减震技术在工业厂房设计中的应用研究

朱贵刚

摘要：为进一步探究减震设计技术在工业厂房设计中的应用，以某厂房项目为例，基于3种不同的支座方案构建ANSYS模型，并进行有限元分析。结果发现：采用铰支座方案的模型周期最短，地震响应相对剧烈，最大层间位移也相对较大;铅芯橡胶支座则具有一定的延性变形能力，能够有效吸收地震能量从而发挥减震效果;带锚栓的板式橡胶支座性能则位于二者之间。

关键词：减震设计;工业厂房;抗震性能;消能减震

中图分类号：TU352

文献标识码：A文章编号：1001-5922（2022）06-0129-04

Research on application of shock absorption technology in industrial plant design

ZHU Guigang

（Nanjing Design and Research Institute Co.， Ltd.， China Coal Technology Engineering Group， Nanjing 210000， China

）

[HJ1.5mm]

Abstract：In order to further explore the application of shock absorption design technology in industrial plant design， taking a plant project as an example， ANSYS model is constructed based on 3 different bearing schemes， and finite element analysis is carried out. The results show that the model with hinged bearing scheme has the shortest period， relatively strong seismic response and relatively large maximum interlayer displacement， while the lead rubber bearing has a certain advantage of ductility deformation capacity，  which can effectively absorb the seismic energy and play a damping effect， while the performance of the plate rubber bearing with anchor bolt is between the two.

Key words：shock absorption design; industrial plant; seismic performance; energy dissipation and shock absorption

按照工程建设的抗震设防要求，不同重要性的建筑必须要达到不同等级的抗震能力。一般情况下，通过抗震设计并加强抗震构造措施就能够满足工程建设抗震设防要求。然而，一些工业厂房项目对抗震性能要求较高，单纯采用传统的抗震设计方法难以满足实际抗震需求。为此，还应进一步加强减隔震技术应用才能满足抗震设防要求。从学术研

究与工程应用实践来看，目前阶段隔震设计应用与发展已经相对成熟，但减震设计的发展依然相对滞后，在工程实践中的应用也相对较少，大多数工程技术人员对工业厂房中的减震设计技术缺乏足够的认识。基于此种情况，本文以某一具体项目为例对工业厂房减震设计方案进行研究与分析。

1工程概况

本文所研究的工业厂房结构形式为排架结构。由于该工程项目尚停留在方案设计阶段，其他细节性设计尚未全部完成。为此，在本文的研究当中，仅从模型理论分析的角度展开研究。

2研究方案

对于排架结构而言，在水平地震力作用下，支座所承担的荷载为结构自身的竖向力与水平地震力的合力，刚度则是影响结构抗震性能的一个重要指标，此外，由于阻尼耗能才是发挥减震作用的根本要素;为此，也必须要重视阻尼系数的取值问题。为了提升研究的可靠性，本文的研究放弃采用PKPM、Midas等工程类有限元软件，采用了精度更高的ANSYS软件作为减震模拟分析的软件，主要是对铰支座、铅芯橡胶支座以及带锚栓的板式橡胶支座3种减震方案的减震效果进行对比分析，从而得到合适的减震设计方案。上述3种支座方案的具体设计参数如下。

2.1铰支座

不同的支座形式实际上各有优缺点，铰支座的最大优势在于具有较强的竖向与水平承载力，结构的受力形态也相对简单。在实际工程应用当中，铰支座的主要功能是连接上部网架与下部结构，具体可以被简化为2个分别向竖向与水平2个方向提供支撑力的杆单元。铰支座的主要缺点是在正常使用状态下，支座的水平反力相对较大，在长期的荷载作用下容易出现金属疲劳，从而影响支座与结构的使用寿命。根据结构力学的基本原理，铰支座只有1个转动自由度。为此，ANSYS模型中将铰支座的水平与竖向刚度都设定为无限大。

2.2铅芯橡胶支座

铅芯橡胶支座由于造价相对较低，在实际工程实践中的应用相对较为广泛，同时由于铅本身的屈服应力相对较小，在支座被完全填满铅棒的前提下，支座具备良好的耗能能力，能起到较高的减震效果。在结构中，铅芯橡胶支座也同样会承担水平地震力与竖向力。在ANSYS模型中采用Combine40單元来模拟支座的水平方向，采用Combine14单元来模拟支座的竖向，相关支座参数直接采用支座公司所提供的数据：支座屈服前的水平刚度为3.926×10N/m，屈服后的水平刚度为7.21×10N/m，支座阻尼为8.173 （kN·s）/m，支座屈服力则为42 kN。

2.3带锚栓的板式橡胶支座

带锚栓的板式橡胶支座具有较高的延性变形能力，能够与厂房屋盖的变形有效协调，并清晰传递水平力。带锚栓的板式橡胶支座不仅具备较强的延性变形能力，同时也具有一定的阻尼，能够使得结构的变形更小。此外，在带锚栓的板式橡胶支座内部的锚栓与胶垫之间位移空间，在结构不受水平地震力作用时，其剪切刚度与铅芯橡胶支座无明显差异性。在水平地震力作用下，结构会发生水平位移，支座内部锚栓会挤压胶垫的空间，从而导致支座内部的空间闭合，支座的剪切刚度必将持续增大。根据实际工程经验，带锚栓的板式橡胶支座相关设计参数：竖向刚度为1.06×10 kN/m，在锚栓被挤压占位胶垫之后支座的剪切刚度为3.58×10 kN/m，支座阻尼为3.57×10（kN·s）/m。

3自震周期分析

由于该厂房的长度相对较长，同时ANSYS的计算时长相对较长，为简化计算，在本工程当中选择了该厂房的某一段进行建模。由于该工程并不位于地震活跃带，因此地震活动并不活跃，所承受的地震力主要来自于强震地区的余震。根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010（2016年版））的相关规定，该工程的抗震设防烈度为8度，并采用时程分析法对结构的动力响应进行分析，地震反应谱采用规范谱。为更真实的反映厂房的真实地震反应，假定结构在地震作用下的弹性模量为非地震作用下的1.5倍，阻尼比系数为0.05，在结构抗震计算中构件截面尺寸计算所采用的地震荷载为其所对应的地震烈度的35%。时程分析所采用的人工波波形，结果如图1所示。

其中，图1（a）为x向加速度时程，加速度峰值为0.084g;图1（b）为y向加速度时程，加速度峰值为0.056g。

分别按照3种不同的支座形式建立3个不同的厂房有限元模型，并对3个模型进行抗震计算分析，每个模型取前10个自振周期，具体计算结果如表1所示。

从表1的统计数据可以发现，铰支座的一阶振型为0.627 3;铅芯橡胶支座的自振周期为0.652 4;带锚栓的板式橡胶支座自振周期则为0.678 2，周期依次增长。这说明随着支座水平剪切刚度的逐步降低，结构的整体刚度有所下降，结构的自振周期也就由此不断增长，从而在地震作用下能够降低结构所承受的地震力，提升减震效果。

4不同支座方案的结构位移与应力分析

4.1结构位移分析

如图2中所示标记出了该工程项目的8个典型节点;对厂房左侧的4个节点位移进行计算分析，结果如图3所示。

从图4的数据可以发现，右侧的节点位移变化与左侧的规律基本相同。在厂房右侧的各节点当中，铰支座的最大层间位移均值为43.87 mm，铅芯橡胶支座的最大层间位移均值为30.56 mm，带锚栓的板式橡胶支座为35.87 mm。对左、右侧相同位置处的节点最大层间位移进行统计分析可以发现，左侧节点位移要明显高于右侧位置的节点位移。但这主要是由于左、右侧位置的坝基标高存在一定差异，从而导致厂房柱子在左、右侧置处的长度存在一定差异，进而柱节点位置的位移存在较大差异。

总之，从结构位移的角度来看，铅芯橡胶支座的减震性能最佳，带锚栓的板式橡胶支座次之;铰支座最差。

4.2支座变形分析

上文的研究认为铅芯橡胶支座的变形能力相对较高，能够有效发挥减震作用。但需要注意的是支座的变形也必须要控制在合理的范围之内，否则必然会导致结构出现失稳、附加应力等问题。对3种方案的不同节点的柱顶变形进行了统计分析，从中可以发现铰支座与带锚栓的板式橡胶支座的水平剪切刚度相对较大，柱顶位置的变形很小，均不足1 mm，支座位置的反力则相对较大。铅芯橡胶制作虽然刚度较小，柱顶位置的变形较大（最高可达25 mm），但依然处于规范允许的范围之内，有效均衡了减震需求与应变控制。

4.3排架柱应力分析

从图5可以发现，在不同支座方案中排架柱的顶部主拉应力都相对较小，均不足0.1 MPa，但位于右侧地区的排架柱柱底拉应力要高于左侧地区。由此可见，在地震力作用下，右侧地区的柱底存在着较大的开裂风险。此外，从图5中还可以进一步发现铅芯橡胶支座模型中排架柱基本处于相对安全的状态。铰支座由于水平与竖向刚度相对较大，并不会发生弹性滑移，为此主拉应力相对较大，这也是铰支座容易出现金属疲劳损伤的重要因素。

5结语

本文以某厂房为例构建了3个不同支座类型的分析模型，并进行了有限元计算分析。

（1）铰支座具有较大的水平与竖向刚度，在竖向静载荷作用下能够发挥出较大的承载力;但在地震作用下，铰支座只具备一个转动自由度，结构只能发生转动，排架柱的柱顶位移相对较大，同时铰支座中排架柱的顶部与底部拉应力也相对较大。因此，铰支座在厂房减震设计中的应用效果并不理想;

（2）带锚栓的板式橡胶支座模型中，排架柱的最大层间位移处于其他2种支座方案的中间;

（3）在水平地震力作用下，3种支座形式适应剪切变形的能力有所差异，铰支座与带锚栓的板式橡胶支座剪切刚度较大，无法有效释放支座处反力。铅芯橡胶支座的剪切变形较大，能够有效释放水平地震力所造成的应力集中，从而达到减震设计目标。

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