轴（X）方向布置人字撑，强轴（Z）方向仅底下二层布置八字撑。楼面恒荷载（含管道）取4 kN/m2，活荷载取3 kN/ m2。

框架结构安全等级为二级，设计使用年限为50年，场地类别为Ⅲ类，抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组。框架抗震等级为三级。

选用STAAD.Pro软件建立结构基本模型，4台设备的操作荷载按支座集中力的形式输入模型，其他荷载按实际情况布置，这个基本模型我们称为模型A。另用板单元模拟设备本体，按照真实的设备高度、直径、壁厚建立各个设备单独模型，然后将设备模型合并到模型A中，我们称为模型B。在模型B中，设备与钢结构之间的连接关系利用主从节点来模拟，设备荷载通过板单元面荷载的方法输入，同时确保两种模型设备荷载的静态力输入完全一致。模型A和模型B分别见图1、图2。

图1 模型AFig.1 Model A

图2 模型BFig.2 Model B

2 模态分析比较

模型A和模型B在竖向静荷载作用下，结构的受力情况基本是一致的。模型B中由于模拟了真实的设备本体，考虑了参振设备与结构的耦合作用，结构的动力特性相比模型A发生了比较显著的变化。考虑所选取振型的有效质量系数总和超过90 %，对于两个模型分别截取前12阶振型模态进行阐述和比较，各阶振型的周期、参振质量系数以及模态特征见表1。

从表1中可以看出：

（1）模型A的振型模态比较简单，前三阶振型在结构的总运动中占了主导地位，第1阶为Z方向结构平动，第2、3阶为X方向结构平动，并且前三阶振型两方向参振质量系数总和均已超过了90 %；模型B的振型模态相对复杂，需要考虑更高阶的振型模态，其中第1阶为Z方向结构平动，第2、3、6、9阶为X方向结构平动，其余各阶多为设备的局部振动。

（2）模型B考虑了结构与设备的耦合作用，在模型中模拟了设备的外形和壁厚，真实反映出钢结构在楼层设备反馈作用下的振型模态。相比简化模型A，模型B的Z方向结构平动周期略滞后，前几阶振型参振质量稍有下降；X方向结构平动周期滞后相对多一些，参振质量变化更为显著。

3 地震响应分析

3.1 振型分解反应谱法

采用抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类条件下的地震反应谱曲线，对两个结构模型分别进行反应谱分析，得到结构在多遇地震作用下的地震响应。

表1 模态分析结果比较Tab.1 Comparison of the model analytic results

两模型钢框架基底的地震剪力数据见表2，从表中可以看出相比模型A，模型B的总地震力两个方向均有所减小，其中X方向减小了11.3 %，Z方向减小了5.8 %。分析其原因，总的地震力是由各个振型求得的力平方和再开方求得，这就是我们通常说的CQC组合方法。各个振型的质点地震力又和地震影响系数、参振质量有关，从模态分析中已经了解到，模型B两个方向的平动周期都比模型A要有所变化，由GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》[1]（以下简称抗规）5.1.5得出地震影响系数变小，并且模型

B前几阶的参振质量也比模型A要小，按照抗规5.2.2不难得出模型B的总地震力要比模型A要小的结论。

表2 基底地震剪力的比较Tab.2 Comparison of the base seismic shear force

两模型在地震效应作用下各楼层节点位移情况见表3，从表中对比情况可以看出模型B各楼层的位移都比模型A小，其中顶层位移X方向减小了18.5 %，Z方向减小了6.8 %。分析其原因，考虑了楼层设备与框架的耦合作用，使得框架的平动周期发生变化，进而使得所受水平地震力变小，然而框架的抗侧刚度没有变化，因此所求得的节点位移会变小。

表3 楼层位移的比较Tab.3 Comparison of the floor displacement

3.2 时程分析法

为了更加形象、深刻地对两个模型在地震作用下的响应作对比，进一步采用时程分析方法进行分析。地震波选用国内外认可度较高的EL-Centro强震波作为地面运动加速度时程曲线[2-3]。考虑到ELCentro波（N/S波）记录是一个典型的Ⅱ、Ⅲ类场地的地震记录[4-5]，时长54 s，卓越周期为0.3 ～ 0.4 s，加速度峰值为341.7 cm/s2，实际分析时根据抗规表5.1.2-2的要求，对其进行频谱特性、峰值强度和有效持时进行调整，峰值按多遇地震7度调整为0.35 m/s2，持续时间为20 s，时间间隔为0.02 s，结构阻尼比取0.04，调整后的时程曲线见图3。

图3 地震波加速度时程曲线Fig.3 Time-history curve of earthquake acceleration

将调整后的EL-Centro地震波输入Staad Pro.计算软件，分别对模型A和模型B进行激励，结构顶层节点位移、加速度的时程响应曲线，见图4 ～ 7，峰值数据汇总见表4。

图4 模型A地震波作用下顶点位移曲线Fig.4 Top displacement curve under seismic wave action in model A

图5 模型B地震波作用下顶点位移曲线Fig.5 Top displacement curve under seismic wave action in model B

图6 模型A地震波作用下顶点加速度曲线Fig.6 Top acceleration curve under seismic wave action in model A

图7 模型B地震波作用下顶点加速度曲线Fig.7 Top acceleration curve under seismic wave action in model B

表4 顶层位移最大值和加速度最大值的比较Tab.4 Comparison the maximal value of top displacement and acceleration

对比分析图4 ～ 7以及从表4中可以看出：

（1）两个模型发生顶层节点最大位移，最大加速度的时刻基本一致，且位移的最大响应总是滞后于最大加速度的响应。

（2）相比模型A，模型B顶层位移最大值X方向减小了18.1 %，Z方向减小了5.7 %。

（3）相比模型A，模型B顶层加速度最大值X方向减小了15.7 %，Z方向减小了4.3 %。

4 设备刚度变化

为进一步了解设备的反馈作用对钢框架地震响应的影响，通过改变设备壁厚来改变设备自身的刚度，进而探寻设备刚度变化与设备钢框架地震响应之间的关系。

模型B中设备的壁厚实际是28 mm，现将壁厚分别调整为32 mm、36 mm和40 mm，在调整的过程中设备总的操作荷载保持不变，变化的仅仅是设备自身的刚度。将模型B在不同设备壁厚情况下分别进行计算分析，采用相同的振型分解反应谱方法，得出基底地震力和地震作用下顶层位移最大值，以及与最初模型A分析结果的比较情况见表5、表6。

从表5和表6可以看出，模型B中随着设备本体壁厚的变大（设备刚度变大），无论是钢框架所受的地震力还是地震作用下顶层节点的位移都变大，并且同模型A分析结果的差距不断变小。

5 结论

通过模态分析，振型分解法和时程分析法分别对加氢框架简化模型与考虑设备本体模型进行了分析比较，得出以下结论：

表5 基底地震剪力的比较Tab.5 Comparison of the base seismic shear force

表6 顶层位移的比较Tab.6 Comparison of the top displacement

（1）加氢设备框架在模拟了设备真实尺寸、壁厚以及荷载分布后，相比简化模型所受的基底地震力和顶层位移都有所减小。

（2）考虑了真实设备对钢框架地震响应的反馈作用，抗侧刚度相对大的弱轴有支撑方向分析结果的差异比较显著，抗侧刚度相对小的强轴无支撑方向分析结果的差异相对小。

（3）随着设备壁厚的增加，设备刚度的加大，考虑设备本体模型的分析结果越接近于简化模型的分析结果。

[1]GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

[2]周晓峰.巨型钢框架结构的静力、抗震和抗风分析[D].杭州：浙江大学，2001.

[3]许志荣.高耸钢结构塔架的风荷载、地震作用分析[D].大庆：东北石油大学，2011：21-40.

[4]肖斌.大型火电厂锅炉钢结构静力及稳定性分析[D].上海：上海交通大学，2008.

[5]段振亚.框架塔设备动力特性的研究[D].天津：天津大学，2003.

国家食品药品总局发布药品追溯体系最新意见

根据《中华人民共和国食品安全法》、《中华人民共和国药品管理法》、《医疗器械监督管理条例》、《化妆品卫生监督条例》等有关法律法规的规定和《国务院办公厅关于加快推进重要产品追溯体系建设的意见》（国办发〔2015〕95号）文件精神，为控制食品药品安全风险，保护消费者权益，2016年9月27日，国家食品药品监督管理总局发布了《总局关于推动食品药品生产经营者完善追溯体系的意见》（食药监科〔2016〕122号）。意见内容共8条，主要有以下亮点：

1.强调食品药品生产经营者的主体责任，要求对其生产经营的产品来源可查、去向可追。在发生质量安全问题时，能够及时召回相关产品、查寻原因。

2.全文4次出现了“鼓励”，具体：鼓励药品、医疗器械生产企业对产品最小销售单位赋以唯一性标识，以便经营者、消费者识别。鼓励生产经营者运用信息技术建立食品药品追溯体系。鼓励信息技术企业作为第三方，为生产经营者提供产品追溯专业服务。鼓励行业协会组织企业搭建追溯信息查询平台，为监管部门提供数据支持，为生产经营者提供数据共享，为公众提供信息查询。（笔者理解：总局不再强制要求药企像此前电子监管码一样对最小销售单位进行唯一性标识，但是还是希望有条件、有能力的企业能够这么做。此外总局也希望信息技术企业和行业协会能够为生产经营者提供专业服务或者搭建追溯信息查询平台。）

3.意见对食品、药品、医疗器械、化妆品均提出了要求，如意见第三条 药品、医疗器械生产企业应当按照生产质量管理规范（GMP）要求对各项活动进行记录。记录应当真实、准确、完整和可追溯。

4.强调地方药监局要对行政区域内相关生产经营者原料来源记录、生产过程记录、购销记录等追溯体系建设要求的落实情况进行督促检查和总结。对不履行追溯责任者依法及时查处。

（蒲公英）

Seismic Response Analysis for Steel Frame Interacting with Equipment

Huang Junjie
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai 200120）

In establishing model of steel equipment structure, the contour size, thickness and operation weight of real equipment have some effects to the results of analytical calculation. In this article, by using the methods of modal analysis, discomposed response spectrum with vibration mode and time history analysis, and based on simplified model and real model, seismic analysis was performed. The results from the analysis were compared, and some conclusions were obtained, which may be referenced by engineers.

seismic response; modal analysis; response spectrum; time history analysis

TU 352

A

2095-817X（2016）05-0034-006

2016-07-15

黄俊杰（1983—），男，工程师，从事石油化工行业结构设计工作。