钢框架结构抗震的粘滞阻尼器位置优化研究

李新明,宋文博,李 慧,彭 晔

(北方工业大学土木工程学院，北京,100144)



钢框架结构抗震的粘滞阻尼器位置优化研究

李新明,宋文博,李 慧,彭 晔

(北方工业大学土木工程学院，北京,100144)

摘要：随着中国经济的快速增长，产业规模和技术不断革新，全钢结构工业厂房作为一种新型厂房备受关注。地震载荷作用下钢结构厂房的安全至关重要，本文研究将粘滞阻尼器用于钢结构煤气化工业厂房的抗震设计中。通过ABAQUS软件建立有限元模型，利用有限元理论分析地震作用下的钢结构厂房响应，对粘滞流体阻尼器的参数和位置进行优化，达到减震设计目的。

关键词：钢结构；工业厂房；抗震；粘滞阻尼器；优化

大型超高钢框架结构是石化及煤化工行业广泛使用的化学反应设备，随着石化和煤化工行业装置建设规模扩大，这些大型框架结构不断加高，正由目前的100米向着130米的高度方向发展。这类超高钢框架结构的抗震设计问题亟待研究。传统的抗震设计是通过增强结构自身的强度和刚度，做到“小震不坏、中震可修、大震不倒”。另外一种比较有效的抗震途径是采取结构振动控制技术，在工程结构的特定部位装设阻尼减震装置，改变调整结构的动力特性，使得工程结构在地震作用下的动力反应得到合理控制，确保结构本身及结构中的人员、仪器设备等的安全和正常使用同。

本文研究在这种超高钢框架结构安装粘滞流体阻尼器进行减震设计的可行性。本文通过ABAQUS软件建立钢框架结构的有限元模型，利用有限元理论分析地震作用下的钢结构厂房响应，对黏滞流体阻尼器的参数和位置进行优化设计，达到减震设计要求。

1　钢框架结构的几何模型

本文研究的高层钢框架结构工业厂房是某化工企业的高层工业生产厂房，安装有巨大重型的化工设备，厂房平面尺寸42m×20m，12层，高99.7m。支撑均采用人字型支撑，采用了焊接型钢，框柱均采用箱型柱，主、次梁为焊接H型钢梁。厂房主结构梁、柱均选用Q235钢材，共有四种截面尺寸，见表1。高层钢框架厂房的几何模型见图1。

表1　柱截面尺寸

2　钢框架结构的有限元模型

2.1钢框架结构

钢框架采用采用B31二节点梁单元。加载采用两个分析步，第一个分析步为静力学分析步，给整体模型施加重力加速度，框架与基础固定约束；第二个分析步为隐式动力学分析步，放松框架与基础 在地震作用方向的自由度，并在该自由度方向上施加El-Centro地震波加速度时程，粘滞阻尼器采用ABAQUS软件中的弹簧阻尼单元模拟，有限元模型见图2。

2.2地震波选取

表2　梁截面尺寸

图1　高层钢框架厂房几何模型

图2　高层钢框架厂房有限元模型

该工程抗震设防烈度为7度，相应于设防烈度的设计基本地震加速度为0.15g，设计地震分组为第二组，设计特征周期为0.40s。按照GB50761-2012《石油化工钢制设备抗震设计规范》对时程分析法规定，地震波选用El-Centro波作为地面运动加速度时程曲线，并对加速度时程进行调幅，以危害性大的罕遇地震为例，持续时间20s，调整后的加速度时程曲线见图3。

图3　El-Centro地震波加速度时程

3　安装粘滞阻尼器的钢框架结构抗震响应

在模型底部施加水平向的加速度边界条件，框架顶端的加速度响应情况见图4。阻尼器的安装直接影响侧框架塔的抗震性能，阻尼器变形反映了楼层之间的相对位移，阻尼器轴力变化反映框架之间的相互作用力。图5-图10给出了分别在奇数楼层安装粘滞流体阻尼器时，钢框架顶端的加速度时程响应曲线。

图4　框架顶部加速度响应时程曲线

图5　位置1阻尼器减震效果

图6　位置2阻尼器减震效果

图7　位置3阻尼器减震效果

图8　位置4阻尼器减震效果

图9　位置5阻尼器减震效果

图10　位置6阻尼器减震效果

4　总结

对比图5-图10六个位置阻尼器对框架顶部减震的效果，可知在位置3安装阻尼器对框架顶部的减震效果最好，分析原因是位置3为混凝土框架结构向钢框架结构的过渡阶段，相对变形较大，因此位置3阻尼器效果最好。需要说明的是，上述计算结果是将框架结构简化为二维模型的计算结果，模型进行了较大的简化。计算中阻尼器减震效果是只考虑了阻尼器安装位置对减震的影响，没有考虑阻尼器本身刚度、阻尼系数对减震效果的影响。

参考文献

[1]段振亚．框架塔设备动力特性的研究[D] ．天津 ：天津大学，2003.

[2]洪建国．直立高塔与框架的水平荷载协同工作分析 [J]．化工设备设计，1993，30(1)：12-19

[3]GB50761-2012石油化工钢制设备抗震计规范[S]． 北京：中国计划出版社，2012

STEEL FRAME STRUCTURES viscous dampers position Optimization

Li Xinming,Song Wenbo,Li Hui,Peng Ye
（School of Civil Engineering, North China University of Technology,Beijing,100144）

Abstract：With the rapid growth of Chinese economy,the scale of the industry and technological innovation, all-steel industrial plant as a new powerhouse concern.Essential safety under earthquake loading steel plant,the paper studies the viscous dampers used in steel gas chemical plant seismic design.ABAQUS finite element model through software,using finite element analysis theory steel plant response under seismic effect on the fluid viscous damper parameters and optimize the position, designed to achieve damping.

Keywords：steel;industrial plants;Earthquake;viscous dampers; optimization