复杂工业设备—结构整体建模分析

高 蒙 高建岭 张宏涛

(北方工业大学，北京 100144)

1 当前存在的问题

在常规的建筑结构中，大多具有明显的层的概念，组成的构件是梁板柱等，但是工业设备往往是筒状、管状等，因此大多需要壳单元进行模拟，在PKPM和盈建科等常规设计软件中并没有提供真实的壳单元，因此很难进行精确的有限元分析，更难说整体计算分析[1]。

2 目前建模方法

一种是在CAD中画好模型，再导入到SAP2000中，例如对梁柱等构件分别指定图层，在SAP2000中依次导入选取相应的构件图层；或从官网上寻找开发的相应插件进行转换，整个过程比较简单，但是在低版本中可能会出现节点的偏移合并、面截面导入等问题。并且在后续使用过程中要一一指定截面，以及拉伸面截面，定义特殊构件等，当结构较大，杆件较多时，难免会出现一些遗漏。

另一种是在SAP2000中依次建模，将设备和结构分开建模，最后通过坐标定位进行精确组装，SAP2000中针对不同结构给出了多种模型，例如：壳单元、储藏结构、地下混凝土管和板、实体模型等多种形式，通过组合可以快速满足需要，并结合建模方式，包括：复制、节点拉伸成线、线拉伸成面等功能快速建模。不过由于自己建模可以方便的和图纸进行比对，并且可以利用SAP2000的单元库选择相应的计算方法等：例如在建立工业设备模型时使用薄壳单元，建立刚性楼板时使用薄板单元；建立大体积混凝土时使用实体单元。

以上两种方法，各有利弊，可综合使用。以某焦炭塔结构为例，焦炭塔结构可大致分为混凝土框架、钢框架、焦炭塔塔体三部分，这三部分可以分开建模。

由于混凝土框架和钢框架的主要构件就是传统的梁板柱，因此可在CAD中进行绘图，导入到SAP2000中；对于焦炭塔塔体可采取在CAD中画出塔的体型线，导入到SAP2000中，使用高级编辑功能：按照需要的旋转角度线拉伸成面，可以快速的建立塔体的模型；对于塔体和混凝土框架的顶板的连接可以采用SAP2000的管和板模型建立。最后再通过坐标定位的方法组合起来。

3 算例和问题

根据上述的基本流程，为了能说明化工设备中可能遇到的问题。选取的工程为化工类构筑物中的焦炭塔结构，由框架结构、钢框架和焦炭塔塔体组成。混凝土框架高25.700 m，共2层，钢框架高25.7 m～114.407 m，共17层，设备塔体直径约9.8 m，壁厚0.053和0.059，从输油颈口到塔底高度40.67 m，塔顶到混凝土框架顶33.704 m，见图1。

在建筑上的荷载包括一些管线、线路的等效恒荷载、活荷载和其他形式，而焦炭塔塔体内部作用水加焦的压力荷载、温度循环的温差荷载、塔体所覆盖的保温层的自重恒载等荷载形式。除此之外，考虑施加动力荷载：风荷载和地震荷载。对于风荷载可以采取等效侧立方法，对于地震荷载可采用振型分解反应谱法或时程分析方法。

在算例中，考虑了结构水平地震作用，设备考虑了内部水压力和保温层恒载。

4 系统整体分析结果

在组装模型和施加荷载完成后，用SAP2000进行动力时程分析，为了和传统理念的设备等效成荷载进行对比，用SAP2000对下述三个模型：

模型a——设备作为等效荷载考虑，将设备荷载添加到所在楼层中，此时计算模型仅包括结构，仅考虑设备作为荷载的影响；

模型b——将模型a的地震时程响应分析得到的设备与结构连接点处(即设备地脚螺栓处)的绝对加速度时程作为设备输入时程，对连接点处的加速度时程进行零线校准后，作为地面运动加速度输入模型b中计算得到设备的时程响应；

模型c——考虑焦炭塔塔体与混凝土框架的相互作用，即建立焦炭塔结构整体的相互作用模型进行计算分析。与上述模型结果对比分析。

4.1 模态分析结果

下面给出三种模型的模态分析结果(见表1)，可以看出模型a和模型c中两个方向的平动周期比较接近，对于整个结构有不利影响。模型a和模型c的前两阶振型相差不多，3，4阶振型相差可达33%，这是由于振型3，4考虑了设备的作用。

设备的基本周期大约为0.33 s，所以对3，4阶模态有很大影响，因此建议对整体进行分析。

表1 振型分析结果

4.2 地震作用下的框架柱内力

表2给出了两个模型水平地震作用下的混凝土框架柱的内力值，模型a剪力和弯矩均比模型c的弯矩大，最大差值为74%，由此可看出使用等效荷载方法使得结构水平地震作用设计是偏安全的。因此，对于焦炭塔结构而言，由于塔体本身质心较高，刚度较大，因此考虑等效荷载的设计方法考虑的水平地震作用偏大严重。

表2 框架柱内力分析结果

4.3 设备和结构连接板处的处理和分析

在焦炭塔结构体系中，由于塔体体积和自重较大，板上开口也比较大，为了加强连接部位，板厚和梁截面相同。由于设备比较高，会穿越多层钢框架平面，当板洞和设备之间预留的间隙比较小，设备又相对较柔的时候可能会发生碰撞，为了模拟碰撞情况，对设备顶部处设置缝隙单元连接，当缝隙的宽度变为零的时候，会产生压力，并将压力传递给结构和相连接的单元。

由于设备和结构的连接是通过厚板连接的，所以应研究连接处厚板的应力分布情况。图2和图3对比可以看出两个模型的弯曲应力分布趋势相近，但是模型a结果偏小，不考虑应力集中现象，模型a的弯曲应力是模型b的1/4～1/2，如果根据等效应力计算会偏向不安全。因此采取等效荷载方法是不安全的。

5 结语

通过上述分析可以看出，对于大型的设备结构的设计，SAP2000可以考虑整体化的建模，可以考虑设备和结构的连接情况，可以考虑设备的质量、刚度和体型等因素，并且现行的SAP2000也可以和中文规范接轨，因此在大型设备结构的计算中考虑到设备作用可用SAP2000进行计算。

当整体分析较为困难时，使用等效荷载方法算得的结构整体的水平地震作用是偏保守的，对于连接部位来说又是偏于不安全的，应该在等效荷载计算结果的数据上适当放大。