安装粘滞阻尼器的石化裂解炉抗震计算分析★

张贵辰 张宏涛

(1.北方工业大学电气与控制工程学院，北京 100043； 2.北方工业大学土木工程学院，北京 100043)

0 引言

近年来，随着现代信息检测技术的快速发展，对工程结构和石化裂解炉等建立系统的健康监测[1-3](SHM)系统是土木和石化工程一个重要发展方向之一。目前，在大型裂解炉装备结构设计中，由于不同地震烈度区域计算的炉体钢结构参数变化较大，而工艺和设备等专业的设备一般是定型产品，如辐射段和对流段模块，结构参数调整将影响模块设备设计，所以对不同地震烈度区域裂解炉装备钢结构设计，采用标准化炉体结构设计对加快裂解炉设计周期和保证裂解炉性能指标意义重大。本文采用结构振(震)动控制技术，应用大型通用软件ABAQUS对裂解炉结构进行加速度模拟分析，提出粘滞阻尼器布置优化方案，减震达到了10%以上的目标，效果良好。不仅减少了结构材料使用，还有效地缩短了裂解炉工程的设计周期，使结构优化设计达到了国际先进水平。

1 裂解炉基本模型

该大型裂解炉主要由两部分构成，如图1所示。0 m～15 m辐射段箱体结构及框架，15 m以上中间部分是对流段模块以及框架结构构成。裂解炉平面尺寸为11.37 m×31.82 m，炉体框架总高44.5 m。

2 有限元模型

2.1 对流段模块和框架

辐射段炉墙板的厚度相对于高度(或直径)数值较小，可视为薄壁结构，采用壳单元(Shell elements)中的S4R。框架中杆件为细长，跨高比很大，可视为梁结构，采用结构梁单元(Beam element)中的B32，粘滞流体阻尼器采用弹簧阻尼器单元(Connector element)。材料采用钢材，材质为Q235B。

2.2 地震波选取

本工程位于国内，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g，设计地震分组为第二组，设计特征周期为0.40 s，场地土类别为第Ⅱ类。根据上述工程情况和《建筑抗震设计规范》的规定[4]，选取了El Centro波，天然记录的El Centro地震波的时程曲线如图2所示，其加速度峰值为0.35g，调整后的El Centro地震动加速度时程曲线如图3所示。

3 结构动力响应分析

3.1 模态分析

模态分析是结构动力分析的基础，主要计算结构固有模态的两个基本参数：固有频率(周期)和各阶振型，以此来分析结构自振特性，为以后的动力时程分析做准备。

在ABAQUS 6.11软件中设定线性摄动分析步，对侧框架塔进行模态分析，得到了裂解炉组合结构的自由模态，其周期和频率如表1所示，前4阶振型结果图如图4～图7所示。

表1 裂解炉框架的模态分析结果

结果表明，裂解炉框架在宽度方向上的刚度要远小于长度方向上的刚度，因此，在下面的地震响应分析和减震分析中，取最不利方向，假设地震动沿裂解炉框架宽度方向。根据优化原则布置了8个粘滞阻尼器，如图1所示。

3.2 裂解炉框架结构地震响应分析

在对流段模块和框架之间不设置粘滞阻尼器，通过ABAQUS显示动力学分析，得到地震作用下裂解炉框架结构的时程响应结果。裂解炉框架在调幅后的El Centro波作用下的加速度时程响应结果如图8所示。

3.3 裂解炉框架结构的粘滞阻尼器位置和参数

在ABAQUS软件中，阻尼器的模拟可以采用弹簧阻尼单元。在如图1的位置安装8个粘滞阻尼器。阻尼器参数如表2所示。

表2 阻尼器参数

3.4 裂解炉框架结构的粘滞阻尼减震响应分析

通过ABAQUS显示动力学分析，得到地震作用下裂解炉框架结构安装粘滞阻尼器后的时程响应结果。裂解炉框架在调幅后的El Centro波作用下的加速度时程响应结果如图9所示。

由图可以看到，安装粘滞阻尼器之后结构加速度响应的频率和峰值都有所下降，其中加速度峰值减小了13.95%，减震效果比较明显。

4 结论和建议

本文根据工程特点和所在位置选定了地震波时程曲线；对裂解炉框架进行了模态分析，根据模态分析的频率和振型结果，确定了地震波边界条件的施加方式；通过ABAQUS显示动力学分析，得到地震作用下裂解炉框架结构的时程响应结果；在计算模型中添加了阻尼单元，模拟粘滞阻尼器对裂解炉框架的减震作用，通过ABAQUS显示动力学分析，得到地震作用下裂解炉框架结构的减震响应结果，由结果可知安装粘滞阻尼器的减震效果比较明显。