基于SMA橡胶复合支座的高耸化工塔隔震分析

摘 要：针对高耸化工塔设备在地震载荷作用下的振动响应问题，应用SMA橡胶复合支座对地震载荷作用下的高耸化工塔设备进行动态响应分析，探索方案的可行性及其减震效果。研究表明，SMA橡胶复合支座对高耸化工塔设备有很好的隔震作用。

关键词：高耸化工塔；地震响应；SMA复合橡胶支座

高耸化工塔设备是化工企业重要的设备之一，对其在隔震领域的研究非常重要。形状记忆合金[1]（简称SMA）因具有形状记忆效应及稳定的伪弹耗能特性，在结构振动控制中得到关注，并广泛应用于土木工程领域[2]。文章将形状记忆合金橡胶复合支座用于高耸化工塔设备地震控制中，探索其控制效果。

1 SMA橡胶复合支座构造及工作原理

文章采用的SMA橡胶复合支座[3]兼有耗能和复位功能，其结构简图如图1所示。SMA拉索交叉对称的分布在橡胶支座的四个侧面，SMA拉索的两端固定在支座的外联结钢板上，拉索施加3%的预应变。

在正常使用载荷下，SMA橡胶复合支座具有足够的初始刚度可以抵抗振动产生的侧向变形，此时SMA拉索处于弹性阶段工作状态。在强震作用下，橡胶通过自身的剪切滞回变形消耗能量，同时SMA拉索发生加卸载交替变化，未经预拉伸的拉索进入弹塑性变形和超弹性变形阶段，产生通过原点的滞回曲线；经过预拉伸的拉索发生超弹性变形，形成饱满的滞回曲线，消耗振动产生的能量。通过对预应变SMA拉索和橡胶支座滞回曲线的叠加得到复合支座的滞回曲线，为SMA橡胶复合支座在高耸化工塔设备隔震领域的应用提供论基础。

2 动力响应分析

3 数值模拟

由于高耸中压闪蒸塔的内部结构较简单，且壁厚相同，为了研究方便，文章将其简化为10个集中质量的多自由离散体系，该塔尺寸及材料参数[4]为：内径1400mm，壁厚14mm，高度30000mm，密度7850kg/m3，弹性模量200GPa，阻尼比？灼1=？灼2=0.02。形状记忆合金材料参数参照文献[5]。采用的地震波选取Taft地震波，时间步长为0.02s，输入地震波持续时间为16s。

为了使SMA橡胶复合支座均匀的支撑住高耸中压闪蒸塔，并起到较好的减震效果，设计三个SMA橡胶复合支座均匀的安置在高耸塔设备的底部。

基于结构动态响应原理，对安装有SMA橡胶复合支座的地震响应进行动态分析，探索SMA橡胶复合支座对高耸化工塔地震响应的控制效果。图2和3分别为高耸化工塔中间第五个质点和塔顶第十个质点在有控和无控状态下位移响应曲线。为了验证MATLAB数值模拟结果的准确性，利用ANSYS软件计算的高耸化工塔无控状态下的地震响应曲线也一并给出。

从图2中可以看出，MATLAB数值模拟结果与ANSYS软件计算结果很接近。在Taft地震波作用下，高耸中压闪蒸塔设备中部第五个质点在无控状态下的峰值为38.15mm，安装SMA橡胶复合支座的高耸中压闪蒸塔设备的中部第五个质点位移峰值达到15.27mm，位移减震率达到60%。

从图3中可以看出，在Taft地震波作用下，高耸中压闪蒸塔的塔顶第十个质点在无控状态下的峰值达到了57.17mm，安装有SMA橡胶复合支座的高耸中压闪蒸塔设备的位移峰值达到25.807mm，位移减震率达到54.85%。

图4为SMA橡胶复合支座在地震载荷作用下的回复力滞回曲线，由图可以看出，随着支座振幅增大，支座回复力也相应增大，最大回复力达到49KN，在震动过程中，支座因形状记忆合金的超弹性形成饱和的滞回曲线，起到了良好的耗能减震作用。

4 结束语

通过对应用SMA橡胶复合支座的高耸化工塔进行了地震响应分析表明，高耸化工塔设备的位移响应明显减小，SMA橡胶复合支座对高耸化工塔设备有很好的隔震作用。

参考文献

[1]Parulekar Y M ，Reddy G R. Nonlinear model of pseudoelastic shape memory alloy damper considering Residual martensite strain effect[J].Advances in Acoustics and Vibration， 2012，25（3）：312-320.

[2]Song G，Ma N， Li H N. Review of application of shape memory alloys in civil structures. Earth &Space，2004，559-566.

[3]戴辰.基于耗能复位SMA-橡胶复合支座的桥梁隔震理论研究[D].河北工业大学，2009.

[4]郝伟.高耸石化设备阻尼减振技术研究[D].北京：北京化工大学，2012.

[5]孙双双.SMA复合结构的热粘弹性分析及SMA的伪弹行为研究[D].上海：上海交通大学，2003.

作者简介：吕梅（1988-），女，山东济南，汉族，青岛科技大学工程硕士，工程力学专业，主要研究智能材料與结构力学性能。