楊彥

一段時(shí)間以來，由于種種原因，250t及以上（特重型）重工廠房的應(yīng)用有限。近年來，隨著社會(huì)的發(fā)展，工業(yè)水平的不斷前進(jìn)，我國重型工業(yè)廠房越來越多的出現(xiàn)在重型壓力容器車間、大型燒結(jié)主廠房、大型冶煉車間、軋鋼車間、造船廠、大型火電廠主廠房等結(jié)構(gòu)中。

如由北京首鋼設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的秦皇島首秦金屬材料有限公司4300mm寬厚板軋機(jī)工程，廠房建筑面積132315平米，7度抗震設(shè)防，建筑平面尺寸762mX205m，柱距以18m為主，有抽柱，抽柱處柱距48m、36m、37m。主軋區(qū)吊車噸位100t/20t，軌頂標(biāo)高16m；軋輥間吊車噸位300t/90t，軌頂標(biāo)高10m；精整區(qū)、厚板區(qū)、成品區(qū)和熱處理區(qū)吊車噸位22.5t，軌頂標(biāo)高11m。吊車均為A7級(jí)工作制。

目前，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，雖然有成熟的基礎(chǔ)理論，但理論與一線設(shè)計(jì)之間的銜接方面研究的匱乏，導(dǎo)致了重型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)的相對(duì)盲目。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件方面，常用的包括國外的Sap2000、Etabs、Staadpro等以及國內(nèi)的MTS、Strat、PKPM-STS等，雖然這些軟件能夠提供較精確的方式來解決復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)問題，但是在廠房整體結(jié)構(gòu)抗震分析方面涉足少之甚少。

在抗震設(shè)計(jì)方面，基于性能的抗震設(shè)計(jì)是非常理想化的，通過該方法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)雖然可以預(yù)先很清楚的了解其抗震性能，但是若要實(shí)現(xiàn)基于性能的抗震設(shè)計(jì)還有很多工作需要進(jìn)一步研究。

目前，結(jié)構(gòu)數(shù)值有限元計(jì)算分析已經(jīng)成為抗震分析過程中的一把利器，為我們更深層次的了解結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)機(jī)理及為能夠分析更為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)提供了技術(shù)保證。

本文采用大型有限元分析軟件ANSYS，以山東省東營港開發(fā)區(qū)綠洲核能裝備有限公司的高端石化裝備制造項(xiàng)目-重型壓力容器車間廠房為例，建立了反映工程實(shí)際的三維數(shù)值分析模型，通過向結(jié)構(gòu)輸入不同程度的地震動(dòng)，經(jīng)過細(xì)致計(jì)算，對(duì)比分析了不同工況下的廠房結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)值及結(jié)構(gòu)抗震性能變化。

1. 工程概況

本文建模分析采用山東省東營港開發(fā)區(qū)綠洲核能裝備有限公司的高端石化裝備制造項(xiàng)目-重型壓力容器廠房車間。該車間建筑平面389m（軸線尺寸）X42m（軸線尺寸），單跨，柱距12m，車間起坡點(diǎn)高度37.5m，屋脊高度39.75m。主體結(jié)構(gòu)采用框排架結(jié)構(gòu)體系，格構(gòu)式鋼管混凝土下柱，實(shí)腹式H型鋼上柱，實(shí)腹式H型鋼梁，吊車梁采用焊接H型鋼。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用有檁體系，屋面為現(xiàn)場復(fù)合雙層壓型鋼板保溫屋面，墻面為單層鍍鋁鋅版，基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)。

該工程廠房結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用壽命為50年，建筑抗震設(shè)防類別丙類，地基基礎(chǔ)等級(jí)設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)。山東省東營市基本風(fēng)壓（50年重現(xiàn)期）為0.5 kN / m2，地面粗糙度類別為A類；基本雪壓（100年重現(xiàn)期）0.4 kN / m2，雪荷載準(zhǔn)永久值系數(shù)分區(qū)二；該市的抗震設(shè)防烈度為7度（0.15g），設(shè)計(jì)地震分組第三組；場地類別二類。屋面恒載標(biāo)準(zhǔn)值0.4 kN / m2，屋面活載標(biāo)準(zhǔn)值0.5 kN / m2（主要受力構(gòu)件）。吊車荷載見表1。

該車間分為A、B、C三個(gè)區(qū)域，其中A區(qū)長156m，B區(qū)長144m，C區(qū)長84m，在A、B區(qū)之間和B、C區(qū)之間分別設(shè)置2.5m寬（軸線尺寸）的變形縫。本文選取A區(qū)為研究對(duì)象，A區(qū)建筑平面圖、剖面圖見圖1～2。

該車間內(nèi)設(shè)兩層橋式起重機(jī)。上層行車軌頂標(biāo)高28m，下層軌頂標(biāo)高20m。上層起重機(jī)中，A區(qū)行車起重能力為2000t，設(shè)兩臺(tái)1000t橋式起重機(jī)；B區(qū)行車起重能力為800t,由兩臺(tái)1000t橋式起重機(jī)完成；C區(qū)行車起重能力為200t，設(shè)一臺(tái)200t橋式起重機(jī)。下層設(shè)兩臺(tái)200t 橋式起重機(jī)，均為A5級(jí)工作制。A、B、C三區(qū)行車通行。在A區(qū)和B區(qū)交接處的屋面設(shè)置一臺(tái)25t檢修用的電動(dòng)葫蘆。

結(jié)構(gòu)選型方面，在相同控制指標(biāo)條件下，重工廠房結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)通常包括吊車噸位、柱距、跨度、軌頂標(biāo)高等。本工程的顯著特點(diǎn)是吊車噸位大（千噸級(jí)）、吊車使用頻繁（A5級(jí)工作制）、結(jié)構(gòu)跨度大（42m）、吊車軌頂標(biāo)高高（下層20m，上層28m），同時(shí)廠房建設(shè)地點(diǎn)在臨海城市（山東省東營市），抗震設(shè)防烈度較高（7度，0.15g）。因此，其地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響將會(huì)非常大。綜合上述因素，結(jié)合目前國內(nèi)少數(shù)大噸位重型鋼結(jié)構(gòu)廠房的應(yīng)用，本工程采用排架結(jié)構(gòu)，格構(gòu)式圓鋼管混凝土下柱、實(shí)腹式H型鋼上柱，實(shí)腹式H型鋼梁，抗風(fēng)桁架，屋面采用了格構(gòu)式系桿。格構(gòu)式鋼管混凝土柱不但節(jié)省了鋼材，也減輕了柱本身的重量。鋼柱及柱間支撐系統(tǒng)圖3～4。

表1 吊車荷載

圖1 A區(qū)建筑平面圖

圖2 A區(qū)建筑剖面圖

本工程為雙層橋式吊車，上層1000t位的大起重量，因此采用了格構(gòu)式鋼管混凝土柱。下層吊車為兩臺(tái)200t，吊車噸位也較大，如果采用傳統(tǒng)的柱上挑牛腿的方式，全部吊車作用力由牛腿承擔(dān)，然后傳遞至排架柱和支撐系統(tǒng)，安全性欠佳；或者有的采用變截面柱，使得支撐系統(tǒng)的設(shè)置由于遷就下柱而影響了使用空間。本工程考慮將下層吊車的豎向荷載由獨(dú)立的、可靠的體系承擔(dān)，水平荷載仍然由支撐系統(tǒng)傳遞，因此在下層吊車下設(shè)置鋼管混凝土搖擺柱，承擔(dān)下層吊車傳來的全部豎向荷載。吊車系統(tǒng)布置圖及部分相關(guān)結(jié)構(gòu)圖見圖5～6。

表2 構(gòu)件規(guī)格表

圖3 A區(qū)鋼柱及柱間支撐系統(tǒng)

圖4 鋼柱及柱間支撐系統(tǒng)

2.工程關(guān)鍵問題分析

重工廠房結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)通常包括吊車噸位、柱距、跨度、軌頂標(biāo)高等。本工程因有大噸位吊車，結(jié)構(gòu)的變形將可能導(dǎo)致吊車梁變形，進(jìn)而導(dǎo)致吊車無法使用，因此控制側(cè)移是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。

在抗震的設(shè)計(jì)中，采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算水平地震作用時(shí)，根據(jù)重力荷載代表值與地震作用的大小正相關(guān)，而本工程吊車噸位大（千噸級(jí)）、吊車使用頻繁（A5級(jí)工作制），因此，地震作用影響非常大。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)的跨度大（42m），柱間距12m。吊車軌頂標(biāo)高高（下層20m，上層28m），所處地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度（0.15g），地震期間，結(jié)構(gòu)在多維地面運(yùn)動(dòng)分量作用下，柱承擔(dān)兩個(gè)方向的水平地震作用，同時(shí)軸向壓力也很大。因此，抗震設(shè)計(jì)是本工程的根本性工作之一。

圖5 A區(qū)上層吊車系統(tǒng)平面布置圖

圖6 A區(qū)下層吊車系統(tǒng)平面布置圖

3.模型的建立

模型單元的選擇主要根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)結(jié)合計(jì)算精度、計(jì)算量來確定。在本工程中，格構(gòu)式鋼管混凝土柱為鋼管和內(nèi)填混凝土這兩種不同本構(gòu)關(guān)系的材料的組合結(jié)構(gòu)，因此將其分別定義，然后通過GLUE命令組合成一個(gè)連續(xù)體協(xié)同作用。其中，格構(gòu)式鋼管混凝土柱的鋼管采用實(shí)體單元SOLID 185，該單元是一種采用力與位移混合形狀函數(shù)的線性單元，可以退化為五面體或者四面體、棱柱體，通過8個(gè)節(jié)點(diǎn)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3各沿著X、Y、Z方向平移的自由度，可以用來構(gòu)造三維固體結(jié)構(gòu)。這個(gè)單元具有超彈性、應(yīng)力鋼化、蠕變、大變形和大應(yīng)變等的能力，還可以采用混合模式模擬幾乎不可壓縮彈塑性材料和完全不可壓縮超彈性材料。該單元不允許零體積單元，在本例中，將SOLID 185單元定義為各向同性材料，單元坐標(biāo)系為全局坐標(biāo)系，不考慮溫度作用。

型鋼抗風(fēng)柱、結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)也采用實(shí)體單元SOLID 185定義。

格構(gòu)式柱鋼管內(nèi)填充混凝土采用實(shí)體單元SOLID 65。該單元具有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有X、Y、Z三個(gè)方向的自由度，用來構(gòu)造含筋或不含筋的混凝土實(shí)體模型，可以用其實(shí)體性能模擬混凝土，用加筋性能模擬鋼筋作用。這一實(shí)體模型具有拉裂和拉碎的性能。其最重要的方面在于對(duì)材料非線性的處理，可以模擬混凝土的開裂、壓碎、塑性變形和徐變，以及鋼筋的拉伸、壓縮、塑性變形和蠕變，但是無法模擬鋼筋的剪切性能。在本例中，將SOLID 65單元定義為各向同性材料，不考慮溫度作用和應(yīng)力松弛。廠房材料特性見表3。

廠房主體采用排架結(jié)構(gòu)，屋面鋼屋架,插入式柱腳，柱頂鉸接,柱底剛接。

實(shí)體模型如圖7。

4.廠房模態(tài)分析

模態(tài)分析（Modal Analysis）是結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的數(shù)值計(jì)算技術(shù)，是最基本的動(dòng)力學(xué)分析，也是其他動(dòng)力學(xué)分析，如響應(yīng)譜、隨機(jī)振動(dòng)分析、諧響應(yīng)分析等的基礎(chǔ)。

結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性包括其固有頻率和振型。模態(tài)分析的經(jīng)典定義是將線性定常系統(tǒng)振動(dòng)微分方程中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo)，使方程組解耦，成為一組以模態(tài)坐標(biāo)系模態(tài)參數(shù)描述的獨(dú)立方程，以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。坐標(biāo)變換的變換矩陣為模態(tài)矩陣，其每列為模態(tài)振型。

表3 主體材料物理特性

圖7 A區(qū)廠房實(shí)體模型

表4 廠房在各工況下模態(tài)分析結(jié)果匯總

表5 小震抗震分析分析結(jié)果

表6 中震抗震分析分析結(jié)果

表7 大震抗震分析分析結(jié)果

對(duì)應(yīng)模態(tài)分析，振動(dòng)頻率ωi和模態(tài)φi由下面方程計(jì)算求出：

這里假設(shè)剛度矩陣[k],質(zhì)量矩陣[M]是定值，這就是要求材料是線性彈性的，使用小位移理論（不包括非線性），無阻尼矩陣[C]、無激振力（無[F]）。

模態(tài)分析的最終目的是識(shí)別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析、振動(dòng)故障診斷和預(yù)報(bào)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

本工程廠房的抗震分析考慮兩種工況，分別是廠房空載和滿載時(shí)的小震、中震、大震抗震分析。因此相對(duì)應(yīng)就有兩種模態(tài)分析，有預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析（廠房在滿載時(shí)）和無預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析。

有預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析，受不變荷載作用產(chǎn)生應(yīng)力作用下的結(jié)構(gòu)可能會(huì)影響固有頻率，尤其是對(duì)于那些在某一個(gè)或兩個(gè)尺度上很薄的結(jié)構(gòu)，因此在某些情況下執(zhí)行模態(tài)分析時(shí)可能需要考慮預(yù)應(yīng)力的影響。

進(jìn)行預(yù)應(yīng)力分析時(shí)，首先需要進(jìn)行靜力結(jié)構(gòu)分析（Static Structural Analysis），計(jì)算公式為：

[k]{x}={F}

得出的應(yīng)力剛度矩陣用于計(jì)算結(jié)構(gòu)分析（[σ0] → [S]），這樣原來的模態(tài)方程即可修改為：

上式即為存在預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析公式。式中：

[k]-單元?jiǎng)偠染仃嚕?/p>

{x}-激振位移；

{F}-激振力；

[K]-剛度矩陣；

{φi}-第i階模態(tài)的陣型向量（特征向量）；

ωi-第i階模態(tài)的固有頻率（ωi2為特征值）；

[M]-質(zhì)量矩陣；

廠房結(jié)構(gòu)滿載、空載時(shí)各個(gè)工況下的模態(tài)分析的結(jié)果見表4。

5.廠房響應(yīng)譜分析

響應(yīng)譜分析是將模態(tài)分析的結(jié)構(gòu)與一個(gè)已知的譜聯(lián)系起來計(jì)算模型的位移和應(yīng)力的分析技術(shù)。主要應(yīng)用于時(shí)間歷程分析，以便確定結(jié)構(gòu)對(duì)隨機(jī)荷載或隨時(shí)間變化的荷載（如地震、海洋波浪、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)推力、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)等）的動(dòng)力響應(yīng)情況。

廠房結(jié)構(gòu)地震荷載作用下分析的結(jié)果見表5、表6、表7。

6.結(jié)論及建議

6.1 地震作用下的廠房結(jié)構(gòu)在空載和滿載時(shí)的不同荷載工況的作用效應(yīng)的極值所處位置相同，即應(yīng)力最大值的位置與變形最大值的位置相同。

6.2 空載或滿載時(shí)，不同荷載工況下，地震荷載加速度沿廠房縱向或垂直時(shí)，由地震荷載產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力都小于材料的許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)可靠?？癸L(fēng)柱對(duì)廠房結(jié)構(gòu)的抗震貢獻(xiàn)可以忽略，故其最大應(yīng)力無論是否超過承載力都不影響廠房整體抗震。

6.3 對(duì)于以抗震設(shè)防烈度做為抗震設(shè)計(jì)加速度依據(jù)的結(jié)構(gòu)來說，小震時(shí)地震荷載效應(yīng)都很小，對(duì)廠房結(jié)構(gòu)的影響幾乎可以忽略。

中震時(shí)，地震荷載加速度沿廠房縱向時(shí)的變形位移幾乎增大了一倍，地震荷載廠房橫向時(shí)的增大率很小，可以忽略。這是由于沿廠房橫向的地震動(dòng)荷載同時(shí)由數(shù)量眾多的排架柱承擔(dān)，而沿縱向的地震動(dòng)荷載作用在單榀排架上，對(duì)于單跨廠房來說，僅由兩個(gè)柱子承擔(dān)，如果沒有支撐系統(tǒng)來傳遞水平力（在這里用來傳遞水平地震力），該方向上對(duì)柱的強(qiáng)度和剛度要求將會(huì)非常大。

大震時(shí)，廠房空載和滿載時(shí)沿縱向的應(yīng)力和變形的增大率都比中震時(shí)要大，而相對(duì)的，廠房橫向的方向上的地震荷載效應(yīng)增大率較小。大震作用對(duì)廠房縱向上的影響是很大的。

6.4 大震時(shí)的結(jié)構(gòu)相對(duì)于中震，在不同方向地震荷載加速度下的應(yīng)力和變形，滿載時(shí)的增長速率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過空載，這與地震力和結(jié)構(gòu)質(zhì)量的正比關(guān)系的理論相吻合。

6.5 以抗震設(shè)防烈度的地震動(dòng)加速度為設(shè)計(jì)依據(jù)的重型工業(yè)廠房，其結(jié)構(gòu)抗力的強(qiáng)度和變形均可以滿足要求。

6.6 建議對(duì)于千噸級(jí)的大跨度重工廠房，以中震滿載時(shí)的變形控制為設(shè)計(jì)控制點(diǎn)，即結(jié)構(gòu)滿足中震時(shí)的變形控制要求即可。此時(shí)既可以簡化設(shè)計(jì)工作量，同時(shí)也保證了結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟(jì)性。

6.7 合理地傳遞水平荷載的結(jié)構(gòu)體系，如布置合理的支撐體系，可以有效傳遞廠房縱向地震力，從而減小排架柱的受力和變形。因此，在重工廠房的抗震設(shè)計(jì)中，應(yīng)更加重視對(duì)支撐系統(tǒng)等傳遞水平荷載的結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)，從而在滿足使用空間的基礎(chǔ)上，使結(jié)構(gòu)更加合理，更加經(jīng)濟(jì)。

6.8 通常基于經(jīng)濟(jì)性和廠房工藝的復(fù)雜性的考慮，重工廠房的抗震設(shè)計(jì)往往采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路方法，或在傳統(tǒng)概念設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，而新型消能減震技術(shù)在重工廠房中的應(yīng)用并不廣泛，大部分僅在強(qiáng)震區(qū)、實(shí)驗(yàn)性結(jié)構(gòu)或生命線工程中加以應(yīng)用，相關(guān)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)也較少。

這樣的抗震設(shè)計(jì)思路過于局限，事實(shí)上，對(duì)于7度及以上烈度區(qū)的千噸級(jí)重型工業(yè)廠房，就可以考慮推廣采用消能減震或隔震技術(shù)；并對(duì)應(yīng)用結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測，注重樣本數(shù)據(jù)的采集和分析匯總，以期可以得到更為實(shí)用的、應(yīng)用于重工廠房的、普適性的消能減震隔震設(shè)計(jì)方法。

6.9 目前，應(yīng)用有限元將結(jié)構(gòu)化整為零、然后再化零為整的精細(xì)化分析方法對(duì)重型工業(yè)廠房進(jìn)行分析的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)較為匱乏。在工程實(shí)際中，一線設(shè)計(jì)師很難有精力將所做工程做此類分析，而要求他們對(duì)所做工程進(jìn)行有限元分析匯總也是不現(xiàn)實(shí)的；然而，工程實(shí)踐又確實(shí)需要統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)加以指導(dǎo)。因此，投產(chǎn)后的數(shù)據(jù)監(jiān)測和設(shè)計(jì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)解密后的資源共享變得尤為重要，如果能有專注于有限元分析的本單位專業(yè)人員或社會(huì)專業(yè)人員對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和數(shù)據(jù)匯總，并得出結(jié)論，指導(dǎo)實(shí)踐后再行反饋，依此循環(huán)，并在一定數(shù)據(jù)量積累的基礎(chǔ)上得出普適的、規(guī)范性的設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則、設(shè)計(jì)計(jì)算方法和構(gòu)造要求，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)重型工業(yè)廠房工程設(shè)計(jì)的意義是重大的。