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        基于SMA橡膠復(fù)合支座的高聳化工塔隔震分析

        2015-05-30 18:01:23呂梅
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2015年17期
        關(guān)鍵詞:高聳閃蒸拉索

        摘 要:針對高聳化工塔設(shè)備在地震載荷作用下的振動響應(yīng)問題,應(yīng)用SMA橡膠復(fù)合支座對地震載荷作用下的高聳化工塔設(shè)備進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)分析,探索方案的可行性及其減震效果。研究表明,SMA橡膠復(fù)合支座對高聳化工塔設(shè)備有很好的隔震作用。

        關(guān)鍵詞:高聳化工塔;地震響應(yīng);SMA復(fù)合橡膠支座

        高聳化工塔設(shè)備是化工企業(yè)重要的設(shè)備之一,對其在隔震領(lǐng)域的研究非常重要。形狀記憶合金[1](簡稱SMA)因具有形狀記憶效應(yīng)及穩(wěn)定的偽彈耗能特性,在結(jié)構(gòu)振動控制中得到關(guān)注,并廣泛應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域[2]。文章將形狀記憶合金橡膠復(fù)合支座用于高聳化工塔設(shè)備地震控制中,探索其控制效果。

        1 SMA橡膠復(fù)合支座構(gòu)造及工作原理

        文章采用的SMA橡膠復(fù)合支座[3]兼有耗能和復(fù)位功能,其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。SMA拉索交叉對稱的分布在橡膠支座的四個側(cè)面,SMA拉索的兩端固定在支座的外聯(lián)結(jié)鋼板上,拉索施加3%的預(yù)應(yīng)變。

        在正常使用載荷下,SMA橡膠復(fù)合支座具有足夠的初始剛度可以抵抗振動產(chǎn)生的側(cè)向變形,此時SMA拉索處于彈性階段工作狀態(tài)。在強(qiáng)震作用下,橡膠通過自身的剪切滯回變形消耗能量,同時SMA拉索發(fā)生加卸載交替變化,未經(jīng)預(yù)拉伸的拉索進(jìn)入彈塑性變形和超彈性變形階段,產(chǎn)生通過原點的滯回曲線;經(jīng)過預(yù)拉伸的拉索發(fā)生超彈性變形,形成飽滿的滯回曲線,消耗振動產(chǎn)生的能量。通過對預(yù)應(yīng)變SMA拉索和橡膠支座滯回曲線的疊加得到復(fù)合支座的滯回曲線,為SMA橡膠復(fù)合支座在高聳化工塔設(shè)備隔震領(lǐng)域的應(yīng)用提供論基礎(chǔ)。

        2 動力響應(yīng)分析

        3 數(shù)值模擬

        由于高聳中壓閃蒸塔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較簡單,且壁厚相同,為了研究方便,文章將其簡化為10個集中質(zhì)量的多自由離散體系,該塔尺寸及材料參數(shù)[4]為:內(nèi)徑1400mm,壁厚14mm,高度30000mm,密度7850kg/m3,彈性模量200GPa,阻尼比?灼1=?灼2=0.02。形狀記憶合金材料參數(shù)參照文獻(xiàn)[5]。采用的地震波選取Taft地震波,時間步長為0.02s,輸入地震波持續(xù)時間為16s。

        為了使SMA橡膠復(fù)合支座均勻的支撐住高聳中壓閃蒸塔,并起到較好的減震效果,設(shè)計三個SMA橡膠復(fù)合支座均勻的安置在高聳塔設(shè)備的底部。

        基于結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)原理,對安裝有SMA橡膠復(fù)合支座的地震響應(yīng)進(jìn)行動態(tài)分析,探索SMA橡膠復(fù)合支座對高聳化工塔地震響應(yīng)的控制效果。圖2和3分別為高聳化工塔中間第五個質(zhì)點和塔頂?shù)谑畟€質(zhì)點在有控和無控狀態(tài)下位移響應(yīng)曲線。為了驗證MATLAB數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,利用ANSYS軟件計算的高聳化工塔無控狀態(tài)下的地震響應(yīng)曲線也一并給出。

        從圖2中可以看出,MATLAB數(shù)值模擬結(jié)果與ANSYS軟件計算結(jié)果很接近。在Taft地震波作用下,高聳中壓閃蒸塔設(shè)備中部第五個質(zhì)點在無控狀態(tài)下的峰值為38.15mm,安裝SMA橡膠復(fù)合支座的高聳中壓閃蒸塔設(shè)備的中部第五個質(zhì)點位移峰值達(dá)到15.27mm,位移減震率達(dá)到60%。

        從圖3中可以看出,在Taft地震波作用下,高聳中壓閃蒸塔的塔頂?shù)谑畟€質(zhì)點在無控狀態(tài)下的峰值達(dá)到了57.17mm,安裝有SMA橡膠復(fù)合支座的高聳中壓閃蒸塔設(shè)備的位移峰值達(dá)到25.807mm,位移減震率達(dá)到54.85%。

        圖4為SMA橡膠復(fù)合支座在地震載荷作用下的回復(fù)力滯回曲線,由圖可以看出,隨著支座振幅增大,支座回復(fù)力也相應(yīng)增大,最大回復(fù)力達(dá)到49KN,在震動過程中,支座因形狀記憶合金的超彈性形成飽和的滯回曲線,起到了良好的耗能減震作用。

        4 結(jié)束語

        通過對應(yīng)用SMA橡膠復(fù)合支座的高聳化工塔進(jìn)行了地震響應(yīng)分析表明,高聳化工塔設(shè)備的位移響應(yīng)明顯減小,SMA橡膠復(fù)合支座對高聳化工塔設(shè)備有很好的隔震作用。

        參考文獻(xiàn)

        [1]Parulekar Y M ,Reddy G R. Nonlinear model of pseudoelastic shape memory alloy damper considering Residual martensite strain effect[J].Advances in Acoustics and Vibration, 2012,25(3):312-320.

        [2]Song G,Ma N, Li H N. Review of application of shape memory alloys in civil structures. Earth &Space,2004,559-566.

        [3]戴辰.基于耗能復(fù)位SMA-橡膠復(fù)合支座的橋梁隔震理論研究[D].河北工業(yè)大學(xué),2009.

        [4]郝偉.高聳石化設(shè)備阻尼減振技術(shù)研究[D].北京:北京化工大學(xué),2012.

        [5]孫雙雙.SMA復(fù)合結(jié)構(gòu)的熱粘彈性分析及SMA的偽彈行為研究[D].上海:上海交通大學(xué),2003.

        作者簡介:呂梅(1988-),女,山東濟(jì)南,漢族,青島科技大學(xué)工程碩士,工程力學(xué)專業(yè),主要研究智能材料與結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。

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