隔震技术在设备支撑结构中的应用探讨

张国斌

天华化工机械及自动化研究设计院有限公司 甘肃 兰州 730060

随着工业技术的发展，工业设备越来越重，越来越大，质量分布极为不均。目前大多数设计人员一般把设备等效折算成恒荷载并简化作用于支撑楼面承重梁上，建立模型进行分析，依据内力与变形效应优化体系构件截面尺寸等硬抗水平力的措施，支撑框架节点处理和抗侧力和倾覆问题突出。本文通过在超重设备支座处设置橡胶隔震支座，进行两种实体模型PMSAP模拟，进行周期，地震水平力，体系变形等因素对比分析，降低地震作用的效果明显，增大结构体系周期，降低水平地震力等软抗措施。

1.支撑结构设计的前提思路

目前常规工业设备支撑体系结构的设计过程，一般建筑结构的设计与工艺及设备设计在不同的部门完成的。土建部门负责整个支撑结构部分的处理和分析设计；工艺部门负责工艺流程计算和物料平衡分析，并对相关设备体系的安全度和设备设计条件分析设计。在整个设备支撑结构体系的设计工程中，工艺部门完成设备设计条件并提交给设备部门，设备部门依据设备设计条件完成设备设计，并把设备的边界条件和设计要求反馈给工艺部门；工艺部门依据工艺流程要求，具体布置设备荷载和设计支撑框架体系的平面、立面布置条件图，并提交给土建部门。土建部门基于工艺对支撑框架的要求，建立框架模型，优化布置，并将相关设备的自重，操作重量，设备外形,风荷载等进行等效恒荷载换算，计算出设备支座处的竖向力，水平力，弯矩、扭矩等内力进行相关楼层部位布置并进行模型分析计算设计。

现阶段大多数工业设计项目设计人员，对高位超重设备的支撑框架模拟设计，一般采用等效荷载转换思路进行外荷载加载模拟分析计算设计。从设计分工来看，工艺和设备部门设计完各自的内容后分别提出了土建设计条件，并没有考虑到工艺管道与相关设备和支撑框架是一个整体参与工作。支撑框架受到外界荷载的影响下，其体系内工艺管道和设备等不同部位质点的传力的过程实际很复杂，结构体系的整体动力响应和协调工作很难一致，特别是高位超重设备（＞1000KN）的动力响应和协调工作尤为突出，支撑结构体系规则性和竖向均匀性不能满足抗规的设计要求[1]。对设防要求较高的地段，可改变设计思路，通过在重型设备的支座处设置柔性阻尼连接设施；满足工艺布置和设备侧移变形要求，工艺和结构设计双方充分调整协调，使其布置尽量居中布置，满足结构体系刚度中心与质量中心一致，进行模拟计算分析设计。

2.隔震技术应用的流程

基于PMSAP软件的基本功能和对重型设备支撑框架的特点，给出处理这一问题的基本流程，见图1。

图1 基本设计流程

3.实例模拟分析和相关措施的思路

根据上述设计流程，为了能够说明PMSAP软件[2]对重型设备支撑框架的设备支点处设置隔震支座的思路和优点。通过某工业承重钢框架实例，框架高20米，共四层，设备重1600KN，八个支耳，设备支座位于第三层。图2为无隔震支座框架模型0（M0）；图3为布置隔震支座框架模型1(M1)。

图2 无隔震框架模型0

图3 隔震框架模型1

3.1 技术条件分析及建模组装

工业项目设计过程中，结构设计部门是个辅助部门，工艺设计贯穿项目的始终，结构和设备围绕工艺设计条件要求而展开；工艺体系对支撑结构规则布置的优劣，制约着结构设计的复杂程度。工艺设计条件提出后，是否满足结构相关设计要求，土建和工艺两部门宜多次沟通协调，工艺部门人员要详细注明大型管道和超重设备的方位及空间形体的情况；工艺条件所注楼层平面的荷载质点，不能反应其相关设备及管道的空间情况。结构设计人员往往考虑不到其空间形体影响，优化条件布置，调整布局，特别使超重设备宜使其每层外荷载质量中心宜靠近或与结构体系中心重合；对于较小的外荷载质量，可按常规思路施加；超重设备按荷载等效换算并设橡胶隔震支座，橡胶支座可以有效降低水平地震作用对楼层梁和竖向构件的影响。

支撑结构设计条件要求优化后，按常规建模方式很方便地完成支撑体系计算模型。进行模型试算，各结构构件是否满足其强度、稳定、变形规范要求；对偏差较大的构件进行适当调整，反复试算，直至满足规范各项规定要求，保存模型，完成第一阶段的建模任务。

3.2 附加隔震构件及防火措施思路

在满足多遇地震作用变位验算后，宜试算确定罕遇地震作用下的橡胶支座变形量和屈服刚度，依据支座的变形量换算超重设备支耳的外伸尺寸，并把支耳设计要求和设备的平动影响，反馈给工艺和设备部门，调整支耳尺寸，防止设备外壁外力作用的碰撞。隔震支座的上下连接垫板尺寸，依据其支座的形式及技术条件要求确定设计。

对防火要求较高的化工设备，依据其相关承重梁构件的耐火级别设置耐火措施，一般情况按由里到外顺序设置，如图4所示：

图4 防火流程

3.3 整体分析及结构比较

为了综合说明采取橡胶隔震支座后的支撑结构体系不同效应和响应，在其算例模型中使用PMSAP V4.3.3版进行两种模型的分析：即考虑等效荷载的常规方法（模型0）M0和设置隔震支座的（模型1）M1进行分析。

比较了该结构体系的模态分析结果，水平地震作用力和地震剪力，体系变形位移和位移角，倾覆力矩等。设置橡胶隔震支座主要增大结构周期，减小水平地震作用和楼层水平剪力，降低水平地震引起的结构变形过大造成的倾覆风险。两模型分析发现，风荷载对两模型影响不大，因为风荷载对于该支撑结构体系不起控制作用，风荷载所使用的方法一般为规范所使用的静荷载等效的计算方法，因此没有对其减小比较分析。

3.3.1 隔震结构的模态分析结果

此处给出模态分析前15个振型的周期结果表1，和簇状柱形图五可以看出，模型0和模型1各振型周期相差较大。改变了结构体系的动力特性，因为结构在动力荷载的作用下，总要产生一定的振动响应，而结构的振动往往是结构体系失稳和构件连接节点破坏主要原因。因此研究结构体系的动力特性和动力强度是结构设计的重要内容。增大结构振动周期，减小了结构的振动频率，提高了结构体系可靠性和安全度，模型1的可靠性明显优于模型0。

图5 振型周期简图

表1 模态振型周期

3.3.2 隔震技术的效应

一般隔震技术主要应用在高烈度地区的特殊建筑物，高层建筑，大跨度的结构，复杂的结构等，其本质是在场地与建筑物之间设置刚度较小、阻尼较大的阻尼隔震机构，通过隔震机构吸收地震能量，减小地震能量的向上部机构传递，从而有效低降低地震对建筑物的作用。受这一原理启发，把这一技术应用到工业重型设备支撑结构体系中，在重型设备支座处设置隔震支座，减小设备能量向支撑结构构件的传递，降低了设备的惯性水平力，从表2给出了两个模型不同方向水平地震作用下的结构效应指标的对比可以看出。隔震技术的优势，地震所产生的等效水平作用力最大降低率达到了27.6%；位移角最大降低了32%；倾覆力矩最大降低了30.3%。至此可参照抗震规范隔震的相关要求调整结构构件，节约材料。

表2 结构体系水平地震作用下效应

4.支座隔震的施工及构造措施思路

在设备支座处设置隔震支座的施工要求[3]不同于其他结构的相关施工要求，其隔震支座主要是降低设备水平地震能量，使设备和支撑框架的振动频位不一致，主要是降低超重设备对框架的冲击影响，重要性低于其他结构在基础处设置隔震支座的情况。施工的注意事项，主要体现在以下几方面：隔震设备外壁与支撑结构体系的碰撞构造间距，满足罕遇地震下大变形要求，即间距不宜小于隔震支座在罕遇地震作用下水平位移限值的1.2倍且不小于200mm。支座的安装偏差应满足规范《建筑隔震工程施工及验收规程》要求，支座底部垫板的中心标高偏差不大于5mm，设备支座中心偏差不大于5mm；支座的倾斜度不大于支座直径的1/300；[4]每个设备下的支座要求为同一厂家生产的隔震支座。

5.结论

目前，隔震技术已经应用很广，该技术已经很成熟了。隔震技术主要应用在民用建筑结构中，一般在基础与主体之间设置柔性阻尼隔震支座连接，改变结构的动力特性，缓存和降低地震作用破坏影响。把该技术应用到工业设备支撑框架中，在设备与框架之间设置柔性阻尼设施，即设置隔震支座，通过实例模型模拟分析发现，可以有效地降低楼层剪力，倾覆力矩，地震作用等。现阶段随着工业技术的不断发展，大型工业项目越来越多，且超重大型设备应用较多。改变常规设计思路，把隔震技术应用到工业项目设计中，可有效地节约材料，大大降低项目成本，提高结构安全可靠度。