千噸級雙層吊車鋼結構重型工業廠房抗震性能研究

楊彥

一段時間以來，由于種種原因，250t及以上（特重型）重工廠房的應用有限。近年來，隨著社會的發展，工業水平的不斷前進，我國重型工業廠房越來越多的出現在重型壓力容器車間、大型燒結主廠房、大型冶煉車間、軋鋼車間、造船廠、大型火電廠主廠房等結構中。

如由北京首鋼設計院設計的秦皇島首秦金屬材料有限公司4300mm寬厚板軋機工程，廠房建筑面積132315平米，7度抗震設防，建筑平面尺寸762mX205m，柱距以18m為主，有抽柱，抽柱處柱距48m、36m、37m。主軋區吊車噸位100t/20t，軌頂標高16m；軋輥間吊車噸位300t/90t，軌頂標高10m；精整區、厚板區、成品區和熱處理區吊車噸位22.5t，軌頂標高11m。吊車均為A7級工作制。

目前，在實際工程設計中，雖然有成熟的基礎理論，但理論與一線設計之間的銜接方面研究的匱乏，導致了重型鋼結構工業廠房設計的相對盲目。在結構設計軟件方面，常用的包括國外的Sap2000、Etabs、Staadpro等以及國內的MTS、Strat、PKPM-STS等，雖然這些軟件能夠提供較精確的方式來解決復雜的鋼結構問題，但是在廠房整體結構抗震分析方面涉足少之甚少。

在抗震設計方面，基于性能的抗震設計是非常理想化的，通過該方法設計的結構雖然可以預先很清楚的了解其抗震性能，但是若要實現基于性能的抗震設計還有很多工作需要進一步研究。

目前，結構數值有限元計算分析已經成為抗震分析過程中的一把利器，為我們更深層次的了解結構在地震作用下的響應機理及為能夠分析更為復雜結構的地震響應提供了技術保證。

本文采用大型有限元分析軟件ANSYS，以山東省東營港開發區綠洲核能裝備有限公司的高端石化裝備制造項目-重型壓力容器車間廠房為例，建立了反映工程實際的三維數值分析模型，通過向結構輸入不同程度的地震動，經過細致計算，對比分析了不同工況下的廠房結構地震響應值及結構抗震性能變化。

1. 工程概況

本文建模分析采用山東省東營港開發區綠洲核能裝備有限公司的高端石化裝備制造項目-重型壓力容器廠房車間。該車間建筑平面389m（軸線尺寸）X42m（軸線尺寸），單跨，柱距12m，車間起坡點高度37.5m，屋脊高度39.75m。主體結構采用框排架結構體系，格構式鋼管混凝土下柱，實腹式H型鋼上柱，實腹式H型鋼梁，吊車梁采用焊接H型鋼。圍護結構采用有檁體系，屋面為現場復合雙層壓型鋼板保溫屋面，墻面為單層鍍鋁鋅版，基礎為樁基礎。

該工程廠房結構安全等級為二級，設計使用壽命為50年，建筑抗震設防類別丙類，地基基礎等級設計等級為乙級。山東省東營市基本風壓（50年重現期）為0.5 kN / m2，地面粗糙度類別為A類；基本雪壓（100年重現期）0.4 kN / m2，雪荷載準永久值系數分區二；該市的抗震設防烈度為7度（0.15g），設計地震分組第三組；場地類別二類。屋面恒載標準值0.4 kN / m2，屋面活載標準值0.5 kN / m2（主要受力構件）。吊車荷載見表1。

該車間分為A、B、C三個區域，其中A區長156m，B區長144m，C區長84m，在A、B區之間和B、C區之間分別設置2.5m寬（軸線尺寸）的變形縫。本文選取A區為研究對象，A區建筑平面圖、剖面圖見圖1～2。

該車間內設兩層橋式起重機。上層行車軌頂標高28m，下層軌頂標高20m。上層起重機中，A區行車起重能力為2000t，設兩臺1000t橋式起重機；B區行車起重能力為800t,由兩臺1000t橋式起重機完成；C區行車起重能力為200t，設一臺200t橋式起重機。下層設兩臺200t 橋式起重機，均為A5級工作制。A、B、C三區行車通行。在A區和B區交接處的屋面設置一臺25t檢修用的電動葫蘆。

結構選型方面，在相同控制指標條件下，重工廠房結構概念設計的關鍵參數通常包括吊車噸位、柱距、跨度、軌頂標高等。本工程的顯著特點是吊車噸位大（千噸級）、吊車使用頻繁（A5級工作制）、結構跨度大（42m）、吊車軌頂標高高（下層20m，上層28m），同時廠房建設地點在臨海城市（山東省東營市），抗震設防烈度較高（7度，0.15g）。因此，其地震作用對結構的影響將會非常大。綜合上述因素，結合目前國內少數大噸位重型鋼結構廠房的應用，本工程采用排架結構，格構式圓鋼管混凝土下柱、實腹式H型鋼上柱，實腹式H型鋼梁，抗風桁架，屋面采用了格構式系桿。格構式鋼管混凝土柱不但節省了鋼材，也減輕了柱本身的重量。鋼柱及柱間支撐系統圖3～4。

表1 吊車荷載

圖1 A區建筑平面圖

圖2 A區建筑剖面圖

本工程為雙層橋式吊車，上層1000t位的大起重量，因此采用了格構式鋼管混凝土柱。下層吊車為兩臺200t，吊車噸位也較大，如果采用傳統的柱上挑牛腿的方式，全部吊車作用力由牛腿承擔，然后傳遞至排架柱和支撐系統，安全性欠佳；或者有的采用變截面柱，使得支撐系統的設置由于遷就下柱而影響了使用空間。本工程考慮將下層吊車的豎向荷載由獨立的、可靠的體系承擔，水平荷載仍然由支撐系統傳遞，因此在下層吊車下設置鋼管混凝土搖擺柱，承擔下層吊車傳來的全部豎向荷載。吊車系統布置圖及部分相關結構圖見圖5～6。

表2 構件規格表

圖3 A區鋼柱及柱間支撐系統

圖4 鋼柱及柱間支撐系統

2.工程關鍵問題分析

重工廠房結構概念設計的關鍵參數通常包括吊車噸位、柱距、跨度、軌頂標高等。本工程因有大噸位吊車，結構的變形將可能導致吊車梁變形，進而導致吊車無法使用，因此控制側移是設計的關鍵問題。

在抗震的設計中，采用振型分解反應譜法計算水平地震作用時，根據重力荷載代表值與地震作用的大小正相關，而本工程吊車噸位大（千噸級）、吊車使用頻繁（A5級工作制），因此，地震作用影響非常大。同時，該結構的跨度大（42m），柱間距12m。吊車軌頂標高高（下層20m，上層28m），所處地區抗震設防烈度為7度（0.15g），地震期間，結構在多維地面運動分量作用下，柱承擔兩個方向的水平地震作用，同時軸向壓力也很大。因此，抗震設計是本工程的根本性工作之一。

圖5 A區上層吊車系統平面布置圖

圖6 A區下層吊車系統平面布置圖

3.模型的建立

模型單元的選擇主要根據結構構件的應力狀態結合計算精度、計算量來確定。在本工程中，格構式鋼管混凝土柱為鋼管和內填混凝土這兩種不同本構關系的材料的組合結構，因此將其分別定義，然后通過GLUE命令組合成一個連續體協同作用。其中，格構式鋼管混凝土柱的鋼管采用實體單元SOLID 185，該單元是一種采用力與位移混合形狀函數的線性單元，可以退化為五面體或者四面體、棱柱體，通過8個節點定義，每個節點有3各沿著X、Y、Z方向平移的自由度，可以用來構造三維固體結構。這個單元具有超彈性、應力鋼化、蠕變、大變形和大應變等的能力，還可以采用混合模式模擬幾乎不可壓縮彈塑性材料和完全不可壓縮超彈性材料。該單元不允許零體積單元，在本例中，將SOLID 185單元定義為各向同性材料，單元坐標系為全局坐標系，不考慮溫度作用。

型鋼抗風柱、結構支撐系統也采用實體單元SOLID 185定義。

格構式柱鋼管內填充混凝土采用實體單元SOLID 65。該單元具有8個節點，每個節點具有X、Y、Z三個方向的自由度，用來構造含筋或不含筋的混凝土實體模型，可以用其實體性能模擬混凝土，用加筋性能模擬鋼筋作用。這一實體模型具有拉裂和拉碎的性能。其最重要的方面在于對材料非線性的處理，可以模擬混凝土的開裂、壓碎、塑性變形和徐變，以及鋼筋的拉伸、壓縮、塑性變形和蠕變，但是無法模擬鋼筋的剪切性能。在本例中，將SOLID 65單元定義為各向同性材料，不考慮溫度作用和應力松弛。廠房材料特性見表3。

廠房主體采用排架結構，屋面鋼屋架,插入式柱腳，柱頂鉸接,柱底剛接。

實體模型如圖7。

4.廠房模態分析

模態分析（Modal Analysis）是結構振動特性的數值計算技術，是最基本的動力學分析，也是其他動力學分析，如響應譜、隨機振動分析、諧響應分析等的基礎。

結構的振動特性包括其固有頻率和振型。模態分析的經典定義是將線性定常系統振動微分方程中的物理坐標變換為模態坐標，使方程組解耦，成為一組以模態坐標系模態參數描述的獨立方程，以便求出系統的模態參數。坐標變換的變換矩陣為模態矩陣，其每列為模態振型。

表3 主體材料物理特性

圖7 A區廠房實體模型

表4 廠房在各工況下模態分析結果匯總

表5 小震抗震分析分析結果

表6 中震抗震分析分析結果

表7 大震抗震分析分析結果

對應模態分析，振動頻率ωi和模態φi由下面方程計算求出：

這里假設剛度矩陣[k],質量矩陣[M]是定值，這就是要求材料是線性彈性的，使用小位移理論（不包括非線性），無阻尼矩陣[C]、無激振力（無[F]）。

模態分析的最終目的是識別出系統的模態參數，為結構系統的振動特性分析、振動故障診斷和預報、結構動力特性優化設計提供依據。

本工程廠房的抗震分析考慮兩種工況，分別是廠房空載和滿載時的小震、中震、大震抗震分析。因此相對應就有兩種模態分析，有預應力模態分析（廠房在滿載時）和無預應力模態分析。

有預應力模態分析，受不變荷載作用產生應力作用下的結構可能會影響固有頻率，尤其是對于那些在某一個或兩個尺度上很薄的結構，因此在某些情況下執行模態分析時可能需要考慮預應力的影響。

進行預應力分析時，首先需要進行靜力結構分析（Static Structural Analysis），計算公式為：

[k]{x}={F}

得出的應力剛度矩陣用于計算結構分析（[σ0] → [S]），這樣原來的模態方程即可修改為：

上式即為存在預應力的模態分析公式。式中：

[k]-單元剛度矩陣；

{x}-激振位移；

{F}-激振力；

[K]-剛度矩陣；

{φi}-第i階模態的陣型向量（特征向量）；

ωi-第i階模態的固有頻率（ωi2為特征值）；

[M]-質量矩陣；

廠房結構滿載、空載時各個工況下的模態分析的結果見表4。

5.廠房響應譜分析

響應譜分析是將模態分析的結構與一個已知的譜聯系起來計算模型的位移和應力的分析技術。主要應用于時間歷程分析，以便確定結構對隨機荷載或隨時間變化的荷載（如地震、海洋波浪、噴氣發動機推力、火箭發動機振動等）的動力響應情況。

廠房結構地震荷載作用下分析的結果見表5、表6、表7。

6.結論及建議

6.1 地震作用下的廠房結構在空載和滿載時的不同荷載工況的作用效應的極值所處位置相同，即應力最大值的位置與變形最大值的位置相同。

6.2 空載或滿載時，不同荷載工況下，地震荷載加速度沿廠房縱向或垂直時，由地震荷載產生的結構構件應力都小于材料的許用應力，結構可靠。抗風柱對廠房結構的抗震貢獻可以忽略，故其最大應力無論是否超過承載力都不影響廠房整體抗震。

6.3 對于以抗震設防烈度做為抗震設計加速度依據的結構來說，小震時地震荷載效應都很小，對廠房結構的影響幾乎可以忽略。

中震時，地震荷載加速度沿廠房縱向時的變形位移幾乎增大了一倍，地震荷載廠房橫向時的增大率很小，可以忽略。這是由于沿廠房橫向的地震動荷載同時由數量眾多的排架柱承擔，而沿縱向的地震動荷載作用在單榀排架上，對于單跨廠房來說，僅由兩個柱子承擔，如果沒有支撐系統來傳遞水平力（在這里用來傳遞水平地震力），該方向上對柱的強度和剛度要求將會非常大。

大震時，廠房空載和滿載時沿縱向的應力和變形的增大率都比中震時要大，而相對的，廠房橫向的方向上的地震荷載效應增大率較小。大震作用對廠房縱向上的影響是很大的。

6.4 大震時的結構相對于中震，在不同方向地震荷載加速度下的應力和變形，滿載時的增長速率都遠遠超過空載，這與地震力和結構質量的正比關系的理論相吻合。

6.5 以抗震設防烈度的地震動加速度為設計依據的重型工業廠房，其結構抗力的強度和變形均可以滿足要求。

6.6 建議對于千噸級的大跨度重工廠房，以中震滿載時的變形控制為設計控制點，即結構滿足中震時的變形控制要求即可。此時既可以簡化設計工作量，同時也保證了結構安全性和經濟性。

6.7 合理地傳遞水平荷載的結構體系，如布置合理的支撐體系，可以有效傳遞廠房縱向地震力，從而減小排架柱的受力和變形。因此，在重工廠房的抗震設計中，應更加重視對支撐系統等傳遞水平荷載的結構體系的設計，從而在滿足使用空間的基礎上，使結構更加合理，更加經濟。

6.8 通常基于經濟性和廠房工藝的復雜性的考慮，重工廠房的抗震設計往往采用傳統設計思路方法，或在傳統概念設計的基礎上加以改進，而新型消能減震技術在重工廠房中的應用并不廣泛，大部分僅在強震區、實驗性結構或生命線工程中加以應用，相關的數據統計也較少。

這樣的抗震設計思路過于局限，事實上，對于7度及以上烈度區的千噸級重型工業廠房，就可以考慮推廣采用消能減震或隔震技術；并對應用結構進行監測，注重樣本數據的采集和分析匯總，以期可以得到更為實用的、應用于重工廠房的、普適性的消能減震隔震設計方法。

6.9 目前，應用有限元將結構化整為零、然后再化零為整的精細化分析方法對重型工業廠房進行分析的統計數據較為匱乏。在工程實際中，一線設計師很難有精力將所做工程做此類分析，而要求他們對所做工程進行有限元分析匯總也是不現實的；然而，工程實踐又確實需要統計數據加以指導。因此，投產后的數據監測和設計知識產權解密后的資源共享變得尤為重要，如果能有專注于有限元分析的本單位專業人員或社會專業人員對結構進行分析和數據匯總，并得出結論，指導實踐后再行反饋，依此循環，并在一定數據量積累的基礎上得出普適的、規范性的設計指導原則、設計計算方法和構造要求，對鋼結構重型工業廠房工程設計的意義是重大的。