水泥厂窑尾钢框架结构地震响应分析及优化

王庆江

水泥厂窑尾钢框架结构地震响应分析及优化

王庆江

目前国内针对强震作用下的窑尾框架结构的研究较少，也没有规范或规程作为设计依据。随着窑尾框架结构在高烈度区域的陆续建设，考虑到窑尾框架的特点，有必要对窑尾框架抗震性进行深入研究。本文以某建成的9度抗震设防的5 000t/d新型干法生产线窑尾钢管混凝土框架为对象，以层间位移角、层间位移和顶层位移为地震响应指标，利用有限元软件LS-DYNA对其在地震作用下的弹塑性时程进行分析。结果表明，该窑尾框架结构具有良好的抗震性能，竖向地震作用对结构的影响不可忽略，在罕遇地震作用下结构变形满足相关规范的要求，结构抗震性能具有较大冗余度。最后，基于结构的地震响应对结构进行了优化设计。

窑尾框架结构；地震响应；弹塑性；时程分析；抗震性能；优化

水泥厂窑尾框架结构具有高柔结构的特点，而国内尚无针对此类结构设计的规范或规程，目前国内针对高烈度地区水泥厂窑尾框架结构的研究较少[1-3]。本文以某建成的9度抗震设防的5 000t/d新型干法水泥生产线双系列水泥窑尾钢管混凝土框架为研究对象，采用数值模拟的方法，对其进行地震响应分析，并且基于地震响应分析结果对结构体系进行优化。

1　工程概况

该水泥厂窑尾钢框架结构的平面尺寸为25.5m× 16.0m，高88.6m，共8层，平面结构如图1所示。结构采用钢管混凝土框架-支撑体系，其中柱采用内填C40混凝土的圆钢管混凝土柱，钢梁采用H型钢梁，柱间支撑采用圆钢管，楼板采用5mm厚花纹钢板，间隔550mm设置加劲肋一道，钢材选用Q345钢，主要构件截面尺寸如表1所示。结构处于Ⅱ类场地，设计地震分组为第二组，场地特征周期Tg=0.40s，抗震设防烈度为9度，设计基本地震加速度为0.40g。

表1　主要构件截面规格*

图1　结构平面图

2　结构分析计算

采用有限元分析软件LS-DYNA进行结构地震响应动力弹塑性时程分析。选取2条适合于Ⅱ类场地的天然地震动记录Taft波、Michoacan波和1条人工模拟地震波，并对其进行峰值调幅，持续时间40s[4-7]。

2.1结构最大层间位移角和层间位移

结构在地震作用下X向层间位移角包络线如图2所示。第三、四层和第七层的层间位移角约为相邻层的1.1倍，原因是结构第四层无楼板，第七层有多处较大面积的开洞。从结构的层间位移角与GB50011-2010《建筑抗震设计规范》限值的比较来看，结构设计具有相当的冗余度。图3为结构层位移包络线，其具有典型剪切变形的特点。3条地震波下的最大位移包络线有一定的差别，以顶层为例，Taft波作用下的结构顶层最大位移约为Michoacan波作用下最大位移的1.1倍。

图2　结构X向层间位移角包络线

图3　结构X向位移包络线

2.2结构顶层地震响应

结构顶层位移时程曲线、加速时程曲线分别如图4、图5所示，由图可知：

图4　不同地震作用下结构顶层位移时程

（1）结构位移响应与地震波输入能量有关，采用输入能量较大的人工波和Michoacan波时，结构位移响应更剧烈[8-11]。Taft波、Michoacan波和人工波作用下结构位移响应最大值分别为791.2mm、628.4mm和731.4mm。

（2）加速度响应时程与输入波形相似，由于阻尼作用，加速度响应峰值时刻与地震波幅值相比有一定的滞后[9-12]。Taft波、Michoacan波和人工波作用下结构加速度响应最大值分别为990.5cm/s2、1 106.3cm/s2和1 187.3cm/s2，分别出现在5.56s、27.46s和15.87s。

2.3竖向地震作用对结构地震响应的影响

图5　不同地震作用下结构顶层加速度时程

图6为Taft波作用下考虑竖向地震作用和不考虑竖向地震的情况下结构角柱A1和A3（A1、A3分别表示位于结构A轴与1轴、A轴与3轴相交处的柱，下文同）的轴力包络图，考虑竖向地震作用下角柱A1、A3的轴力均高于不考虑的情况，角柱A1顶层柱轴力相差约50%，底层相差约5%，角柱A3顶层柱轴力相差约100%，底层相差约5%，竖向地震作用显著增大了上层结构柱轴力，对底层结构的影响较小。

因此，高烈度区域的窑尾钢框架结构抗震分析过程中必须考虑竖向地震的影响。

3　基于地震响应的结构体系优化

图6　Taft波作用下角柱轴力包络图

受到工艺流程和设备安装的限制，目前建成投产的5 000t/d新型干法水泥生产线窑尾结构形式单一。本文分析表明，该窑尾结构承载力和抗震性能具有相当的冗余度，有必要对现结构体系进行优化，以实现安全、经济、高效的设计目标。通过对结构杆件内力、柱脚节点反力的分析，参考非抗震区域窑尾框架的结构体系形式，在保持现有柱网、结构层高不变的前提下，建议采用以下两种优化方案：方案一，抽去边榀中柱A2、D2；方案二，保留1～5层的A2、D2柱，仅抽去6～8层的边榀中柱A2、D2。优化方案如图7所示。

图7　优化方案示意图

3.1优化方案层间位移角

图8为Taft波作用下两种优化方案结构与原结构X向层间位移角的比较。由图8可见，上述两种方案均能满足GB50011-2010《建筑抗震设计规范》对罕遇地震作用下结构层间位移角的要求[13]。方案一在结构第四层存在刚度突变，表现为层间位移角包络线的突变，说明边榀中柱对仅布设外围框架梁结构的第四层楼层刚度影响很大，在结构优化时为了保证结构刚度沿高度方向的连续性，结构四层及以下不可以去除边榀中柱；方案二建议的结构底层层间位移角减小，上部层间位移角增大，结构最大层间位移角1/80，小于原结构的层间位移角。

图8　优化方案层间位移角对比

3.2优化方案X向顶层位移

图9为Taft波作用下两种优化结构与原结构顶层X向位移时程的比较。从图9可以看出，在t=16s的峰值处三者之比约为1：1.19：1.09，在t=24s的峰值处三者之比为1：0.82：1.08，方案一和方案二的顶层位移均大于原结构，三者位移波动趋势相同，说明撤去部分中柱或者全部中柱不会对原结构的动力特性有明显的改变。

图9　优化方案结构顶层X向位移时程

图10　不同方案A1柱轴力包络图

3.3优化方案柱轴力包络图

图10、图11为两种优化方案和原结构下柱A1和柱B2轴力包络图的比较。由图可知，边榀中柱对于同榀框架相邻柱的轴力的影响趋势是一致的，即两种优化方案各层柱的轴力均大于原设计，且方案一的包络值大于方案二，但是沿柱高的变化并非等值，撤去部分柱或全部柱对A1、A3柱底层的影响大于上层。

图11　不同方案B2柱轴力包络图

4　结语

5 000t/d新型干法水泥生产线工程窑尾钢管混凝土框架结构抗震性能分析表明：

（1）结构具有良好的抗震性能，罕遇地震作用下结构变形满足相关规范的要求，结构抗震性能具有较大冗余度。

（2）竖向地震作用增大了竖向承重构件的地震响应，对结构上部的影响远大于结构下部，高烈度区域的窑尾钢框架结构抗震分析过程不可忽略竖向地震的影响。

（3）通过比较两种优化方案，方案二不仅满足抗震设计要求，保证了结构刚度的连续性，具有较好的抗震性能，而且较原结构更加经济。

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[13]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].■

Seismic Performance Analysis and Optimization of Preheater Tower Steel Structure in a Cement Plant

WANG Qingjiang
(Tianjin Cement Industry Design and Research Institute Co.,Ltd.，300400)

So far,researches on preheater tower structures under the action of severe earthquakes in our country are not enough and no specification or code can be used as the basis for its design.Taking the constructions of the preheater tower structures in high seismic areas and its characteristics into consideration,it's necessary to conduct in-depth researches about the seismic performance of the preheater tower.This paper takes a con⁃crete-filled steel tube frame which works as preheater tower structure of a 5 000 t/d NSP cement production line located in a 9 degree seismic fortification area as a research object,and study the elastic-plastic time history analysis under the seismic action with the finite element software LS-DYNA.The results show that the structure system has good seismic behaviour;Under severe earthquake,the deformation of structure can meet the require⁃ments of the relevant specification;Structural seismic performance is with large redundancy and the influence of the vertical earthquake action to the structure cannot be neglected.At last,the optimization of the structure is studied.

preheater tower structure;earthquake response;elastic-plastic;time history analysis;seismic perfor⁃mance;optimization

TU113.663

A

1001-6171（2016）06-0029-05

通讯地址：天津水泥工业设计研究院有限公司，天津300400；2016-03-14；编辑：赵莲