高烈度下(雙層系)接轉站框架結構的動力響應分析

滕振超，劉 宇

(東北石油大學 土木建筑工程學院， 黑龍江 大慶 163318)

我國抗震規范提出的要求是在結構的全壽命周期，對于可能發生的不同震級或是不同頻譜的作用，該結構應當具備不同的抵抗能力。建筑抗震設計規范(GB50011—2010)的中心內容可以總結為三水準和兩階段，即“小震不壞、中震可修、大震不倒”和“彈性設計階段、彈塑性設計階段”。抗震設計時，結構所承受的地震作用是由地震地面運動引起的動態作用，它是建筑結構設計或分析的基本依據[1-5]，如表1所示。

地震本身的隨機性很強，故一般荷載與地震作用有很大差別。在地震作用下,彈性地震作用指結構處于彈性階段工作時，各樓層產生的地震作用；彈塑性地震作用指在結構在進入塑性階段時各樓層的地震作用。

對于抗震設計方法，基本上還是以構造措施和保證承載力限值2個方面保證鋼結構抗震性能要求。雖然有關鋼結構基于性能的設計方法在新版規范中有所提及，但是并未作強制性要求[6-8]。

表1 3個水準的各種參數

1 抗震設計方法

1.1 國內常用抗震設計方法

設計人員應按照建筑抗震規范規定針對不同的擬建房屋類型、建筑高度范圍和平立面布置形式等因素綜合分析，選用對應的方法進行分析[9]。

在我國的規范中，將地震分解反應譜法作為最基本的設計方法，理由為其計算精度能滿足工程需求，理論也較成熟。

各類建筑的應用范圍在《建筑抗震設計規范》(GB5001—2010)中有明確說明：

1) 一般采用底部剪力法的結構多類似為單質點體系，例如高度在35 m，而且以剪切變形為主、剛度和質量均勻分布的建筑物。

2) 反應譜分析方法可應用于除上述簡單結構以外的結構。

3) 時程分析方法主要應用于一些特別不規則的建筑或是建筑類別設定的甲類建筑的抗震設計，如表2所列高度范圍的高層建筑。

1.2 響應譜分析方法

本次利用ANSYS中響應譜分析方法來模擬在地震作用下該接轉站的內力和變形。首先，譜是頻率與譜值的關系曲線能反映在時間-歷程下載荷的強度與頻率之間的關系。譜分析就是用模態分析結果與已知譜結合，進一步計算出模型的力和位移的分析方法。譜分析替代時程分析來分析結構的動力響應，主要用于隨機荷載和與時間有關的荷載，例如風載、地震作用、海嘯、發動機震動等[10]。

表2 時程分析高度范圍

譜分析有3種類型：動力設計分析、響應譜分析和隨機振動分析。其中響應譜分析代表對時間-歷程響應和頻率的關系。響應譜又分為單點和多點響應譜，分別為一一對應和多多對應的響應譜。分析船舶裝備抗震性能用動力設計分析，在隨機性載荷作用下的響應分析采用隨機振動分析[11]。

2 有限元軟件ANSYS分析

2.1 (雙層系)接轉站框架結構描述

接轉站對油田有序生產、建設水平、生產效率起關鍵作用，在高烈度區建立接轉站，更需要保證其安全性。接轉站又稱集油站,是集輸系統的主要中轉環節,安全系數要求極高。其任務是接收單井、井排或計量站來油,進行原油穩定及油氣分離、原油脫水等處理,同時將原油加壓、加熱后外輸。為便于區別,常將各種類型的接轉站按其業務范圍的大小分為集中處理站、接轉站和轉油站等。

由于該結構具有非常重要的作用，進而需要高標準設計。故在基本設防烈度為8度的區域，驗算罕遇地震作用時在實際工程中需提高1度考慮，為9度。

2.2 (雙層系)接轉站框架結構有限元分析模型建立

本次分析的(雙層系)接轉站框架結構主要由梁、柱和板等部分組成，其長×寬×高為5.2 m×2.4 m×3 m。采用ANSYS17.0有限元分析軟件。首先需要建立該(雙層系)接轉站框架結構有限元分析模型(圖1)，實際建模時，忽略變壓器外殼、變電箱、墻體等薄壁元件，對框架角鋼、槽鋼及螺栓采用梁單元模擬。使用鋼材的材料力學性能參數見表3、表4。

表3 各單元類型

注：在進行有限元分析時，把實際工程中的配電、變頻、自控通訊等設備，采用質量塊的形式，作用在結構底部對應的單元上，進而分析。

表4 計算中所采用的材料力學性能參數

圖1 (雙層系)接轉站整體結構有限元模型

2.3 (雙層系)接轉站框架結構自振頻率計算

按照《電力設施抗震設計規范》的要求，經ANSYS模態分析計算，(雙層系)接轉站框架結構水平向基本自振頻率為10.48 Hz，前3階振型如圖2所示。

圖2 前3階振型圖

2.4 地震作用結構反應譜及強度驗算

2.4.1設計地震加速度反應譜確定

本計算分別對(雙層系)接轉站框架結構在水平橫向和縱向地震作用、風荷載及重力荷載(含雪荷載)下進行計算，最后分別得出縱橫2個方向的總效應，驗算其抗震強度。

其中，地震作用采用振型分解反應譜法對(雙層系)接轉站框架結構進行抗震計算，按照上述設計規范的要求，首先確定基本設防烈度8度(0.2g)和罕遇烈度9度(0.62g)下設計地震加速度反應譜(圖3)，根據建筑結構抗震規范的說明，阻尼比按照多高層鋼結構統一取0.02，地震作用的基本參數如表5所示。

表5 地震作用基本參數

圖3 地震設計反應譜

按規范要求設計地震加速度反應譜按下列規定確定[9]：

當0 ≤T<0.1時：

a(T)=(10(η2αmax-0.45αmax)T+0.45αmax)×g

當0.1≤T

a(T)=η2αmax×g

當Tg≤T<5Tg時：

a(T)=(Tg/T)γ×η2αmax×g

當5Tg≤T<6時：

a(T)=(η2×0.2γ-η1(T-5Tg)) ×αmax×g

由此算出該單點反應譜分析中激勵譜的各個頻率點的頻率值和對應的譜值，在這里選用的是加速度值，如表6所示。

表6 響應譜分析數據

2.4.2地震作用下結構響應

帶入數據，對該框架結構進行振型分解反應分析，最終數據結果如表7所示，譜分析結果的位移和應力云圖見圖4，最大位移和最大應力見圖5。

表7 結構最大位移及最大應力數據

圖4 譜分析結果的位移和應力云圖

圖5 地震作用下結構反應的最大位移和最大應力

3 結論

利用有限元結構分析專用程序ANSYS，采用振型分解反應譜分析法，對(雙層系)接轉站框架結構進行了設防烈度(0.2g)和罕遇烈度(0.62g)兩級縱橫2個方向地震作用下的抗震計算，經計算分析，獲得以下結論：

1) 在相當于設防烈度的地震作用(0.2g)下，(雙層系)接轉站框架結構處于安全狀態，不會發生損壞，可繼續使用。

2) 在相當于罕遇烈度的地震作用(0.62g)下，(雙層系)接轉站框架結構處于安全狀態，不會發生損壞，可繼續使用。

3) 最大位移出現在屋架橫梁處，屋架橫梁、柱與基礎連接位置會出現應力集中現象。與常規抗震設計相比，用有限元軟件對結構進行動力響應分析的結構更直觀，能更好地模擬結構在實際地震作用下的變形和應力分布。