王慶江

水泥廠窯尾鋼框架結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析及優(yōu)化

王慶江

目前國內(nèi)針對(duì)強(qiáng)震作用下的窯尾框架結(jié)構(gòu)的研究較少，也沒有規(guī)范或規(guī)程作為設(shè)計(jì)依據(jù)。隨著窯尾框架結(jié)構(gòu)在高烈度區(qū)域的陸續(xù)建設(shè)，考慮到窯尾框架的特點(diǎn)，有必要對(duì)窯尾框架抗震性進(jìn)行深入研究。本文以某建成的9度抗震設(shè)防的5 000t/d新型干法生產(chǎn)線窯尾鋼管混凝土框架為對(duì)象，以層間位移角、層間位移和頂層位移為地震響應(yīng)指標(biāo)，利用有限元軟件LS-DYNA對(duì)其在地震作用下的彈塑性時(shí)程進(jìn)行分析。結(jié)果表明，該窯尾框架結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，豎向地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響不可忽略，在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)變形滿足相關(guān)規(guī)范的要求，結(jié)構(gòu)抗震性能具有較大冗余度。最后，基于結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

窯尾框架結(jié)構(gòu)；地震響應(yīng)；彈塑性；時(shí)程分析；抗震性能；優(yōu)化

水泥廠窯尾框架結(jié)構(gòu)具有高柔結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，而國內(nèi)尚無針對(duì)此類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范或規(guī)程，目前國內(nèi)針對(duì)高烈度地區(qū)水泥廠窯尾框架結(jié)構(gòu)的研究較少[1-3]。本文以某建成的9度抗震設(shè)防的5 000t/d新型干法水泥生產(chǎn)線雙系列水泥窯尾鋼管混凝土框架為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)其進(jìn)行地震響應(yīng)分析，并且基于地震響應(yīng)分析結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行優(yōu)化。

1　工程概況

該水泥廠窯尾鋼框架結(jié)構(gòu)的平面尺寸為25.5m× 16.0m，高88.6m，共8層，平面結(jié)構(gòu)如圖1所示。結(jié)構(gòu)采用鋼管混凝土框架-支撐體系，其中柱采用內(nèi)填C40混凝土的圓鋼管混凝土柱，鋼梁采用H型鋼梁，柱間支撐采用圓鋼管，樓板采用5mm厚花紋鋼板，間隔550mm設(shè)置加勁肋一道，鋼材選用Q345鋼，主要構(gòu)件截面尺寸如表1所示。結(jié)構(gòu)處于Ⅱ類場地，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場地特征周期Tg=0.40s，抗震設(shè)防烈度為9度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.40g。

表1　主要構(gòu)件截面規(guī)格*

圖1　結(jié)構(gòu)平面圖

2　結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

采用有限元分析軟件LS-DYNA進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析。選取2條適合于Ⅱ類場地的天然地震動(dòng)記錄Taft波、Michoacan波和1條人工模擬地震波，并對(duì)其進(jìn)行峰值調(diào)幅，持續(xù)時(shí)間40s[4-7]。

2.1結(jié)構(gòu)最大層間位移角和層間位移

結(jié)構(gòu)在地震作用下X向?qū)娱g位移角包絡(luò)線如圖2所示。第三、四層和第七層的層間位移角約為相鄰層的1.1倍，原因是結(jié)構(gòu)第四層無樓板，第七層有多處較大面積的開洞。從結(jié)構(gòu)的層間位移角與GB50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》限值的比較來看，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有相當(dāng)?shù)娜哂喽?。圖3為結(jié)構(gòu)層位移包絡(luò)線，其具有典型剪切變形的特點(diǎn)。3條地震波下的最大位移包絡(luò)線有一定的差別，以頂層為例，Taft波作用下的結(jié)構(gòu)頂層最大位移約為Michoacan波作用下最大位移的1.1倍。

圖2　結(jié)構(gòu)X向?qū)娱g位移角包絡(luò)線

圖3　結(jié)構(gòu)X向位移包絡(luò)線

2.2結(jié)構(gòu)頂層地震響應(yīng)

結(jié)構(gòu)頂層位移時(shí)程曲線、加速時(shí)程曲線分別如圖4、圖5所示，由圖可知：

圖4　不同地震作用下結(jié)構(gòu)頂層位移時(shí)程

（1）結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)與地震波輸入能量有關(guān)，采用輸入能量較大的人工波和Michoacan波時(shí)，結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)更劇烈[8-11]。Taft波、Michoacan波和人工波作用下結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)最大值分別為791.2mm、628.4mm和731.4mm。

（2）加速度響應(yīng)時(shí)程與輸入波形相似，由于阻尼作用，加速度響應(yīng)峰值時(shí)刻與地震波幅值相比有一定的滯后[9-12]。Taft波、Michoacan波和人工波作用下結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)最大值分別為990.5cm/s2、1 106.3cm/s2和1 187.3cm/s2，分別出現(xiàn)在5.56s、27.46s和15.87s。

2.3豎向地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響

圖5　不同地震作用下結(jié)構(gòu)頂層加速度時(shí)程

圖6為Taft波作用下考慮豎向地震作用和不考慮豎向地震的情況下結(jié)構(gòu)角柱A1和A3（A1、A3分別表示位于結(jié)構(gòu)A軸與1軸、A軸與3軸相交處的柱，下文同）的軸力包絡(luò)圖，考慮豎向地震作用下角柱A1、A3的軸力均高于不考慮的情況，角柱A1頂層柱軸力相差約50%，底層相差約5%，角柱A3頂層柱軸力相差約100%，底層相差約5%，豎向地震作用顯著增大了上層結(jié)構(gòu)柱軸力，對(duì)底層結(jié)構(gòu)的影響較小。

因此，高烈度區(qū)域的窯尾鋼框架結(jié)構(gòu)抗震分析過程中必須考慮豎向地震的影響。

3　基于地震響應(yīng)的結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化

圖6　Taft波作用下角柱軸力包絡(luò)圖

受到工藝流程和設(shè)備安裝的限制，目前建成投產(chǎn)的5 000t/d新型干法水泥生產(chǎn)線窯尾結(jié)構(gòu)形式單一。本文分析表明，該窯尾結(jié)構(gòu)承載力和抗震性能具有相當(dāng)?shù)娜哂喽?，有必要?duì)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、高效的設(shè)計(jì)目標(biāo)。通過對(duì)結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)力、柱腳節(jié)點(diǎn)反力的分析，參考非抗震區(qū)域窯尾框架的結(jié)構(gòu)體系形式，在保持現(xiàn)有柱網(wǎng)、結(jié)構(gòu)層高不變的前提下，建議采用以下兩種優(yōu)化方案：方案一，抽去邊榀中柱A2、D2；方案二，保留1～5層的A2、D2柱，僅抽去6～8層的邊榀中柱A2、D2。優(yōu)化方案如圖7所示。

圖7　優(yōu)化方案示意圖

3.1優(yōu)化方案層間位移角

圖8為Taft波作用下兩種優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)X向?qū)娱g位移角的比較。由圖8可見，上述兩種方案均能滿足GB50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)層間位移角的要求[13]。方案一在結(jié)構(gòu)第四層存在剛度突變，表現(xiàn)為層間位移角包絡(luò)線的突變，說明邊榀中柱對(duì)僅布設(shè)外圍框架梁結(jié)構(gòu)的第四層樓層剛度影響很大，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)為了保證結(jié)構(gòu)剛度沿高度方向的連續(xù)性，結(jié)構(gòu)四層及以下不可以去除邊榀中柱；方案二建議的結(jié)構(gòu)底層層間位移角減小，上部層間位移角增大，結(jié)構(gòu)最大層間位移角1/80，小于原結(jié)構(gòu)的層間位移角。

圖8　優(yōu)化方案層間位移角對(duì)比

3.2優(yōu)化方案X向頂層位移

圖9為Taft波作用下兩種優(yōu)化結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)頂層X向位移時(shí)程的比較。從圖9可以看出，在t=16s的峰值處三者之比約為1：1.19：1.09，在t=24s的峰值處三者之比為1：0.82：1.08，方案一和方案二的頂層位移均大于原結(jié)構(gòu)，三者位移波動(dòng)趨勢相同，說明撤去部分中柱或者全部中柱不會(huì)對(duì)原結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性有明顯的改變。

圖9　優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)頂層X向位移時(shí)程

圖10　不同方案A1柱軸力包絡(luò)圖

3.3優(yōu)化方案柱軸力包絡(luò)圖

圖10、圖11為兩種優(yōu)化方案和原結(jié)構(gòu)下柱A1和柱B2軸力包絡(luò)圖的比較。由圖可知，邊榀中柱對(duì)于同榀框架相鄰柱的軸力的影響趨勢是一致的，即兩種優(yōu)化方案各層柱的軸力均大于原設(shè)計(jì)，且方案一的包絡(luò)值大于方案二，但是沿柱高的變化并非等值，撤去部分柱或全部柱對(duì)A1、A3柱底層的影響大于上層。

圖11　不同方案B2柱軸力包絡(luò)圖

4　結(jié)語

5 000t/d新型干法水泥生產(chǎn)線工程窯尾鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能分析表明：

（1）結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)變形滿足相關(guān)規(guī)范的要求，結(jié)構(gòu)抗震性能具有較大冗余度。

（2）豎向地震作用增大了豎向承重構(gòu)件的地震響應(yīng)，對(duì)結(jié)構(gòu)上部的影響遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)下部，高烈度區(qū)域的窯尾鋼框架結(jié)構(gòu)抗震分析過程不可忽略豎向地震的影響。

（3）通過比較兩種優(yōu)化方案，方案二不僅滿足抗震設(shè)計(jì)要求，保證了結(jié)構(gòu)剛度的連續(xù)性，具有較好的抗震性能，而且較原結(jié)構(gòu)更加經(jīng)濟(jì)。

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[13]GB50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)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

通訊地址：天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津300400；2016-03-14；編輯：趙蓮