试论西南煤机电高层工业厂房抗震性能及其设计方法

随着经济快速发展,能源短缺越来越严重, 为了使国家能顺利实施煤炭发展规划, 为了提高能源的使用效率, 根据《建筑工程抗震设防分类标准》，有必要分析煤气化高层工业厂房抗震性能，应符合所建地区抗震设防烈度的要求，对西南煤机典型煤气化高层工业厂房, ,应符合比9度抗震设防更高的要求。

一、西南煤机电工程概况与计算方案

（一）工程概况

本项目建设场地位于贵州省六盘水市，原为山脊和丘陵段，地势起伏大，现已开挖平场，场地基本平整。抗震设防烈度均为6度。西南天地煤机装备制造有限公司建设中，其第一联合厂房为门式刚架结构，电镀车间厂房为钢筋混凝土排架结构，第二联合厂房为门式刚架结构，成品库主体结构为刚结构，厂房在形体设计上尽量保持了工业厂房的基本特征，本项目属于大型工业项目，子项较多，涉及工艺复杂。

设计基本地震加速度为0.15g，厂房主设备为气化炉及合成气冷却器, 主设备采用三点支承于厂房结构上, 恒力支吊架是一种承载力不变,或将承载力限制在一定范围内变动的管道支吊装置。

（二）计算模型

分析西南煤机电煤气化厂房结构与设备动力相互作用性能, 排除设备与结构相互作用时，在实际使用时考虑其厂房的地震效应差别，我们在这里有几个计算模型可以考虑。第一种模型就是人们比较熟悉的传统厂房结构分析模型,也就是可以非常简单地把主设备简化成厂房结构上的荷载；第二模型是在传统的基础上把主设备进行简化，改为支撑在地面上的设备；第三种形式的模型是把主设备进行有效简化，做为厂房结构构件之一，这种模式最好，它充分考虑了主设备与厂房结构相互作用。

（三）地震记录选取

地震记录千差万别,每个记录都有各自的特性,得根据不同的实际情况，不能仅凭一条地震波的计算结果就下定论，本文重点分析水平地震, 对煤气化厂房进行抗震性能研究, 本文用地震波处理软件得到加速度标准反应谱，通过迁安波水平分量加速度标准反应谱、Cape波水平分量加速度、El Centro 波水平分量加速度、Taft波水平分量加速度、Newhall波水平分量加速度、天津波水平分量加速度标准反应谱。

二、有限元建模与求解

用ANSYS建立西南煤机电煤气高层工业厂房关于其建筑的三维有限元建模, 包括实体单元模型和杆系单元模型，分析究设备与结构的相互作用, 实体单元模型多用于分析独立的构件, 主要单元特性包括三维线弹性锥化非对称梁单元, 用于模拟钢筋混凝土实体模型的单元, 具有非线性功能的单轴弹簧单元, 用来表达与接触单元相联系的目标面。

进行线弹性分析时,采用相应的规则，定义密度、泊松比、阻尼比和弹性模量；屈服准则描述材料屈服其各应力满足一定条件，强化准则描述初始屈服准则随塑性应变增加所产生的变化。流动准则描述发生屈服时塑性应变方向。

西南煤机电厂房中各结构构件的材料参数包括混凝土梁、柱,厚板混凝土；钢梁、柱，钢支撑,对

拉螺杆。设备，厚板纵向受拉钢筋，刚性垫片以及恒力吊。设备的混凝土厚板固定支座, 混凝土本构关系由三维模型简化一维模型, 钢材和钢筋具有很好的均匀性。

进行单元选取、实常数设置和材料模型建立, 在单元形状打开后绘图开始有限元建模工作。进行厂房主结构建模，有限元建模不考虑楼板。主设备建模考虑自身质量和附加质量，次设备建模建立节点,连接节点生成次设备单元，刚性垫片与楼面支承梁之间进行节点藕合。主设备与主结构的连接节点是建模的重点和难点，恒力吊是一种特殊制作的弹簧,我们采用采用Combine39视为理想弹塑性材料, 可以方便的模拟恒力吊的工作，为主设备提供了特殊的约束。模拟恒力吊节点的实际工作情况, 模拟设备与厚板的连接, 采用承压型高强螺栓, 考虑自由度祸合与约束方程。

三、模态分析和地震方向及相互作用

用ANSYS对三种计算模型进行模态分析, 取前9阶振型计算，其中模型二中设备与结构的相互作用对厂房周期效果最大，厂房第1阶振型以主设备的振动为主，厂房各阶周期下降较缓慢。ANSYS模态分析后,根据设备与结构的相互作用提取厂房各个方向的振型参与系数，使厂房的高阶振型的参与系数增大, 考虑主设备相互作用后,主振型向高阶偏移，主设备与结构的相互作用对其动力性能作用最大。

水平地震方向与厂房结构成一定的角度, 对主结构反应进行分析，在水平X向地震下, X方向地震最大, 对主结构地震反应的影响最大。设备与结构相互作用对主设备地震反应表现 为在X方向是最强。

四、地震动参数对相互作用的影响

不同场地特征周期对厂房主设备与结构在不同的方向上，对厂房主设备与结构的相互作用有影响，要进行线弹性时程分析, 选取主结构顶层质心的水平位移、以及它所处的底部水平剪力绝对最大值,还有就是它的主结构层间位移值最大值，再有就是相应的标高两个节点水平位移绝对最大值进行实验，我们发现，主结构的顶层质心水平位移绝对最大值在相关公式计算下，随着场地特征周期界的增大；在相同场地特征周期条件下,采用不同的计算模型，计算结果有差异，但都相互作用改变了峰值和相位。

我们将主结构的层间位移最大值进行分析，根据《建筑抗震设计规范》，随场地特征周期增大而增大, 由位移角限值可以计算得到规范限值曲线。厂房混凝土框架结构的侧移曲线为剪切型, 在坚硬和中等场地上,层间位移满足要求，底部的层间位移最大, 建议在软弱场地上建造西南煤机电煤气化厂房时, 为了安全起见，要加强混凝土框架结构的层刚度,换句话说，在进行设计时要考虑整个厂房都用钢结构建造，可以增加更多的钢支撑。为了对比相互作用对同一楼层不同点影响，大部分地震波作用下,考虑相互作用后，选取相应标高两个节点水平位移绝对最大值，靠近主设备的节点的位移减少幅度大,根据相应公式计算，相互作用改变了峰值,也改变了相位。

对固定支座处的加速度对比分析，主设备顶点水平位移对比分析，主设备固定支座水平剪力对比分析，当不考虑相互作用的影响时, 主设备顶点的水平位移偏小,同等条件下相关的主设备固定支座峰值加速度以及它所涉及到的水平剪力也会在相应条件下随场地特征周期的变化有增有减,当然，这都要依照其建筑设计而定。

当恒力吊轴力达到最大轴力值时,我们就可以将研究进入到塑性阶段,这时要考虑到恒力吊将消耗地震能量。我们可以采用计算模型进行计算，选择合适的地震波对恒力吊进行耗能分析，并绘出相应的图表可得知，恒力吊的耗能存在滞后现象，恒力吊具有一定的耗能减震作用，恒力吊的耗能与其支撑条件有关，恒力吊耗能与地震输入能量相比,所占分量很小。在坚硬场地上基本保持弹性, 恒力吊要改变重力作用下的变形,其钢箱梁的运动减弱了恒力吊的耗能作用，恒力吊较少进入塑性,所以耗能小。恒力吊的滞回曲线随着地震峰值加速度的增大变得饱满，随着地震峰值加速度的增大而增大，与地震输入能量相比,所占分量较小。

在强震作用下,混凝土主梁的梁端会产生塑性铰，主梁塑性铰的滞回曲线越饱满,它所表现出的耗散地震能量越大，说明相互作用减小了主梁塑性铰的发展。

五、设备参数对相互作用的影响

根据西南煤机电工程实际情况,其中所拥有的设备工作状态有几种，随着主设备质量的增大,计算机模型的各阶周期增大，主设备质量对厂房高阶振型的影响不能忽略。地震时程分析后,选取主结构顶层质心的相关参数进行研究。结果发现，主设备质量越大,主设备地震效应越小。

西南煤机电厂房中的次设备众多,为了简化分析，煤气化厂房中,除了主设备之外, 选取其中有代表性的次设备研究。考虑主次设备同层、异层等情况, 设备的质量均取操作质量，而且分析发现，次设备的相互作用会影响主结构和主设备的地震作用, 次设备相互作用对主设备地震效应有影响，设备不同的工作状态,质量不同,其结果也不同。主设备在所有备的相互作用中起主要地位。因此设计时要考虑主设备的地震反应最小,考虑在主设备上安装耗能器, 耗能减震器的种类有很多, 考虑耗能装置的力学特征，考虑周围环境的影响，要避免主设备上产生应力集中，有必要保护主设备,以起到改善抗震性能的作用。

参考文献：

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2、杨溥等.结构时程分析法输入地震波的选择控制指标.土木工程学报,2000.3(6)

3、王呼佳等.ANSYS工程分析进阶实例.中国水利水电出版社,2006.11