水泥厂窑尾框架结构抗震性能分析研究

李晶晶

（合肥水泥研究设计院有限公司， 安徽 合肥 230001）

0 引言

近年来，随着我国水泥生产工艺的不断进步以及生产规模的不断扩大，我国水泥厂窑尾高度开始不断增加，但也正因为如此，水泥厂窑尾框架结构在地震作用下响应也更加复杂。因此，如何在强烈地震作用下，确保窑尾框架结构的稳定性及设备的安全性，成为了当前我国水泥生产企业普遍关注的问题。

1 水泥厂窑尾框架结构抗震性能研究现状

目前，我国大多数水泥厂都开始采用新型干法水泥生产工艺，而对于新型干法水泥厂来说，窑尾框架结构工程则是其核心工程，同时也是新型干法水泥厂中的最高建筑和荷载较高的特种结构。[4]而随着我国水泥生产工艺的不断发展，水泥厂对窑尾框架结构的功能需求也在不断提高。从目前来看，我国对窑尾框架结构的研究主要可以分为两种体系，包括：钢结构体系和钢-混凝土组合结构体系。[1]2002年宗周红通过拟动力试验、拟静力试验、以及弹塑性地震反应分析，得出了钢管框架窑尾结构在地震作用下的各方面性能，同时通过所得数据建立了钢管框架结构窑尾的弹塑性性能模型；2005年，徐礼华等人通过地震反应振动台对比试验，分析了混凝土体系有支撑模型和无支撑模型在不同地震波影响下的加速度、水平位移变化，通过数据对比，该对比试验得出了有支撑结构较无支撑结构抗震性能更加优越且结构延性更加良好的结论；2006年王文达等人将窑尾框架结构梁祝的界面面积和界面形状作为了试验参数，通过水平反复荷载试验得出了圆柱形框架窑尾抗震性能更加优越的结论；

张大林等人通过对一12层钢框架结构在地震作用下的反应谱分析和弹塑性分析，研究了在不同支撑形势下，钢结构框架的动力特性及地震响应影响。

2 水泥厂窑尾框架结构体系介绍

窑尾框架结构是新型干法水泥厂的核心建筑物，在我国水泥厂建设规模不断扩大的形势下，窑尾框架高度正在不断增加。而这也意味着普通钢筋混凝土结构是难以确保水泥厂窑尾框架结构的设计要求的。[2]另外，考虑到设备的安装以及施工成本，目前我国在水泥厂窑尾框架结构的选择上主要采用钢结构框架。一方面，钢结构框架可以有效确保设备的安装及同步，另一方面，采用钢结构框架也可以有效降低施工成本。因此，目前我国主要将钢结构作为水泥厂窑尾框架的首选方案。通常来说，支承窑尾塔架的主要构件是柱，其截面形式目前常用的包括下列五种：H型钢、空心方钢、纯钢管、钢管硅、十字钢等。但目前我国普遍采用的主要是钢管混凝土框架结构。

3 水泥厂窑尾框架结构抗震性能分析

3.1 模型建立

为了进一步对水泥厂窑尾框架结构抗震性能进行分析，本文选取了国内某一大型窑尾塔架作为主要研究对象。研究方法采用有限元分析法，具体的分析过程依赖相关软件及实测数据进行。该预热窑尾塔架结构主体平面大小为：15.5×16m;塔高为：87.6m，在设备安装完成之后，总高度提升至：97.6m；在结构方面，该窑尾塔架在第一层采用的了钢筋混凝土结构，除了第一层外其余各楼层均采用了钢结构，结构总层数为 7层。每一层采用的结构柱均为圆形结构柱，且均为钢筋混凝土柱。

3.2 地震波选取

在地震波的选取上，本试验均按照《建筑抗震设计规范》及其它国家先关规范执行。在实践中，主要是根据该窑尾塔架所处的位置和场地类型以及地震分组确定地震波类型。由于本实验采用有限元分析法，因此在实施过程中，需要分别按照场地类型和地震分组建立人工模拟加速度时程曲线，并将两组曲线进行对比。[3]本文选取地震波的具体方法如下：首先，根据现场场地类型选择与场地特征周期相近的地震波。由于建筑结构处于 2类场地，地震分组为第一组，因此，现场地震周期可以确定为0.35s。（如果是对罕遇地震作用下的试验则应该讲地震周期延长至 0.4s。）在本试验中，根据实际情况，场地特征周期选择为 0.4S；其次，再按照同样方法再次选择地震波，再次选择地震波应按照相关标准进行调幅处理。根据实际情况，本试验在时程分析时，为了取得良好的试验记录，地震波时长均控制在25S。

3.3 模态分析

本文采用分块矩阵法进行了该窑尾框架的模态分析，结构自震频率及振动特征如下表1所示：

表 1结构自振频率及振动特征

由表 1可知，该结构从整体上来说振型特征良好。结构第一扭转周期振型表现为Y方向，且第一扭转周期与第一平动周期之比处于合理范围内，虽然结构横向柱子数量少于纵向柱子，但因支撑设置的不同，使结构侧向刚度仍然大于纵向，故此，该结构第一振型表现为Y方向（纵向）。

4 结束语

综上所述，本分首先介绍当前我国水泥厂窑尾框架结构研究现状，并对水泥厂窑尾框架抗震体系进行了简单描述，随后在通过有限元分析法对钢结构窑尾框架抗震性能进行了较为深入的分析。