李晶晶

（合肥水泥研究設(shè)計(jì)院有限公司， 安徽 合肥 230001）

0 引言

近年來，隨著我國水泥生產(chǎn)工藝的不斷進(jìn)步以及生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，我國水泥廠窯尾高度開始不斷增加，但也正因?yàn)槿绱耍鄰S窯尾框架結(jié)構(gòu)在地震作用下響應(yīng)也更加復(fù)雜。因此，如何在強(qiáng)烈地震作用下，確保窯尾框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及設(shè)備的安全性，成為了當(dāng)前我國水泥生產(chǎn)企業(yè)普遍關(guān)注的問題。

1 水泥廠窯尾框架結(jié)構(gòu)抗震性能研究現(xiàn)狀

目前，我國大多數(shù)水泥廠都開始采用新型干法水泥生產(chǎn)工藝，而對于新型干法水泥廠來說，窯尾框架結(jié)構(gòu)工程則是其核心工程，同時(shí)也是新型干法水泥廠中的最高建筑和荷載較高的特種結(jié)構(gòu)。[4]而隨著我國水泥生產(chǎn)工藝的不斷發(fā)展，水泥廠對窯尾框架結(jié)構(gòu)的功能需求也在不斷提高。從目前來看，我國對窯尾框架結(jié)構(gòu)的研究主要可以分為兩種體系，包括：鋼結(jié)構(gòu)體系和鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系。[1]2002年宗周紅通過擬動(dòng)力試驗(yàn)、擬靜力試驗(yàn)、以及彈塑性地震反應(yīng)分析，得出了鋼管框架窯尾結(jié)構(gòu)在地震作用下的各方面性能，同時(shí)通過所得數(shù)據(jù)建立了鋼管框架結(jié)構(gòu)窯尾的彈塑性性能模型；2005年，徐禮華等人通過地震反應(yīng)振動(dòng)臺對比試驗(yàn)，分析了混凝土體系有支撐模型和無支撐模型在不同地震波影響下的加速度、水平位移變化，通過數(shù)據(jù)對比，該對比試驗(yàn)得出了有支撐結(jié)構(gòu)較無支撐結(jié)構(gòu)抗震性能更加優(yōu)越且結(jié)構(gòu)延性更加良好的結(jié)論；2006年王文達(dá)等人將窯尾框架結(jié)構(gòu)梁祝的界面面積和界面形狀作為了試驗(yàn)參數(shù)，通過水平反復(fù)荷載試驗(yàn)得出了圓柱形框架窯尾抗震性能更加優(yōu)越的結(jié)論；

張大林等人通過對一12層鋼框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)譜分析和彈塑性分析，研究了在不同支撐形勢下，鋼結(jié)構(gòu)框架的動(dòng)力特性及地震響應(yīng)影響。

2 水泥廠窯尾框架結(jié)構(gòu)體系介紹

窯尾框架結(jié)構(gòu)是新型干法水泥廠的核心建筑物，在我國水泥廠建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大的形勢下，窯尾框架高度正在不斷增加。而這也意味著普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是難以確保水泥廠窯尾框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求的。[2]另外，考慮到設(shè)備的安裝以及施工成本，目前我國在水泥廠窯尾框架結(jié)構(gòu)的選擇上主要采用鋼結(jié)構(gòu)框架。一方面，鋼結(jié)構(gòu)框架可以有效確保設(shè)備的安裝及同步，另一方面，采用鋼結(jié)構(gòu)框架也可以有效降低施工成本。因此，目前我國主要將鋼結(jié)構(gòu)作為水泥廠窯尾框架的首選方案。通常來說，支承窯尾塔架的主要構(gòu)件是柱，其截面形式目前常用的包括下列五種：H型鋼、空心方鋼、純鋼管、鋼管硅、十字鋼等。但目前我國普遍采用的主要是鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)。

3 水泥廠窯尾框架結(jié)構(gòu)抗震性能分析

3.1 模型建立

為了進(jìn)一步對水泥廠窯尾框架結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行分析，本文選取了國內(nèi)某一大型窯尾塔架作為主要研究對象。研究方法采用有限元分析法，具體的分析過程依賴相關(guān)軟件及實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行。該預(yù)熱窯尾塔架結(jié)構(gòu)主體平面大小為：15.5×16m;塔高為：87.6m，在設(shè)備安裝完成之后，總高度提升至：97.6m；在結(jié)構(gòu)方面，該窯尾塔架在第一層采用的了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，除了第一層外其余各樓層均采用了鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)總層數(shù)為 7層。每一層采用的結(jié)構(gòu)柱均為圓形結(jié)構(gòu)柱，且均為鋼筋混凝土柱。

3.2 地震波選取

在地震波的選取上，本試驗(yàn)均按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》及其它國家先關(guān)規(guī)范執(zhí)行。在實(shí)踐中，主要是根據(jù)該窯尾塔架所處的位置和場地類型以及地震分組確定地震波類型。由于本實(shí)驗(yàn)采用有限元分析法，因此在實(shí)施過程中，需要分別按照場地類型和地震分組建立人工模擬加速度時(shí)程曲線，并將兩組曲線進(jìn)行對比。[3]本文選取地震波的具體方法如下：首先，根據(jù)現(xiàn)場場地類型選擇與場地特征周期相近的地震波。由于建筑結(jié)構(gòu)處于 2類場地，地震分組為第一組，因此，現(xiàn)場地震周期可以確定為0.35s。（如果是對罕遇地震作用下的試驗(yàn)則應(yīng)該講地震周期延長至 0.4s。）在本試驗(yàn)中，根據(jù)實(shí)際情況，場地特征周期選擇為 0.4S；其次，再按照同樣方法再次選擇地震波，再次選擇地震波應(yīng)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)幅處理。根據(jù)實(shí)際情況，本試驗(yàn)在時(shí)程分析時(shí)，為了取得良好的試驗(yàn)記錄，地震波時(shí)長均控制在25S。

3.3 模態(tài)分析

本文采用分塊矩陣法進(jìn)行了該窯尾框架的模態(tài)分析，結(jié)構(gòu)自震頻率及振動(dòng)特征如下表1所示：

表 1結(jié)構(gòu)自振頻率及振動(dòng)特征

由表 1可知，該結(jié)構(gòu)從整體上來說振型特征良好。結(jié)構(gòu)第一扭轉(zhuǎn)周期振型表現(xiàn)為Y方向，且第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動(dòng)周期之比處于合理范圍內(nèi)，雖然結(jié)構(gòu)橫向柱子數(shù)量少于縱向柱子，但因支撐設(shè)置的不同，使結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度仍然大于縱向，故此，該結(jié)構(gòu)第一振型表現(xiàn)為Y方向（縱向）。

4 結(jié)束語

綜上所述，本分首先介紹當(dāng)前我國水泥廠窯尾框架結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀，并對水泥廠窯尾框架抗震體系進(jìn)行了簡單描述，隨后在通過有限元分析法對鋼結(jié)構(gòu)窯尾框架抗震性能進(jìn)行了較為深入的分析。