水泥廠窯尾鋼框架結構地震響應分析及優化

王慶江

水泥廠窯尾鋼框架結構地震響應分析及優化

王慶江

目前國內針對強震作用下的窯尾框架結構的研究較少，也沒有規范或規程作為設計依據。隨著窯尾框架結構在高烈度區域的陸續建設，考慮到窯尾框架的特點，有必要對窯尾框架抗震性進行深入研究。本文以某建成的9度抗震設防的5 000t/d新型干法生產線窯尾鋼管混凝土框架為對象，以層間位移角、層間位移和頂層位移為地震響應指標，利用有限元軟件LS-DYNA對其在地震作用下的彈塑性時程進行分析。結果表明，該窯尾框架結構具有良好的抗震性能，豎向地震作用對結構的影響不可忽略，在罕遇地震作用下結構變形滿足相關規范的要求，結構抗震性能具有較大冗余度。最后，基于結構的地震響應對結構進行了優化設計。

窯尾框架結構；地震響應；彈塑性；時程分析；抗震性能；優化

水泥廠窯尾框架結構具有高柔結構的特點，而國內尚無針對此類結構設計的規范或規程，目前國內針對高烈度地區水泥廠窯尾框架結構的研究較少[1-3]。本文以某建成的9度抗震設防的5 000t/d新型干法水泥生產線雙系列水泥窯尾鋼管混凝土框架為研究對象，采用數值模擬的方法，對其進行地震響應分析，并且基于地震響應分析結果對結構體系進行優化。

1　工程概況

該水泥廠窯尾鋼框架結構的平面尺寸為25.5m× 16.0m，高88.6m，共8層，平面結構如圖1所示。結構采用鋼管混凝土框架-支撐體系，其中柱采用內填C40混凝土的圓鋼管混凝土柱，鋼梁采用H型鋼梁，柱間支撐采用圓鋼管，樓板采用5mm厚花紋鋼板，間隔550mm設置加勁肋一道，鋼材選用Q345鋼，主要構件截面尺寸如表1所示。結構處于Ⅱ類場地，設計地震分組為第二組，場地特征周期Tg=0.40s，抗震設防烈度為9度，設計基本地震加速度為0.40g。

表1　主要構件截面規格*

圖1　結構平面圖

2　結構分析計算

采用有限元分析軟件LS-DYNA進行結構地震響應動力彈塑性時程分析。選取2條適合于Ⅱ類場地的天然地震動記錄Taft波、Michoacan波和1條人工模擬地震波，并對其進行峰值調幅，持續時間40s[4-7]。

2.1結構最大層間位移角和層間位移

結構在地震作用下X向層間位移角包絡線如圖2所示。第三、四層和第七層的層間位移角約為相鄰層的1.1倍，原因是結構第四層無樓板，第七層有多處較大面積的開洞。從結構的層間位移角與GB50011-2010《建筑抗震設計規范》限值的比較來看，結構設計具有相當的冗余度。圖3為結構層位移包絡線，其具有典型剪切變形的特點。3條地震波下的最大位移包絡線有一定的差別，以頂層為例，Taft波作用下的結構頂層最大位移約為Michoacan波作用下最大位移的1.1倍。

圖2　結構X向層間位移角包絡線

圖3　結構X向位移包絡線

2.2結構頂層地震響應

結構頂層位移時程曲線、加速時程曲線分別如圖4、圖5所示，由圖可知：

圖4　不同地震作用下結構頂層位移時程

（1）結構位移響應與地震波輸入能量有關，采用輸入能量較大的人工波和Michoacan波時，結構位移響應更劇烈[8-11]。Taft波、Michoacan波和人工波作用下結構位移響應最大值分別為791.2mm、628.4mm和731.4mm。

（2）加速度響應時程與輸入波形相似，由于阻尼作用，加速度響應峰值時刻與地震波幅值相比有一定的滯后[9-12]。Taft波、Michoacan波和人工波作用下結構加速度響應最大值分別為990.5cm/s2、1 106.3cm/s2和1 187.3cm/s2，分別出現在5.56s、27.46s和15.87s。

2.3豎向地震作用對結構地震響應的影響

圖5　不同地震作用下結構頂層加速度時程

圖6為Taft波作用下考慮豎向地震作用和不考慮豎向地震的情況下結構角柱A1和A3（A1、A3分別表示位于結構A軸與1軸、A軸與3軸相交處的柱，下文同）的軸力包絡圖，考慮豎向地震作用下角柱A1、A3的軸力均高于不考慮的情況，角柱A1頂層柱軸力相差約50%，底層相差約5%，角柱A3頂層柱軸力相差約100%，底層相差約5%，豎向地震作用顯著增大了上層結構柱軸力，對底層結構的影響較小。

因此，高烈度區域的窯尾鋼框架結構抗震分析過程中必須考慮豎向地震的影響。

3　基于地震響應的結構體系優化

圖6　Taft波作用下角柱軸力包絡圖

受到工藝流程和設備安裝的限制，目前建成投產的5 000t/d新型干法水泥生產線窯尾結構形式單一。本文分析表明，該窯尾結構承載力和抗震性能具有相當的冗余度，有必要對現結構體系進行優化，以實現安全、經濟、高效的設計目標。通過對結構桿件內力、柱腳節點反力的分析，參考非抗震區域窯尾框架的結構體系形式，在保持現有柱網、結構層高不變的前提下，建議采用以下兩種優化方案：方案一，抽去邊榀中柱A2、D2；方案二，保留1～5層的A2、D2柱，僅抽去6～8層的邊榀中柱A2、D2。優化方案如圖7所示。

圖7　優化方案示意圖

3.1優化方案層間位移角

圖8為Taft波作用下兩種優化方案結構與原結構X向層間位移角的比較。由圖8可見，上述兩種方案均能滿足GB50011-2010《建筑抗震設計規范》對罕遇地震作用下結構層間位移角的要求[13]。方案一在結構第四層存在剛度突變，表現為層間位移角包絡線的突變，說明邊榀中柱對僅布設外圍框架梁結構的第四層樓層剛度影響很大，在結構優化時為了保證結構剛度沿高度方向的連續性，結構四層及以下不可以去除邊榀中柱；方案二建議的結構底層層間位移角減小，上部層間位移角增大，結構最大層間位移角1/80，小于原結構的層間位移角。

圖8　優化方案層間位移角對比

3.2優化方案X向頂層位移

圖9為Taft波作用下兩種優化結構與原結構頂層X向位移時程的比較。從圖9可以看出，在t=16s的峰值處三者之比約為1：1.19：1.09，在t=24s的峰值處三者之比為1：0.82：1.08，方案一和方案二的頂層位移均大于原結構，三者位移波動趨勢相同，說明撤去部分中柱或者全部中柱不會對原結構的動力特性有明顯的改變。

圖9　優化方案結構頂層X向位移時程

圖10　不同方案A1柱軸力包絡圖

3.3優化方案柱軸力包絡圖

圖10、圖11為兩種優化方案和原結構下柱A1和柱B2軸力包絡圖的比較。由圖可知，邊榀中柱對于同榀框架相鄰柱的軸力的影響趨勢是一致的，即兩種優化方案各層柱的軸力均大于原設計，且方案一的包絡值大于方案二，但是沿柱高的變化并非等值，撤去部分柱或全部柱對A1、A3柱底層的影響大于上層。

圖11　不同方案B2柱軸力包絡圖

4　結語

5 000t/d新型干法水泥生產線工程窯尾鋼管混凝土框架結構抗震性能分析表明：

（1）結構具有良好的抗震性能，罕遇地震作用下結構變形滿足相關規范的要求，結構抗震性能具有較大冗余度。

（2）豎向地震作用增大了豎向承重構件的地震響應，對結構上部的影響遠大于結構下部，高烈度區域的窯尾鋼框架結構抗震分析過程不可忽略豎向地震的影響。

（3）通過比較兩種優化方案，方案二不僅滿足抗震設計要求，保證了結構剛度的連續性，具有較好的抗震性能，而且較原結構更加經濟。

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[13]GB50011-2010建筑抗震設計規范[S].■

Seismic Performance Analysis and Optimization of Preheater Tower Steel Structure in a Cement Plant

WANG Qingjiang
(Tianjin Cement Industry Design and Research Institute Co.,Ltd.，300400)

So far,researches on preheater tower structures under the action of severe earthquakes in our country are not enough and no specification or code can be used as the basis for its design.Taking the constructions of the preheater tower structures in high seismic areas and its characteristics into consideration,it's necessary to conduct in-depth researches about the seismic performance of the preheater tower.This paper takes a con?crete-filled steel tube frame which works as preheater tower structure of a 5 000 t/d NSP cement production line located in a 9 degree seismic fortification area as a research object,and study the elastic-plastic time history analysis under the seismic action with the finite element software LS-DYNA.The results show that the structure system has good seismic behaviour;Under severe earthquake,the deformation of structure can meet the require?ments of the relevant specification;Structural seismic performance is with large redundancy and the influence of the vertical earthquake action to the structure cannot be neglected.At last,the optimization of the structure is studied.

preheater tower structure;earthquake response;elastic-plastic;time history analysis;seismic perfor?mance;optimization

TU113.663

A

1001-6171（2016）06-0029-05

通訊地址：天津水泥工業設計研究院有限公司，天津300400；2016-03-14；編輯：趙蓮