活塞对大型储气柜柜体抗震性能的影响分析

贾冬云, 曹平周, 姜德进

(1.河海大学 土木与交通学院,江苏南京 210098;2.安徽工业大学 建筑工程学院,安徽 马鞍山 243002;3.中冶华天工程技术有限公司,安徽 马鞍山 243005)

活塞对大型储气柜柜体抗震性能的影响分析

贾冬云1,2, 曹平周1, 姜德进3

(1.河海大学 土木与交通学院,江苏南京 210098;2.安徽工业大学 建筑工程学院,安徽 马鞍山 243002;3.中冶华天工程技术有限公司,安徽 马鞍山 243005)

现行气柜结构抗震设计的地震反应计算模型中,将活塞质量计入质点,把活塞作为柜体结构抗震性能的不利因素。实际储气柜结构中的活塞受所储气体压力作用,呈悬浮状态,活塞周边与柜体之间采用弹簧和油封,并不直接刚性接触。文章依此实际状态,提出将活塞视为以悬浮质量块阻尼器(suspended mass dam per,简称SMD)建立气柜结构的SMD计算模型,推导了活塞结构的刚度系数的计算公式;以某30×104m3正多边形气柜为例,选择3条地震波,应用状态空间分析法,利用Matlab软件实现2种计算模型的地震反应分析;计算结果对比分析表明活塞对柜体抗震具有显著的减震效果,属于有利影响;研究成果可以为气柜结构抗震设计和在役气柜的安全评估提供参考。

地震反应;干式气柜;活塞;悬浮质量块阻尼器;刚度系数

储气柜是冶金、化工和城市煤气存储的主要设备,根据节能和经济性要求,储气柜正在向大容量、高压力、大型化方向发展,其抗震性能的研究对于储气柜的安全可靠性具有重要影响。传统的抗震设计方法是通过提高结构的刚度和延性来抵抗地震作用。近年发展起来的调谐质量阻尼器(turned mass dam per,简称TMD)系统得到结构工程专家的认可,被用来控制结构的风振、地震反应和波浪荷载[1-6]。利用结构的现有设备作为控制装置,具有较好的经济性和实用性[7]。

本文根据气柜的实际结构特点,考虑悬浮的活塞与柜体弹性接触所具备的减震效应,提出将活塞视为悬浮质量块,作为气柜结构的质量阻尼器(suspended mass damper,简称 SMD),建立抗震设计的双自由度计算模型,与现行气柜抗震设计计算模型进行对比,研究活塞对气柜柜体抗震性能的影响,研究结果可以为相关技术规程的制定和在役气柜的安全评估提供参考。

1 储气柜结构

正多边形干式储气柜由悬臂柜体和内部活塞2部分组成,其中柜体由柜顶(包括柜顶桁架、顶板、通风气楼和内部吊笼等)、棱柱壳(包括环梁、立柱和带肋壁板)和柜底(包括底板、底部油沟和支承结构)组成;活塞结构由活塞桁架、活塞底板、油沟和混凝土配重块组成。柜体结构如图1所示。

活塞与壁板之间的密封油沟中均匀设置有套筒弹簧,它们被固定于活塞周边的油沟板上,顶住滑板,使帆布与壁板紧密接触防止漏气,如图2a所示。活塞桁架端部设有弹簧导轮,内置碟形弹簧(如图2b所示),可在立柱内表面上下滚动。正常工作状态下,弹簧均处于半压缩状态,活塞悬浮于柜体中并与棱柱壳弹性接触,随气柜中储气量的变化,沿轨道上下运行。

图1 柜体结构

图2 活塞的弹簧

柜顶结构的水平刚度远大于棱柱壳结构,可视为刚性顶盖。分析时偏于安全地将棱柱壳的质量折算至顶盖,将棱柱壳视为一无重的悬臂柱,柜体结构可简化成单质点体系。在水平地震作用下,只考虑质点的水平运动,按剪切型模型进行分析计算。

现行气柜结构抗震设计的计算模型中将活塞结构的质量均匀分配到棱柱壳上[8],成为质点的一部分,通过柜体自身刚度来抵抗地震荷载,这与储气柜的工作状态存在偏差。随着储气柜向大型化发展,其容量和压力都在增加,活塞钢结构及配重块的质量也显著增加。以30×104m3储气压力12.5 kPa正多边形气柜为例,活塞结构总质量已达3 700 t,超过了气柜的总用钢量(3 200 t)。正确对待活塞在储气柜抗震性能中的作用,对于在水平地震荷载作用下气柜结构的抗震设计具有重大意义。

2 2种计算模型的对比分析

2.1 现行的气柜结构地震反应计算模型

现行的气柜结构抗震设计的计算模型中,在水平地震荷载作用下,活塞运行到最高位时,顶部质量最大,而活塞以下部分质量很小,将活塞与柜体结构一起简化为单自由度体系[8],结构的计算模型如图3a所示。其运动方程为:

其中,x0为现行模型的柜体结构相对于地面的位移为输入到柜体基底的地震加速度;m T为柜顶结构总质量;m P为活塞结构总质量;m S为棱柱形壳结构总质量;H为基础顶面至柜顶檐口的高度;H P为活塞运行的最大高度;k0为刚度系数,按弯曲刚度为EI的悬臂梁模型计算,得为阻尼为阻尼比,按高层钢结构在多遇地震下弹性阶段取值0.02[9]。

图3 气柜地震反应计算模型

2.2 考虑活塞减震的地震反应计算模型

2.2.1 气柜结构的SMD控制方程

正常储气状态下,活塞悬浮于柜体中,通过弹簧与棱柱壳接触,活塞桁架、松散放置在活塞底板上的混凝土配重块及密封稀油均有耗能作用。因此,本文提出在气柜抗震设计的计算模型中,考虑活塞运行到最高位,并将活塞视为悬浮质量块,作为气柜的“质量阻尼器”,则气柜的减震计算模型如图3b所示。在单自由度结构体系上安装阻尼器后,使整个结构系统变成双自由度的体系,其运动方程为:

其中,x1为SMD模型的柜体结构相对于地面的位移;x2为活塞相对于地面的位移;M为体系的质量矩阵;m1为柜体结构总质量,m1=mT+mS/2;m2为活塞结构总质量;K为体系的刚度矩阵;k1为柜体结构刚度系数,k1=3EI/H3;k2为活塞结构刚度系数,k2的计算方法见下文2.2.2所述;C为体系的阻尼矩阵;c1为柜体结构的阻尼,

阻尼比的取值与建筑物的材料、结构类型和非结构构件的类型均有关[10-12],虽然活塞主体承重结构为钢结构(占活塞总质量的1/5),但松散摆放在活塞底板上的混凝土配重块和油沟中的密封稀油有一定的耗能作用,因此取ξ2=0.05。

2.2.2 活塞结构的刚度系数k2的计算方法

活塞结构的刚度系数k2由使其产生水平单位变形所需的外力值来量度。活塞本身的水平刚度远大于其周边分布的弹簧的刚度,分析时视活塞结构为一刚体。结合30×104m3正32边形储气柜,活塞周边弹簧的布置情况如图4所示,将每块壁板(即正多边形的一个边)上设置的46个套筒弹簧视为一组,其刚度系数为k t;每根立柱处设置1个碟形弹簧,刚度系数为kd。再将第i块壁板上的弹簧(包括46个套筒弹簧和2个相邻立柱上的各1/2个碟形弹簧)视为一个弹簧体,其刚度系数为ki=kt+kd。

计算时,活塞沿水平方向向右移动单位位移,活塞右半周的弹簧体在初始的半压缩状态下产生进一步的压缩变形,相对应的左半周的弹簧体在初始的半压缩状态下产生相应的回弹变形。当活塞圆心相对于柜体圆心沿水平方向移动单位位移时,每个弹簧体的压缩距离d是不同的。为便于计算弹簧体的变形值,将棱柱壳和活塞视为圆形,计算简图如图5所示。

图4 活塞周边弹簧的布置及变形

图5 弹簧的变形值计算简图

活塞水平方向移动单位位移,第i个弹簧体由点A(x0,y0)到B(x1,y1)的压缩距离为di,与其相对应的左半周上的弹簧体的回弹距离也为di,则该对弹簧体的恢复力为F i=2kid i,它们的恢复力的水平分量为:

从而得到活塞作为SMD的刚度系数:

其中,n为正多边形气柜壳体的边数,即弹簧体的个数。

3 求解地震反应的状态空间分析法

利用现代控制理论中的状态空间思想来求解结构的地震反应,可以简化求解过程[1]。对于结构的运动方程,可令结构的位移和速度组成状态变量 U,即 :

其中,C为单位矩阵;D为零矩阵。

利用M atlab软件的 Sim ulink工具箱中的State-space模块建立结构的动力反应分析模型,可以实现地震反应分析[13]。

4 实例分析与结论

以某30×104m3储气压力为12.5 kPa的正32边形气柜为例,按现行计算模型和本文的SMD计算模型分别进行地震反应计算,分析活塞对气柜柜体抗震性能的影响。

气柜资料如下:

地震波采用2条天然地震动和1条人工地震动输入,天然地震动是美国1940年El centro NS和1952年Taft EW,人工地震动按文献[9]规定的抗震设防烈度8度,设计基本地震加速度值0.20g,将地震动加速度峰值调整为200 gal。均取前10 s的记录,采样周期为0.02 s。

应用状态空间分析法求解结构的地震反应。2种计算模型的柜体位移反应对比如图6所示。其中,x0为现行模型的柜体位移,x1为SMD模型的柜体位移。可见按SMD模型计算所得柜体位移值比现行模型有明显减小。

图6 2种模型计算的位移对比

绝对加速度乘以结构的质量得到地震中作用于质点的惯性力,忽略阻尼力的影响,惯性力就是作用于体系基础的剪力。

2种计算模型的柜体基础剪力的对比,如图7所示。

图7 2种模型计算的剪力对比

图7中,F0为现行模型的柜体基础剪力,F1为SMD模型的柜体基底剪力。可见按SMD模型计算所得柜体基底剪力值比现行模型也有明显减小。

取2种模型计算出的3种地震动作用下结构的最大位移和最大剪力进行比较,见表1所列。由表1可知,根据SMD模型计算的最大位移值和剪力值平均比现行模型的减小67%和52%。

由研究结果可得结论如下:

(1)随着气柜容量和压力的增加,活塞钢结构及配重块的质量也显著增加,活塞的总质量可超过柜体的总质量,正确处理活塞在大型储气柜的抗震分析中的作用,对设计的合理性有重大意义。

(2)将活塞结构的质量加入质点的现行抗震计算模型,把活塞作为气柜柜体抗震性能的不利因素,设计结果与储气柜的抗震性能偏差较大。

(3)本文提出的将活塞视为柜体的“悬浮质量阻尼器”的SMD计算模型体现了水平地震荷载作用下气柜柜体与活塞的实际关系。研究表明活塞对气柜柜体抗震性能属于有利影响。SMD模型的最大位移值和剪力值平均比现行模型的减小67%和52%,可反映实际结构的工作性能。

(4)在水平地震荷载作用下,活塞作为SMD的刚度系数计算公式也可以用于计算类似圆形的正多边形气柜的活塞结构的刚度系数。

表1 2种模型的计算最大值比较

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Study of damping effect of piston on seism ic per formance of large-scale gasholder

JIA Dong-yun1,2, CAO Ping-zhou1, JIANG De-jin3

(1.College of Civiland Transportation Engineering,H ohai University,Nanjing 210098,China;2.School of Civil Engineering and A rchitecture,Anhui University of Technology,M a'anshan 243002,China;3.Huatian Engineering and Technology Co rpo ration,China Metallu rgicalGroup Corporation,Ma'anshan 243005,China)

Current calculation model of seismic response in the seismic design for gasholder takes the mass of piston into themain mass,and regards the piston as the negative factors on the seismic perform ance of gasho lder.Bearing the gas p ressure,the piston actually suspends in gasholder,and there are no direct rigid contactbetween the tw o because springsand oil sealing areadopted between the piston side and gasholder body.In this paper,based on the actual construction featuresof gasholder,and taking the piston as suspended mass damper(SMD),the SMD calculation model for the gasholder is estab lished.The formula of stiffness coefficient of the piston is also deduced.Taking a regular polygon gasholder of 30×104m3as an examp le and selecting three earthquakewaves,the seismic responsesof two models are calculated by applying state-space analysis method and the software M atlab.The calculation results show that the piston has a remarkable positive damping effect on the seismic performance o f the gasho lder.The study resu lt can be referred in the seismic design o f gasholders and the safety assessment of in-service gasholders.

seismic response;dry gasholder;piston;suspended mass damper(SMD);stiffness coefficient

姜德进(1947-),男,湖北汉阳人,中冶华天工程技术有限公司正高级工程师.

TU391

A

1003-5060(2011)01-0109-05

10.3969/j.issn.1003-5060.2011.01.026

2009-12-30;

2010-03-08

河海大学、中冶华天和江苏环能联合开发资助项目(2009826816)

贾冬云(1968-),女,安徽合肥人,河海大学博士生,安徽工业大学副教授;

曹平周(1956-),男,陕西宜川人,河海大学教授,博士生导师;

(责任编辑 张淑艳)