復雜工業設備—結構整體建模分析

高 蒙 高建嶺 張宏濤

(北方工業大學，北京 100144)

1 當前存在的問題

在常規的建筑結構中，大多具有明顯的層的概念，組成的構件是梁板柱等，但是工業設備往往是筒狀、管狀等，因此大多需要殼單元進行模擬，在PKPM和盈建科等常規設計軟件中并沒有提供真實的殼單元，因此很難進行精確的有限元分析，更難說整體計算分析[1]。

2 目前建模方法

一種是在CAD中畫好模型，再導入到SAP2000中，例如對梁柱等構件分別指定圖層，在SAP2000中依次導入選取相應的構件圖層；或從官網上尋找開發的相應插件進行轉換，整個過程比較簡單，但是在低版本中可能會出現節點的偏移合并、面截面導入等問題。并且在后續使用過程中要一一指定截面，以及拉伸面截面，定義特殊構件等，當結構較大，桿件較多時，難免會出現一些遺漏。

另一種是在SAP2000中依次建模，將設備和結構分開建模，最后通過坐標定位進行精確組裝，SAP2000中針對不同結構給出了多種模型，例如：殼單元、儲藏結構、地下混凝土管和板、實體模型等多種形式，通過組合可以快速滿足需要，并結合建模方式，包括：復制、節點拉伸成線、線拉伸成面等功能快速建模。不過由于自己建模可以方便的和圖紙進行比對，并且可以利用SAP2000的單元庫選擇相應的計算方法等：例如在建立工業設備模型時使用薄殼單元，建立剛性樓板時使用薄板單元；建立大體積混凝土時使用實體單元。

以上兩種方法，各有利弊，可綜合使用。以某焦炭塔結構為例，焦炭塔結構可大致分為混凝土框架、鋼框架、焦炭塔塔體三部分，這三部分可以分開建模。

由于混凝土框架和鋼框架的主要構件就是傳統的梁板柱，因此可在CAD中進行繪圖，導入到SAP2000中；對于焦炭塔塔體可采取在CAD中畫出塔的體型線，導入到SAP2000中，使用高級編輯功能：按照需要的旋轉角度線拉伸成面，可以快速的建立塔體的模型；對于塔體和混凝土框架的頂板的連接可以采用SAP2000的管和板模型建立。最后再通過坐標定位的方法組合起來。

3 算例和問題

根據上述的基本流程，為了能說明化工設備中可能遇到的問題。選取的工程為化工類構筑物中的焦炭塔結構，由框架結構、鋼框架和焦炭塔塔體組成。混凝土框架高25.700 m，共2層，鋼框架高25.7 m～114.407 m，共17層，設備塔體直徑約9.8 m，壁厚0.053和0.059，從輸油頸口到塔底高度40.67 m，塔頂到混凝土框架頂33.704 m，見圖1。

在建筑上的荷載包括一些管線、線路的等效恒荷載、活荷載和其他形式，而焦炭塔塔體內部作用水加焦的壓力荷載、溫度循環的溫差荷載、塔體所覆蓋的保溫層的自重恒載等荷載形式。除此之外，考慮施加動力荷載：風荷載和地震荷載。對于風荷載可以采取等效側立方法，對于地震荷載可采用振型分解反應譜法或時程分析方法。

在算例中，考慮了結構水平地震作用，設備考慮了內部水壓力和保溫層恒載。

4 系統整體分析結果

在組裝模型和施加荷載完成后，用SAP2000進行動力時程分析，為了和傳統理念的設備等效成荷載進行對比，用SAP2000對下述三個模型：

模型a——設備作為等效荷載考慮，將設備荷載添加到所在樓層中，此時計算模型僅包括結構，僅考慮設備作為荷載的影響；

模型b——將模型a的地震時程響應分析得到的設備與結構連接點處(即設備地腳螺栓處)的絕對加速度時程作為設備輸入時程，對連接點處的加速度時程進行零線校準后，作為地面運動加速度輸入模型b中計算得到設備的時程響應；

模型c——考慮焦炭塔塔體與混凝土框架的相互作用，即建立焦炭塔結構整體的相互作用模型進行計算分析。與上述模型結果對比分析。

4.1 模態分析結果

下面給出三種模型的模態分析結果(見表1)，可以看出模型a和模型c中兩個方向的平動周期比較接近，對于整個結構有不利影響。模型a和模型c的前兩階振型相差不多，3，4階振型相差可達33%，這是由于振型3，4考慮了設備的作用。

設備的基本周期大約為0.33 s，所以對3，4階模態有很大影響，因此建議對整體進行分析。

表1 振型分析結果

4.2 地震作用下的框架柱內力

表2給出了兩個模型水平地震作用下的混凝土框架柱的內力值，模型a剪力和彎矩均比模型c的彎矩大，最大差值為74%，由此可看出使用等效荷載方法使得結構水平地震作用設計是偏安全的。因此，對于焦炭塔結構而言，由于塔體本身質心較高，剛度較大，因此考慮等效荷載的設計方法考慮的水平地震作用偏大嚴重。

表2 框架柱內力分析結果

4.3 設備和結構連接板處的處理和分析

在焦炭塔結構體系中，由于塔體體積和自重較大，板上開口也比較大，為了加強連接部位，板厚和梁截面相同。由于設備比較高，會穿越多層鋼框架平面，當板洞和設備之間預留的間隙比較小，設備又相對較柔的時候可能會發生碰撞，為了模擬碰撞情況，對設備頂部處設置縫隙單元連接，當縫隙的寬度變為零的時候，會產生壓力，并將壓力傳遞給結構和相連接的單元。

由于設備和結構的連接是通過厚板連接的，所以應研究連接處厚板的應力分布情況。圖2和圖3對比可以看出兩個模型的彎曲應力分布趨勢相近，但是模型a結果偏小，不考慮應力集中現象，模型a的彎曲應力是模型b的1/4～1/2，如果根據等效應力計算會偏向不安全。因此采取等效荷載方法是不安全的。

5 結語

通過上述分析可以看出，對于大型的設備結構的設計，SAP2000可以考慮整體化的建模，可以考慮設備和結構的連接情況，可以考慮設備的質量、剛度和體型等因素，并且現行的SAP2000也可以和中文規范接軌，因此在大型設備結構的計算中考慮到設備作用可用SAP2000進行計算。

當整體分析較為困難時，使用等效荷載方法算得的結構整體的水平地震作用是偏保守的，對于連接部位來說又是偏于不安全的，應該在等效荷載計算結果的數據上適當放大。