转换层刚接和铰接对结构抗震性能的影响

2011-01-23钟冬望

武汉科技大学学报 2011年4期

韩芳,钟冬望,汪君

(1.武汉科技大学理学院,湖北武汉,430065;2.武汉科技大学冶金工业过程系统科学湖北省重点实验室,湖北武汉,430081;3.中南勘察设计院有限公司,湖北武汉,430071)

煤制氢工业厂房结构多为超高层结构,具有跨度大、设备多、设备与厂房连接复杂等特点[1-3]。由于生产工艺限制,设备不能保证对称布置,因此在风振、地震等动荷载作用下,结构质心和刚心易发生偏离,结构整体的抗震性能降低[4-5]。另外工业设备体积大、质量大,在动荷载作用下,设备产生的惯性力对厂房结构的稳定性影响较大。本文拟在转换层刚接和铰接条件下,研究钢-混凝土组合结构的抗震性能,以期为工程设计提供合理可靠的理论依据。

1 厂房结构及其有限元模型

某化工厂厂房主建筑12层,总高度93 m,宽42 m,其中1～5层为钢筋混凝土结构,6～12层为钢结构。材料基本参数如表1所示。厂房内主体设备为气化塔和合成气塔,高40 m,重640 t,穿越整个钢结构楼层;设备与结构通过大直径的弯管相连,一端刚结在转换层的楼板上,另一端通过16根拉杆悬吊在主梁上。工程场地的抗震设防烈度为6度,特征周期为0.40 s,属于Ⅱ类场地。

表1 材料的基本参数Table 1 Basic material parameters

采用有限元软件ANSYS建立厂房结构模型,如图1所示。

图1 厂房结构有限元模型Fig.1 Finite element model of structure

建模说明如下:

(1)坐标系及单元。沿结构长轴方向为X轴,短轴方向为Y轴,竖直向上为Z轴,采用beam188单元模拟梁柱刚性支撑,shell63单元模拟混凝土楼板和设备,mass21单元模拟质量点,link 8单元模拟连接杆件。模型共生成节点13 892个,单元17 763个。

(2)荷载。设备荷载、楼板的等效荷载、相关动力荷载均按等效质量单元导入模型。

(3)边界条件。结构底部施加固定约束,其他部分自由。

(4)刚接铰接处理。将转换层处钢结构柱子的最底层单元更换为beam44单元,然后释放掉其与混凝土相交节点在旋转方向的3个自由度,并将该层钢支撑由原来的梁单元更换为杆单元,使转换层节点彻底由刚接变为铰接。

2 结果与分析

2.1 刚接和铰接时结构的动力特性比较

采用ANSYS模态分析中的Block Lanczos法计算结构的自振频率和振型参与系数。结构的前5阶自振频率和振型参与系数如表2所示。由表2中数据计算可得,采用刚接和铰接时,转换层结构自振的基本周期分别为1.845 7 s(X向)、1.605 4 s(Y向)和1.893 9 s(X向)、1.628 1 s(Y向),均远大于场地特征周期0.40 s,因此不易发生共振。由于铰接比刚接的刚度降低,使得结构自振的基本周期变长,其中X向延长2.61%,Y向延长1.41%。

表2 刚接和铰接时结构的自振频率和振型参与系数Table 2 Comparison of frequency and participation coefficient in twomethods

模态计算表明,采用刚接和铰接方式,结构的振型规律基本一致,第1阶为X向平动,第2阶为Y向平动,第3阶为扭振,第4阶为设备振动,第5阶为钢结构的X向平动;前5阶间的自振频率有一定的间隔,其中相邻两阶自振频率相差最小为第4阶和第5阶,也相差10.3%。因此,前5阶模态不易发生耦联振动,对抗震有利。

由表2中可见,相对刚接来说,铰接方案的第2和第3阶模态对X向的地震效应贡献较小,而第4和第5阶模态贡献较大;第1、3和4阶模态对Y向地震效应贡献减小,而第5阶模态贡献较大。可见刚接换成铰接方案后,对以钢结构振动为主的第5阶模态影响较大,刚度的减弱使得其周期延长了5.55%,对地震的作用效应贡献增大,使结构抗震性能略微下降。

2.2 刚接和铰接时结构的动力响应比较

设计反应谱按GB50011—2001中给出的地震影响曲线确定,谱曲线按结构的自振频率确定,由于设备的局部振型较多,按完全二次项组合法(CQC)[6-8]组合计算地震效应。以Y向地震荷载为例,两种方案结构的层间位移、底层混凝土柱子的内力如图2所示。从位移来看,地震荷载作用下,铰接方案对第6层转换层的层间位移影响较大,其余楼层相差不大(见图2(a))。从内力来看,地震荷载作用下,铰接方案使底层部分混凝土柱子轴力有所提高,而剪力和弯矩有较大幅度下降(见图2(b)、图2(c)和图2(d)),柱的受力状态有所改善。