朱貴剛

摘要：為進(jìn)一步探究減震設(shè)計(jì)技術(shù)在工業(yè)廠房設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，以某廠房項(xiàng)目為例，基于3種不同的支座方案構(gòu)建ANSYS模型，并進(jìn)行有限元分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：采用鉸支座方案的模型周期最短，地震響應(yīng)相對(duì)劇烈，最大層間位移也相對(duì)較大;鉛芯橡膠支座則具有一定的延性變形能力，能夠有效吸收地震能量從而發(fā)揮減震效果;帶錨栓的板式橡膠支座性能則位于二者之間。

關(guān)鍵詞：減震設(shè)計(jì);工業(yè)廠房;抗震性能;消能減震

中圖分類(lèi)號(hào)：TU352

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2022）06-0129-04

Research on application of shock absorption technology in industrial plant design

ZHU Guigang

（Nanjing Design and Research Institute Co.， Ltd.， China Coal Technology Engineering Group， Nanjing 210000， China

）

[HJ1.5mm]

Abstract：In order to further explore the application of shock absorption design technology in industrial plant design， taking a plant project as an example， ANSYS model is constructed based on 3 different bearing schemes， and finite element analysis is carried out. The results show that the model with hinged bearing scheme has the shortest period， relatively strong seismic response and relatively large maximum interlayer displacement， while the lead rubber bearing has a certain advantage of ductility deformation capacity，? which can effectively absorb the seismic energy and play a damping effect， while the performance of the plate rubber bearing with anchor bolt is between the two.

Key words：shock absorption design; industrial plant; seismic performance; energy dissipation and shock absorption

按照工程建設(shè)的抗震設(shè)防要求，不同重要性的建筑必須要達(dá)到不同等級(jí)的抗震能力。一般情況下，通過(guò)抗震設(shè)計(jì)并加強(qiáng)抗震構(gòu)造措施就能夠滿足工程建設(shè)抗震設(shè)防要求。然而，一些工業(yè)廠房項(xiàng)目對(duì)抗震性能要求較高，單純采用傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方法難以滿足實(shí)際抗震需求。為此，還應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)減隔震技術(shù)應(yīng)用才能滿足抗震設(shè)防要求。從學(xué)術(shù)研

究與工程應(yīng)用實(shí)踐來(lái)看，目前階段隔震設(shè)計(jì)應(yīng)用與發(fā)展已經(jīng)相對(duì)成熟，但減震設(shè)計(jì)的發(fā)展依然相對(duì)滯后，在工程實(shí)踐中的應(yīng)用也相對(duì)較少，大多數(shù)工程技術(shù)人員對(duì)工業(yè)廠房中的減震設(shè)計(jì)技術(shù)缺乏足夠的認(rèn)識(shí)?；诖朔N情況，本文以某一具體項(xiàng)目為例對(duì)工業(yè)廠房減震設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究與分析。

1工程概況

本文所研究的工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)形式為排架結(jié)構(gòu)。由于該工程項(xiàng)目尚停留在方案設(shè)計(jì)階段，其他細(xì)節(jié)性設(shè)計(jì)尚未全部完成。為此，在本文的研究當(dāng)中，僅從模型理論分析的角度展開(kāi)研究。

2研究方案

對(duì)于排架結(jié)構(gòu)而言，在水平地震力作用下，支座所承擔(dān)的荷載為結(jié)構(gòu)自身的豎向力與水平地震力的合力，剛度則是影響結(jié)構(gòu)抗震性能的一個(gè)重要指標(biāo)，此外，由于阻尼耗能才是發(fā)揮減震作用的根本要素;為此，也必須要重視阻尼系數(shù)的取值問(wèn)題。為了提升研究的可靠性，本文的研究放棄采用PKPM、Midas等工程類(lèi)有限元軟件，采用了精度更高的ANSYS軟件作為減震模擬分析的軟件，主要是對(duì)鉸支座、鉛芯橡膠支座以及帶錨栓的板式橡膠支座3種減震方案的減震效果進(jìn)行對(duì)比分析，從而得到合適的減震設(shè)計(jì)方案。上述3種支座方案的具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下。

2.1鉸支座

不同的支座形式實(shí)際上各有優(yōu)缺點(diǎn)，鉸支座的最大優(yōu)勢(shì)在于具有較強(qiáng)的豎向與水平承載力，結(jié)構(gòu)的受力形態(tài)也相對(duì)簡(jiǎn)單。在實(shí)際工程應(yīng)用當(dāng)中，鉸支座的主要功能是連接上部網(wǎng)架與下部結(jié)構(gòu)，具體可以被簡(jiǎn)化為2個(gè)分別向豎向與水平2個(gè)方向提供支撐力的桿單元。鉸支座的主要缺點(diǎn)是在正常使用狀態(tài)下，支座的水平反力相對(duì)較大，在長(zhǎng)期的荷載作用下容易出現(xiàn)金屬疲勞，從而影響支座與結(jié)構(gòu)的使用壽命。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本原理，鉸支座只有1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。為此，ANSYS模型中將鉸支座的水平與豎向剛度都設(shè)定為無(wú)限大。

2.2鉛芯橡膠支座

鉛芯橡膠支座由于造價(jià)相對(duì)較低，在實(shí)際工程實(shí)踐中的應(yīng)用相對(duì)較為廣泛，同時(shí)由于鉛本身的屈服應(yīng)力相對(duì)較小，在支座被完全填滿鉛棒的前提下，支座具備良好的耗能能力，能起到較高的減震效果。在結(jié)構(gòu)中，鉛芯橡膠支座也同樣會(huì)承擔(dān)水平地震力與豎向力。在ANSYS模型中采用Combine40單元來(lái)模擬支座的水平方向，采用Combine14單元來(lái)模擬支座的豎向，相關(guān)支座參數(shù)直接采用支座公司所提供的數(shù)據(jù)：支座屈服前的水平剛度為3.926×10N/m，屈服后的水平剛度為7.21×10N/m，支座阻尼為8.173 （kN·s）/m，支座屈服力則為42 kN。

2.3帶錨栓的板式橡膠支座

帶錨栓的板式橡膠支座具有較高的延性變形能力，能夠與廠房屋蓋的變形有效協(xié)調(diào)，并清晰傳遞水平力。帶錨栓的板式橡膠支座不僅具備較強(qiáng)的延性變形能力，同時(shí)也具有一定的阻尼，能夠使得結(jié)構(gòu)的變形更小。此外，在帶錨栓的板式橡膠支座內(nèi)部的錨栓與膠墊之間位移空間，在結(jié)構(gòu)不受水平地震力作用時(shí)，其剪切剛度與鉛芯橡膠支座無(wú)明顯差異性。在水平地震力作用下，結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生水平位移，支座內(nèi)部錨栓會(huì)擠壓膠墊的空間，從而導(dǎo)致支座內(nèi)部的空間閉合，支座的剪切剛度必將持續(xù)增大。根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，帶錨栓的板式橡膠支座相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)：豎向剛度為1.06×10 kN/m，在錨栓被擠壓占位膠墊之后支座的剪切剛度為3.58×10 kN/m，支座阻尼為3.57×10（kN·s）/m。

3自震周期分析

由于該廠房的長(zhǎng)度相對(duì)較長(zhǎng)，同時(shí)ANSYS的計(jì)算時(shí)長(zhǎng)相對(duì)較長(zhǎng)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，在本工程當(dāng)中選擇了該廠房的某一段進(jìn)行建模。由于該工程并不位于地震活躍帶，因此地震活動(dòng)并不活躍，所承受的地震力主要來(lái)自于強(qiáng)震地區(qū)的余震。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010（2016年版））的相關(guān)規(guī)定，該工程的抗震設(shè)防烈度為8度，并采用時(shí)程分析法對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析，地震反應(yīng)譜采用規(guī)范譜。為更真實(shí)的反映廠房的真實(shí)地震反應(yīng)，假定結(jié)構(gòu)在地震作用下的彈性模量為非地震作用下的1.5倍，阻尼比系數(shù)為0.05，在結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算中構(gòu)件截面尺寸計(jì)算所采用的地震荷載為其所對(duì)應(yīng)的地震烈度的35%。時(shí)程分析所采用的人工波波形，結(jié)果如圖1所示。

其中，圖1（a）為x向加速度時(shí)程，加速度峰值為0.084g;圖1（b）為y向加速度時(shí)程，加速度峰值為0.056g。

分別按照3種不同的支座形式建立3個(gè)不同的廠房有限元模型，并對(duì)3個(gè)模型進(jìn)行抗震計(jì)算分析，每個(gè)模型取前10個(gè)自振周期，具體計(jì)算結(jié)果如表1所示。

從表1的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，鉸支座的一階振型為0.627 3;鉛芯橡膠支座的自振周期為0.652 4;帶錨栓的板式橡膠支座自振周期則為0.678 2，周期依次增長(zhǎng)。這說(shuō)明隨著支座水平剪切剛度的逐步降低，結(jié)構(gòu)的整體剛度有所下降，結(jié)構(gòu)的自振周期也就由此不斷增長(zhǎng)，從而在地震作用下能夠降低結(jié)構(gòu)所承受的地震力，提升減震效果。

4不同支座方案的結(jié)構(gòu)位移與應(yīng)力分析

4.1結(jié)構(gòu)位移分析

如圖2中所示標(biāo)記出了該工程項(xiàng)目的8個(gè)典型節(jié)點(diǎn);對(duì)廠房左側(cè)的4個(gè)節(jié)點(diǎn)位移進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果如圖3所示。

從圖4的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，右側(cè)的節(jié)點(diǎn)位移變化與左側(cè)的規(guī)律基本相同。在廠房右側(cè)的各節(jié)點(diǎn)當(dāng)中，鉸支座的最大層間位移均值為43.87 mm，鉛芯橡膠支座的最大層間位移均值為30.56 mm，帶錨栓的板式橡膠支座為35.87 mm。對(duì)左、右側(cè)相同位置處的節(jié)點(diǎn)最大層間位移進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可以發(fā)現(xiàn)，左側(cè)節(jié)點(diǎn)位移要明顯高于右側(cè)位置的節(jié)點(diǎn)位移。但這主要是由于左、右側(cè)位置的壩基標(biāo)高存在一定差異，從而導(dǎo)致廠房柱子在左、右側(cè)置處的長(zhǎng)度存在一定差異，進(jìn)而柱節(jié)點(diǎn)位置的位移存在較大差異。

總之，從結(jié)構(gòu)位移的角度來(lái)看，鉛芯橡膠支座的減震性能最佳，帶錨栓的板式橡膠支座次之;鉸支座最差。

4.2支座變形分析

上文的研究認(rèn)為鉛芯橡膠支座的變形能力相對(duì)較高，能夠有效發(fā)揮減震作用。但需要注意的是支座的變形也必須要控制在合理的范圍之內(nèi)，否則必然會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失穩(wěn)、附加應(yīng)力等問(wèn)題。對(duì)3種方案的不同節(jié)點(diǎn)的柱頂變形進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，從中可以發(fā)現(xiàn)鉸支座與帶錨栓的板式橡膠支座的水平剪切剛度相對(duì)較大，柱頂位置的變形很小，均不足1 mm，支座位置的反力則相對(duì)較大。鉛芯橡膠制作雖然剛度較小，柱頂位置的變形較大（最高可達(dá)25 mm），但依然處于規(guī)范允許的范圍之內(nèi)，有效均衡了減震需求與應(yīng)變控制。

4.3排架柱應(yīng)力分析

從圖5可以發(fā)現(xiàn)，在不同支座方案中排架柱的頂部主拉應(yīng)力都相對(duì)較小，均不足0.1 MPa，但位于右側(cè)地區(qū)的排架柱柱底拉應(yīng)力要高于左側(cè)地區(qū)。由此可見(jiàn)，在地震力作用下，右側(cè)地區(qū)的柱底存在著較大的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。此外，從圖5中還可以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)鉛芯橡膠支座模型中排架柱基本處于相對(duì)安全的狀態(tài)。鉸支座由于水平與豎向剛度相對(duì)較大，并不會(huì)發(fā)生彈性滑移，為此主拉應(yīng)力相對(duì)較大，這也是鉸支座容易出現(xiàn)金屬疲勞損傷的重要因素。

5結(jié)語(yǔ)

本文以某廠房為例構(gòu)建了3個(gè)不同支座類(lèi)型的分析模型，并進(jìn)行了有限元計(jì)算分析。

（1）鉸支座具有較大的水平與豎向剛度，在豎向靜載荷作用下能夠發(fā)揮出較大的承載力;但在地震作用下，鉸支座只具備一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，結(jié)構(gòu)只能發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，排架柱的柱頂位移相對(duì)較大，同時(shí)鉸支座中排架柱的頂部與底部拉應(yīng)力也相對(duì)較大。因此，鉸支座在廠房減震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用效果并不理想;

（2）帶錨栓的板式橡膠支座模型中，排架柱的最大層間位移處于其他2種支座方案的中間;

（3）在水平地震力作用下，3種支座形式適應(yīng)剪切變形的能力有所差異，鉸支座與帶錨栓的板式橡膠支座剪切剛度較大，無(wú)法有效釋放支座處反力。鉛芯橡膠支座的剪切變形較大，能夠有效釋放水平地震力所造成的應(yīng)力集中，從而達(dá)到減震設(shè)計(jì)目標(biāo)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]歐陽(yáng)金惠，耿峻，許亮華，等.某大型抽水蓄能電站廠房強(qiáng)烈振動(dòng)原因分析與減振措施研究[J].水利學(xué)報(bào)，2019，50（8）：1 029-1 037.

[2]汪志昊，陳銀，胡明祎，等.機(jī)器擾力作用下某廠房樓板豎向振動(dòng)與TMD減振研究[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2019，32（6）：986-995.

[3]蔣亞強(qiáng)，王良偉，鐘波，等.真實(shí)火災(zāi)下單層門(mén)式剛架抗倒塌性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2020，41（4）：51-58.

[4]周穎，胡擎，張丹.黏滯阻尼墻力學(xué)模型及其減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究[J].地震工程與工程振動(dòng)，2018，38（4）：1-8.

[5]蘭香，潘文，白羽，等.基于支撐剛度的消能減震結(jié)構(gòu)最優(yōu)阻尼參數(shù)研究[J].工程力學(xué)，2018，35（8）：208-217.

[6]劉文光，閻美智，于維欣，等.黏彈性阻尼器減震結(jié)構(gòu)基于位移減震域的設(shè)計(jì)方法[J].振動(dòng)與沖擊，2018， 37（13）：8.

[7]梅真，郭子雄，侯煒，等.隨機(jī)地震動(dòng)下粘滯阻尼減震結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，53（5）：115-125.

[8]曲激婷，宋全寶.基于向量式有限元的黏滯阻尼減震結(jié)構(gòu)抗豎向連續(xù)倒塌動(dòng)力反應(yīng)分析[J].地震工程學(xué)報(bào)，2019，41（6）：1 432-1 439.

[9]展猛，王社良，趙云.干式空心電抗器模型結(jié)構(gòu)減震控制試驗(yàn)及數(shù)值分析[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2020，33（1）：179-187.