基于SMA橡膠復合支座的高聳化工塔隔震分析

摘 要：針對高聳化工塔設備在地震載荷作用下的振動響應問題，應用SMA橡膠復合支座對地震載荷作用下的高聳化工塔設備進行動態響應分析，探索方案的可行性及其減震效果。研究表明，SMA橡膠復合支座對高聳化工塔設備有很好的隔震作用。

關鍵詞：高聳化工塔；地震響應；SMA復合橡膠支座

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

1 SMA橡膠復合支座構造及工作原理

文章采用的SMA橡膠復合支座[3]兼有耗能和復位功能，其結構簡圖如圖1所示。SMA拉索交叉對稱的分布在橡膠支座的四個側面，SMA拉索的兩端固定在支座的外聯結鋼板上，拉索施加3%的預應變。

在正常使用載荷下，SMA橡膠復合支座具有足夠的初始剛度可以抵抗振動產生的側向變形，此時SMA拉索處于彈性階段工作狀態。在強震作用下，橡膠通過自身的剪切滯回變形消耗能量，同時SMA拉索發生加卸載交替變化，未經預拉伸的拉索進入彈塑性變形和超彈性變形階段，產生通過原點的滯回曲線；經過預拉伸的拉索發生超彈性變形，形成飽滿的滯回曲線，消耗振動產生的能量。通過對預應變SMA拉索和橡膠支座滯回曲線的疊加得到復合支座的滯回曲線，為SMA橡膠復合支座在高聳化工塔設備隔震領域的應用提供論基礎。

2 動力響應分析

3 數值模擬

由于高聳中壓閃蒸塔的內部結構較簡單，且壁厚相同，為了研究方便，文章將其簡化為10個集中質量的多自由離散體系，該塔尺寸及材料參數[4]為：內徑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參照文獻[5]。采用的地震波選取Taft地震波，時間步長為0.02s，輸入地震波持續時間為16s。

為了使SMA橡膠復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，設計三個SMA橡膠復合支座均勻的安置在高聳塔設備的底部。

基于結構動態響應原理，對安裝有SMA橡膠復合支座的地震響應進行動態分析，探索SMA橡膠復合支座對高聳化工塔地震響應的控制效果。圖2和3分別為高聳化工塔中間第五個質點和塔頂第十個質點在有控和無控狀態下位移響應曲線。為了驗證MATLAB數值模擬結果的準確性，利用ANSYS軟件計算的高聳化工塔無控狀態下的地震響應曲線也一并給出。

從圖2中可以看出，MATLAB數值模擬結果與ANSYS軟件計算結果很接近。在Taft地震波作用下，高聳中壓閃蒸塔設備中部第五個質點在無控狀態下的峰值為38.15mm，安裝SMA橡膠復合支座的高聳中壓閃蒸塔設備的中部第五個質點位移峰值達到15.27mm，位移減震率達到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第十個質點在無控狀態下的峰值達到了57.17mm，安裝有SMA橡膠復合支座的高聳中壓閃蒸塔設備的位移峰值達到25.807mm，位移減震率達到54.85%。

圖4為SMA橡膠復合支座在地震載荷作用下的回復力滯回曲線，由圖可以看出，隨著支座振幅增大，支座回復力也相應增大，最大回復力達到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 結束語

通過對應用SMA橡膠復合支座的高聳化工塔進行了地震響應分析表明，高聳化工塔設備的位移響應明顯減小，SMA橡膠復合支座對高聳化工塔設備有很好的隔震作用。

參考文獻

[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.基于耗能復位SMA-橡膠復合支座的橋梁隔震理論研究[D].河北工業大學，2009.

[4]郝偉.高聳石化設備阻尼減振技術研究[D].北京：北京化工大學，2012.

[5]孫雙雙.SMA復合結構的熱粘彈性分析及SMA的偽彈行為研究[D].上海：上海交通大學，2003.

作者簡介：呂梅（1988-），女，山東濟南，漢族，青島科技大學工程碩士，工程力學專業，主要研究智能材料與結構力學性能。