考虑工业高位储仓设备与主体结构相互作用的地震响应分析.pdf
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1、Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting2023Vol.45,No.3eSEarthquakeResistant EngineeringgandRetrofittingJun.20232023年6 月Vol.45,No.3第45卷第3期工程抗震与加固改造D0I:10.16226/j.issn.1002-8412.2023.03.007文章编号1002-8412(2023)03-0051-09D0I:10.16226/j.issn.1002-8412.2023考虑工业高位储仓设备与主体结构相互作用的地震响应分析蒲瑞,戴靠山1,2.3,王健
2、泽,周裕洲*,石宵爽1,2,3(1.四川大学土木工程系,四川成都6 10 0 6 5;2.深地科学与工程教育部重点实验室,四川成都6 10 0 6 5;3.破坏力学与防灾减灾四川省重点实验室,四川成都6 10 0 6 5;4.彭州市住房和城乡建设局,四川成都6 119 30)【提要工业重型储仓因其存储量大、密封性好等特点在工业建筑结构中有广泛的应用。由于工业储仓相比结构总重占比较大,依托在地震作用下重型储仓与主结构发生相互作用。本文选取一高架式燃煤储仓作为研究对象,将储仓按简化荷载方式与精细化建模方式分别建立简化荷载模型与设备-结构一体化模型,研究了储仓与主结构相互作用对主体结构地震效应的影响
3、。选取7 条与设计反应谱匹配的地震波以开展动力时程分析,分析中考虑了单向输入与双向输人两种情况,对比了两类模型中主结构最大基底剪力、层间位移角分布,以及支承层局部构件内力的结果。分析结果表明简化荷载模型与设备-结构一体化模型在基底剪力与层间位移角等整体响应指标上的差异较小,最大相对差异不超过10%;在局部支承层结构构件及储仓支座反力的地震效应上差异较大,最大相对差异超过6 0%。受储仓晃动的影响,在单向与双向地震动输人下,一体化模型支座反力分别是简化模型的1.34倍和1.46 倍。相比荷载简化模型,忽略重型储仓的空间晃动会低估主体结构梁、柱、支撑构件的地震效应,导致设计不安全。【关键词重型储仓
4、;设备-结构相互作用;工业结构;工业设备;地震响应分析中图分类号TU271.1【文献标识码 Aeismic response analysis considering the interaction between high-level industrial siloquipment and the main structurePu Ruil,Dai Kao-shan3,Wang Jian-e,Zhou Yu-zhou,Shi Xiao-shuang-8(1.Department of Civl Engiering,Sichuan University,Chengdu 610065,China
5、;2.Key Laboratory of Deep Underground Science and Engineering,Ministry ofEducation,Chengdu 610065,China;3.Failure Mechanics and Disaster Prevention and Mitigation Key Lab of Sichuan Province,Chengdu 610065,China;4.Pengzhou Housing and Urban-Rural Development Bureau,Chengdu 611930,China)Abstract:Indu
6、strial heavy silos are widely used in engineering because of their sound storage capacity and airtightness.The dynamicinteraction between the heavy silo equipment and the supporting structure can not be ignored if the silo accounts for a large part of theweight of the whole structure.In this paper,a
7、 coal-fired industrial building housing-an elevated storage silo is selected to bestudied.Two modeling approaches for silo equipment are considered,which are denoted as the simplified equivalent-loading model andequipment-structure integrated model.The former is used to consider the loading effect o
8、f the silo,while the latter is taken to considerthe equipment-structure interaction.The influence of such dynamic interaction on the seismic effects of the structure is studied.Sevenground motion records that match the acceleration design response spectrum are selected and dynamic response history a
9、nalysis areperformed accordingly.Two cases of using unidirectional input and bi-directional input are considered.The resulting maximum baseshear force of the main structure,the story drift profile with the height,and the force demands in the supporting structural componentsand reactions at the suppo
10、rts of the two types of models are compared.The analysis results showthat the difference in responseindicators of base shear force and story drifts between the simplified equivalent-loading model and the equipment-structure integrated收稿日期2021-12-13基金项目国家自然科学基金(518 7 8 42 6);四川省科技项目(2 0 2 0 JDGD0035)
11、;成都市科技项目(2 0 19-GH02-00081-HZ);中央高校基本科研业务费(2 0 8 2 6 0 41E4193)Earthquake Resistant EngineeringandRetrofittingJun.2023522023年6 月工程抗震与加固改造model are slight,and the maximum difference is smaller than 10%.In contrast,the relative differences in the force demands ofstructural components and reactions of
12、supports are as large as 60%.Induced by rocking motions of the silo,the reaction forces ofsupports for the integrated model are 1.34 times and 1.46 times that of the simplified equivalent-loading model under unidirectional andbidirectional inputs,respectively.The analysis results also demonstrate th
13、at the ignorance of rocking motions for the heavy silo wouldsignificantly underestimate the seismic demands in structural components.Keywords:heavy silo;equipment-structure interaction;industrial structure;industrial equipment;seismic response analyisE-mail:purui 重型储仓是工业建筑结构中最为常见的生产设备之一1,例如火电厂房中的煤斗,
14、化工中的储液罐、储气罐等。这些重型储仓设备由于其造价昂贵、重量较大,保障正常有序的工业生产工艺工作,地震灾害下一旦发生破坏将会导致生产功能中断,造成巨大的经济损失。因此,需对该类工业结构采取合理的分析模型,并对重型设备与主结构连接支座及支承构件保障准确有效的抗震计算与设计。在过去的研究中,陈岩2 在ANSYS中建立了集中质量模型和三维实体模型对主厂房进行对比分析。戴靠山等3 采用Perform3D对火电主厂房建模时,将煤斗和设备等效成荷载质量源的形式作用在对应从属节点上。刘林4 对少墙型钢混凝土框架结构体系大型火电厂房采用ABAQUS精细化建模。根据已有相关文献的研究可以发现,工业储仓该类非结
15、构构件与设备在有限元模拟中主要采用凝聚质量法和精细化建模两种方式,凝聚质量法是将设备总质量分配至连接节点上的从属点,而精细化建模则是考虑储仓物理特征并与主体结构同步建模分析。精细化建模是一种最接近结构真实响应的建模方式,但具有建模周期长、步骤繁琐的缺点。因此,实际工程实践中多采用等效荷载的方式进行设计分析。然而,对忽略设备-结构相互作用的等效荷载模拟方式,其有效性过去得到学者们的研究讨论。牛彦俊等5 通过分析一钢板仓倾斜事故得出结论,在设备使用过程中,储仓主要构件连接节点容易发生损伤,导致其在地震作用下更容易发生破坏。文波等 通过研究楼板与电气设备相互作用得出结论,在弹塑性阶段采用等效荷载的方
16、法来处理大质量设备是偏于不安全的。朱丽华等7 认为在传统结构抗震设计方法中,简化荷载法不能精确反应实体设备与结构之间的动力作用,有必要将结构与设备作为耦合系统来分析地震响应。李德生等8 总结中美规范中对大质量比非结构构件计人抗震设计分析条件,发现两者在规定上有较大的差异。多数文献指出当设备质量较大时,可能会导致设备与主结构间产生不可忽略的相互作用,使简化模型与一体化模型之间呈现较大差异。尽管设备与主结构的质量比与频率比是影响相互作用的主要因素,本文关注的高位重型储仓的主要周期在0.0 3 0.2 1s之间,而结构的主要周期在0.4 1.6 s之间,与上述论文中研究的设备相比,其相互作用主要受质
17、量比的影响。以往大多数学者主要关注相互作用对结构整体响应指标的影响,本文对支承重型设备的相关局部构件进行了分析研究。采用ANSYS建立了荷载简化模型、设备-结构一体化模型,考虑了3种不同装载量情况,以及单向与双向地震输人的2 种激励工况。为探究设备-结构相互作用对动力响应的影响,首先,对比了整体地震响应指标;随后,根据储仓晃动特性,重点分析储仓与主结构连接处支座的局部响应指标以及储仓支承层构件内力的响应;最终,基于分析结果讨论设计建议。1工程概况与有限元建模分析1.1工程概况本文研究对象为一高架式燃煤储仓,如图1所主结构钢框架F九层3八层储仓3七层支承层888t8六层五层1818四层8.83三
18、层二层SO1一层ThTTT/TTlT1410X-Z截面框架Y-Z截面框架X图1储仓与主结构Fig.1Schemes for the silo and supportng structureEarthquake Resistant Engineering and RetrofittingVol.45,No.3202353瑞,等:考虑工业高位储主体结构相互作用的地震响应分析蒲第45卷第3期示。主体结构为支撑-框架结构,外部钢框架沿X-Y方向长度为14m10m,高度为6 5.8 m,底层柱脚与地面采用刚性连接。主要尺寸与构件截面信息如表1所示,柱截面以H7208505090为例,表示截面类型为H型钢
19、截面,截面总高度为7 2 0 mm,翼缘宽度为8 50 mm,腹板宽度为50 mm,翼缘厚度为90mm。支撑截面以HSS23023012为例,表示截面宽度和高度均为2 30 mm,板厚为12 mm的方形钢管。储仓上部圆筒高2 5.5m,内径为8.8 m,下部漏斗高9.2 m,总容积为17 16 m。储仓贮料计算高度与圆筒内径之比大于1.5,根据钢筒仓技术规范(G B50 8 8 4-2 0 13)【9 的定义属于深仓。主结构与储仓通过固定支座连接,连接位置位于离地面高31.4m处。根据建筑抗震设计规范(CB50011-2010)【10 1进行抗震设计,设计地震地面峰值加速度(PG A)为0.3
20、g,所在场地为III类,地震分组为第二组。表1主结构构件信息Tab.1The component geometry information for the main building structure层号层高(m)柱截面(mm)X-Z截面支撑(mm)Y-Z截面支撑(mm)110.5H7208505090HSS230230 x12HSS2032031524.5H7208505090HSS230 x230 x12HSS152152x1533.5H7208505090HSS17817815HSS1521521548.1H7208505090HSS17817815HSS1781781254.8H72
21、08505090HSS15215212HSS1781781564.8H6006003660HSS15215212HSS17817815713H6006003660HSS20320312HSS2032031589.5H4805402440HSS17817812HSS1781781597.1H4805402440HSS15215212HSS152152121.2有限元建模本文考虑2 种不同的建模方式,一种是将储仓简化为荷载进行考虑,另一种是采用精细化建模方式。采用ANSYS建立两类有限元模型,为方便后文描述,分别简称为“简化模型”见图2(a)与“一体化模型”见图2(b)。两类模型中,主体结构与储仓
22、均采用Q345钢,材料密度取8 0 0 0 kg/m,弹性模量取2 0 0 0 0 0 MPa,泊松比为0.3。材料非线性采用双线性等向强化模型,屈服后刚度比为1/10 0。在ANSYS中计算时开启LargeDeflection考虑大震下结构的几何非线性。有限元模型中,梁、柱、支撑均采用Beam188单元模拟,结构质量通过Mass21单元施加,储仓与主结构通过点焊方式建立Mpc184单元连接1。如图2(a)所示,在简化荷载模型中,不考虑仓体与钢框架的相互作用,将煤斗简化为8个作用在煤斗和钢框架连接处的质量点。如图2(b)所示,在设备-结构一体化模型中,考虑储仓与钢框架的相互作用,将储仓完整建立
23、到主结构模型中。储仓中煤的质量是通过等效到每一层壳单元的形式施加,仓壁采用Shell181单元模拟,储仓外部设有加劲肋,加劲肋采用Beam188单元模拟,加劲肋与仓壁采用刚性连接。为研究装载量变化对结构响应和晃动程度的影响,三类模型都设有2 5%装载量、50%装载量、8 0%装载量,储仓总重分别为52 4t、1048t,1677t。集中质量附加质量18 3t梁附加质量350 t/Beam188柱Shll181单元Beam188支撑储仓支撑点连接Beam188附加质量16 2 3tpointmass附加质量39 5t(mass 21)Mpc184单元附加质量57 t(a)简化模型(b)一体化模型
24、图2结构有限元模型Fig.2Finite element models of the industrial structures2地震动选取与时程分析设定根据建筑抗震设计规范(GB50011-2010)10确定加速度设计反应谱作为目标谱,在PEER-NGA网站上选取7 条与设计地震强度反应谱匹配的地震动,且按设计地震强度开展时程分析。选取地震动与目标谱的匹配情况如图3所示。3结构模态及振型分析对3个不同装载量(2 5%50%、8 0%)下的简化Jun.Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting202354工程抗震与加固改造2023年6 月
25、1.5一目标谱-7条地震波反应谱均值1.00.500246周期(s)图37 条地震波反应谱均值与目标谱匹配结果Fig.3 Average spectra of the selected ground motionsand thedesign spectrum模型和一体化模型进行模态分析,前三阶自振周期如表2 所示。两类模型在2 5%装载量与50%装载量下的一阶模态周期差异较小,最大差异仅为0.4%,而在8 0%装载量下的一阶模态周期最大差异增大至5.3%。虽然两类模型的振动频率有所差异,但前三阶振型都相同。简化模型中,储仓重量的变化是通过改变质量从属节点的质量值的方式,而一体化模型则是模拟了储
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