料仓-框架隔震结构的时程与振型分解反映谱分析研究

刘占宇，于 洋，李明政，滕振超

(1.黑龙江省建筑设计研究院，黑龙江 哈尔滨 150000；2.东北石油大学 土木建筑工程学院，黑龙江 大庆 163318)

料仓-框架因其结构简单、制作方便等特点而较多用于石油化工项目[1].料仓-框架的重心较高，对地震作用和风荷载等自然灾害十分敏感且抵抗力较差，而我国地处环太平洋地震带和欧亚地震带，地震灾害的发生极易对其造成破坏[2-3]，故而对框架-料仓抗震性能的研究显得尤为重要.目前，对料仓-框架的地震作用分析主要包括谱分析和时程分析两种[4-6]，本文通过对比两种方法的特点，找出更适合料仓-框架结构的分析方法，并对结构进行动力时程分析，找出结构应力、位移的变化趋势，以求为相关研究提供借鉴.

1 模型的建立与验证

结构的长宽高分别为9、9、39 m，其中框架部分高度为15 m，分为2层，第1层高6.2 m，第2层高8.8 m，材料为钢筋混凝土；料仓中圆柱体部分高度为24 m，直径为7.3 m，厚度为16 mm，锥体卸料部分高度为7 m，材料为5052-H112铝合金；料仓部分与框架部分刚性接触.采用Mass21单元模拟仓内贮料以及工艺设备的质量，料仓-框架结构各部分材料及所填物料参数见表1.

表1 材料的力学性能参数

选用广东宇泰减震科技有限公司生产的GZY500型号的铅芯橡胶隔震支座，由于其直径为600 mm，故取Ab=0.28 m2.共布置4个Combin14弹簧单元，每根柱子布置1个，为Y方向；设置8个Combin40弹簧单元，每根柱子布置2个，X、Z方向各1个.单元参数具体见表2.

表2 弹簧隔震支座参数

利用ANSYS有限元软件，自底向上建立料仓-框架有限元模型，其中柱底与基础固定连接，料仓与环梁刚接并进行耦合，由点、线、面、体的形式逐步推进建模进程.各部分及整体结果模型如图1所示.

图1 料仓-框架结构模型

2 带隔震支座的料仓框架结构动力响应分析

2.1 振型分解反应谱分析

建立结构整体模型之后，按照相关规范[7-9]的要求，运用ANSYS中的Block Lanczos进行计算及模态分析.料仓-框架结构及其带隔震支座模型结构的自振频率见表3.

表3 料仓-框架结构及其带隔震支座模型结构的自振频率 单位：Hz

料仓-框架结构的X向基本自振频率为2.951 Hz，对照文献[1]的自振频率2.924 Hz，误差为0.93%，小于5%；满仓中误差为11.9%，文献[1]中的满仓误差为11.28%，二者相差不大.产生此误差的主要原因是试验模型柱顶和底板相接时，为防止混凝土和钢板黏结性较差，在柱底进行了配筋的加强，导致模型结构刚度的增大，基频也随之增大.因此，空仓结构所造成的误差是符合实际的，说明本模型具有分析价值.

2.1.1 结构位移分析

由振型分解反应谱法计算结果可知，空料仓-框架结构基频下最大位移为52 mm，出现在料仓顶部中点；带隔震支座空料仓-框架结构基频下最大位移为5.1 mm，同样出现在料仓顶部中点，框架部分最大位移为5.77 mm，出现在顶层框架角点处，带隔震支座结构框架部分最大位移为1.13 mm.满仓中原结构与带隔震支座结构基频下最大位移点分别为66.6、5.4 mm，也均为料仓顶部中点；框架部分最大位移为8.71 mm，出现在顶层框架角点处，带隔震支座结构框架部分最大位移为1.46 mm，位置与未加隔震支座结构相同.发现料仓每一刚度变化较大处的位移最大点随高度的增加逐渐增大，如图2所示.由图2可知，料仓框架结构随高度的增加，侧移量整体呈逐渐增大趋势.

图2 料仓-框架结构位移随高度变化的曲线

2.1.2 结构应力分析

对7度设防烈度且加速度为0.1g地震作用下料仓-框架结构和带隔震支座料仓-框架结构各关键节点进行计算，结合分析结果对最大等效应力点进行验算，得出并对比加隔震支座与未加隔震支座结构的振型分解反应谱法的应力作用.

由振型分解反应谱法计算可知，空料仓-框架原结构最大等效应力为13.1 MPa，带隔震支座空料仓-框架最大等效应力为2.2 MPa；满料仓-框架原结构最大等效应力为16.2 MPa，带隔震支座满料仓-框架最大等效应力为3.1 MPa；最大应力值发生在框架柱顶端4个角点处和柱底4个点处，8个点数值大小相等，柱顶端4个点处受应力方向沿X轴正方向的为拉应力，柱底4个点处受应力方向为X轴负方向的为压应力.结构的应力值随高度变化曲线如图3所示.

图3 料仓-框架结构所受最大应力随高度变化曲线

由图可知:满仓下的移动位移和所受应力均比同条件下的空仓要大；当料仓内质量一定时，带隔震支座料仓-框架结构上同一点所移动的位移比原结构所移动的位移有大幅度减小，所受应力也相应减小；底部框架至框架柱中部结构所受应力均为压应力，中部以上为拉应力，框架柱顶端最高点处为最大值，且小于30 MPa，均满足规范要求.结构由下到上的位移与应力分布合理，符合实际情况；结构受力最大值点处在柱顶和柱底的边缘处.

2.2 结构时程分析

2.2.1 调整与施加

选取符合工程实际要求的2组天然波和1组根据场地拟合的人工波作为时程分析曲线，分别为EL-Centro波、Taft波和人工SHM2波.在实际计算时，对选用的地震波数据进行调整，地震波峰值调整之后应满足抗震规范对底部剪力、结构位移限值和应力限值的要求.

根据文献[10]，结合料仓-框架结构基本情况，采用的地震波参数如下：场地土属Ⅱ—Ⅲ类，EL-Centro波，时间间隔0.02 s，持续时间53.76 s，加速度峰值出现在第2.14 s，峰值341.7 cm/s2，如图4所示；场地土属Ⅱ类，Taft波，时间间隔0.02 s，持续时间54.4 s，加速度峰值出现在第3.72 s，峰值175.9 cm/s2，如图5所示；场地土属Ⅳ类，SHM2波，时间间隔0.02 s，持续时间78.64 s，加速度峰值出现在第13 s，峰值35 cm/s2，如图6所示.

图4 EL-Centro波时程与幅度变化

图5 Taft波时程与幅度变化

图6 SHM2波时程与幅度变化

根据建筑抗震设计规范推荐的方法，对加速度地震波的持续时间进行压缩，故而输入的EL-Centro波持时为25 s，Taft波持时为25 s，人工波SHM2波持时为40 s[11].

2.2.2 结构位移分析

利用ANSYS分别建立料仓-框架结构和带隔震支座的料仓框架结构有限元模型，采用时程分析法，输入调整后的EL-Centro波、Taft波和人工波SHM2波，进行地震作用下的结构动力响应分析.由结果分析可知结构所受最大位移点在料仓的顶部中点.用振型分解反应谱法绘制7度以上水平地震动加速度作用下的数据，并将每种物料荷载工况(满仓和空仓)下的原结构和带隔震支座结构数据进行整合.如图7、8、9所示.

图7 EL-Centro波位移变化

图8 Taft波位移变化

图9 SHM2波位移变化

从图中可知：EL-Centro地震波作用下空仓下结构的最大位移为21.00 mm，满仓下结构的最大位移为39.10 mm；带隔震支座空仓下结构的最大位移为4.66 mm，带隔震支座满仓下结构的最大位移为4.94 mm.Taft地震波作用下空仓下结构的最大位移为32.30 mm，满仓下结构的最大位移为43.40 mm；带隔震支座空仓下结构的最大位移为8.72 mm，带隔震支座满仓下结构的最大位移为9.26 mm.SHM2地震波作用下空仓下结构的最大位移为16.20 mm，满仓下结构的最大位移为43.40 mm；带隔震支座空仓下结构的最大位移为4.51 mm，带隔震支座满仓下结构的最大位移为6.01 mm.

2.2.3 结构应力分析

采用上述3种地震波进行时程分析，由结果发现基频下结构受力最大点为4根框架柱顶点和底部支座处，顶点与支座处点受力数值大小相同，方向相反，底部框架值为负，即压应力.下面以其中1个点，即2层框架顶部角点进行分析.用振型分解反应谱法绘制7度以上水平地震动加速度作用下的数据，并将每种物料荷载工况(满仓和空仓)下的原结构和带隔震支座结构应力数据进行整合.如图10、11、12所示.

图10 EL-Centro波应力变化

图11 Taft波应力变化

图12 SHM2波应力变化

从图中可知：EL-Centro地震波作用下空仓下结构的最大应力为12.00 MPa，满仓下结构的最大应力为14.60 MPa；带隔震支座空仓下结构的最大应力为2.02 MPa，带隔震支座满仓下结构的最大应力为2.75 MPa.Taft地震波作用下空仓下结构的最大应力为10.50 MPa，满仓下结构的最大应力为13.80 MPa；带隔震支座空仓下结构的最大应力为1.80 MPa，带隔震支座满仓下结构的最大应力为2.60 MPa.SHM2地震波作用下空仓下结构的最大应力为8.50 MPa，满仓下结构的最大应力为11.10 MPa；带隔震支座空仓下结构的最大应力为1.92 MPa，带隔震支座满仓下结构的最大应力为2.33 MPa.

3 结论

采用有限元软件ANSYS对料仓-框架结构进行模态分析，得出结构在前10阶阵型下的频率，进而采用振型分解反应谱法和时程分析法计算料仓-框架结构及其带隔震支座下结构的动力响应，并对其位移和应力进行比较，得出以下结论：

1)通过结构的模态分析得出的频率数据可以确定模型是符合实际的，并且可以看出由于满仓下结构质量大而导致结构频率变小，后期时程分析中对应点满仓所受应力也比空仓要大，说明满仓下结构损伤要比空仓大，结构更加不稳定.

2)时程分析法与振型分解反应谱法计算的料仓位移与地震施加方向一致，料仓结构顶部中点处位移值最大，并且结构所移动的位移由下到上的变化也是逐渐增大的.

3)料仓-框架结构与带隔震支座料仓-框架结构在水平地震波(EL-Centro)波作用下，空仓时仓顶位移最大值为21.00 mm，满仓时仓顶位移最大值为39.10 mm，满仓时位移大于空仓时位移，且另外2种地震波作用下结果也是如此.因此，料仓内物料对料仓结构在地震作用下的位移变形有比较大的影响，即料仓-框架结构最大位移出现在料仓顶部，带隔震支座料仓-框架结构最大位移也出现在料仓顶部.满仓状态下的地震反应比空仓状态下的地震反应更加剧烈，表明满仓状态对料仓结构更为不利.

4)按时程分析法进行计算，原料仓-框架结构的最大位移值小于同条件下按振型分解反应谱法的计算值；空仓下EL-Centro地震波约为相同点振型分解反应谱法的40.4%，Taft地震波约为相同点振型分解反应谱法的62.1%，SHM2地震波约为振型分解反应谱法相同点数据的62.3%；满仓下EL-Centro地震波约为相同点振型分解反应谱法的58.7%，Taft地震波约为相同点振型分解反应谱法的65.2%，SHM2地震波约为振型分解反应谱法相同点数据的65.2%.计算带隔震支座料仓-框架结构最大应力值，小于同条件下原结构按振型分解反应谱法计算的最大等效应力值，空仓下EL-Centro地震波约为振型分解反应谱法的91.6%，Taft地震波约为振型分解反应谱法的80.2%，SHM2地震波约为振型分解反应谱法的84.7%；满仓下EL-Centro地震波约为振型分解反应谱法的90.1%，Taft地震波约为振型分解反应谱法的85.2%，SHM2地震波约为振型分解反应谱法的68.5%.

显然，时程分析法的数据结果变化较小，偏于精确；振型分解反应谱法数据变化较大，偏于保守.