隔震技術(shù)在設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用探討

張國(guó)斌

天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司 甘肅 蘭州 730060

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)設(shè)備越來越重，越來越大，質(zhì)量分布極為不均。目前大多數(shù)設(shè)計(jì)人員一般把設(shè)備等效折算成恒荷載并簡(jiǎn)化作用于支撐樓面承重梁上，建立模型進(jìn)行分析，依據(jù)內(nèi)力與變形效應(yīng)優(yōu)化體系構(gòu)件截面尺寸等硬抗水平力的措施，支撐框架節(jié)點(diǎn)處理和抗側(cè)力和傾覆問題突出。本文通過在超重設(shè)備支座處設(shè)置橡膠隔震支座，進(jìn)行兩種實(shí)體模型PMSAP模擬，進(jìn)行周期，地震水平力，體系變形等因素對(duì)比分析，降低地震作用的效果明顯，增大結(jié)構(gòu)體系周期，降低水平地震力等軟抗措施。

1.支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提思路

目前常規(guī)工業(yè)設(shè)備支撐體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程，一般建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與工藝及設(shè)備設(shè)計(jì)在不同的部門完成的。土建部門負(fù)責(zé)整個(gè)支撐結(jié)構(gòu)部分的處理和分析設(shè)計(jì)；工藝部門負(fù)責(zé)工藝流程計(jì)算和物料平衡分析，并對(duì)相關(guān)設(shè)備體系的安全度和設(shè)備設(shè)計(jì)條件分析設(shè)計(jì)。在整個(gè)設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)工程中，工藝部門完成設(shè)備設(shè)計(jì)條件并提交給設(shè)備部門，設(shè)備部門依據(jù)設(shè)備設(shè)計(jì)條件完成設(shè)備設(shè)計(jì)，并把設(shè)備的邊界條件和設(shè)計(jì)要求反饋給工藝部門；工藝部門依據(jù)工藝流程要求，具體布置設(shè)備荷載和設(shè)計(jì)支撐框架體系的平面、立面布置條件圖，并提交給土建部門。土建部門基于工藝對(duì)支撐框架的要求，建立框架模型，優(yōu)化布置，并將相關(guān)設(shè)備的自重，操作重量，設(shè)備外形,風(fēng)荷載等進(jìn)行等效恒荷載換算，計(jì)算出設(shè)備支座處的豎向力，水平力，彎矩、扭矩等內(nèi)力進(jìn)行相關(guān)樓層部位布置并進(jìn)行模型分析計(jì)算設(shè)計(jì)。

現(xiàn)階段大多數(shù)工業(yè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)人員，對(duì)高位超重設(shè)備的支撐框架模擬設(shè)計(jì)，一般采用等效荷載轉(zhuǎn)換思路進(jìn)行外荷載加載模擬分析計(jì)算設(shè)計(jì)。從設(shè)計(jì)分工來看，工藝和設(shè)備部門設(shè)計(jì)完各自的內(nèi)容后分別提出了土建設(shè)計(jì)條件，并沒有考慮到工藝管道與相關(guān)設(shè)備和支撐框架是一個(gè)整體參與工作。支撐框架受到外界荷載的影響下，其體系內(nèi)工藝管道和設(shè)備等不同部位質(zhì)點(diǎn)的傳力的過程實(shí)際很復(fù)雜，結(jié)構(gòu)體系的整體動(dòng)力響應(yīng)和協(xié)調(diào)工作很難一致，特別是高位超重設(shè)備（＞1000KN）的動(dòng)力響應(yīng)和協(xié)調(diào)工作尤為突出，支撐結(jié)構(gòu)體系規(guī)則性和豎向均勻性不能滿足抗規(guī)的設(shè)計(jì)要求[1]。對(duì)設(shè)防要求較高的地段，可改變?cè)O(shè)計(jì)思路，通過在重型設(shè)備的支座處設(shè)置柔性阻尼連接設(shè)施；滿足工藝布置和設(shè)備側(cè)移變形要求，工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雙方充分調(diào)整協(xié)調(diào)，使其布置盡量居中布置，滿足結(jié)構(gòu)體系剛度中心與質(zhì)量中心一致，進(jìn)行模擬計(jì)算分析設(shè)計(jì)。

2.隔震技術(shù)應(yīng)用的流程

基于PMSAP軟件的基本功能和對(duì)重型設(shè)備支撐框架的特點(diǎn)，給出處理這一問題的基本流程，見圖1。

圖1 基本設(shè)計(jì)流程

3.實(shí)例模擬分析和相關(guān)措施的思路

根據(jù)上述設(shè)計(jì)流程，為了能夠說明PMSAP軟件[2]對(duì)重型設(shè)備支撐框架的設(shè)備支點(diǎn)處設(shè)置隔震支座的思路和優(yōu)點(diǎn)。通過某工業(yè)承重鋼框架實(shí)例，框架高20米，共四層，設(shè)備重1600KN，八個(gè)支耳，設(shè)備支座位于第三層。圖2為無隔震支座框架模型0（M0）；圖3為布置隔震支座框架模型1(M1)。

圖2 無隔震框架模型0

圖3 隔震框架模型1

3.1 技術(shù)條件分析及建模組裝

工業(yè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部門是個(gè)輔助部門，工藝設(shè)計(jì)貫穿項(xiàng)目的始終，結(jié)構(gòu)和設(shè)備圍繞工藝設(shè)計(jì)條件要求而展開；工藝體系對(duì)支撐結(jié)構(gòu)規(guī)則布置的優(yōu)劣，制約著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。工藝設(shè)計(jì)條件提出后，是否滿足結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計(jì)要求，土建和工藝兩部門宜多次溝通協(xié)調(diào)，工藝部門人員要詳細(xì)注明大型管道和超重設(shè)備的方位及空間形體的情況；工藝條件所注樓層平面的荷載質(zhì)點(diǎn)，不能反應(yīng)其相關(guān)設(shè)備及管道的空間情況。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員往往考慮不到其空間形體影響，優(yōu)化條件布置，調(diào)整布局，特別使超重設(shè)備宜使其每層外荷載質(zhì)量中心宜靠近或與結(jié)構(gòu)體系中心重合；對(duì)于較小的外荷載質(zhì)量，可按常規(guī)思路施加；超重設(shè)備按荷載等效換算并設(shè)橡膠隔震支座，橡膠支座可以有效降低水平地震作用對(duì)樓層梁和豎向構(gòu)件的影響。

支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件要求優(yōu)化后，按常規(guī)建模方式很方便地完成支撐體系計(jì)算模型。進(jìn)行模型試算，各結(jié)構(gòu)構(gòu)件是否滿足其強(qiáng)度、穩(wěn)定、變形規(guī)范要求；對(duì)偏差較大的構(gòu)件進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，反復(fù)試算，直至滿足規(guī)范各項(xiàng)規(guī)定要求，保存模型，完成第一階段的建模任務(wù)。

3.2 附加隔震構(gòu)件及防火措施思路

在滿足多遇地震作用變位驗(yàn)算后，宜試算確定罕遇地震作用下的橡膠支座變形量和屈服剛度，依據(jù)支座的變形量換算超重設(shè)備支耳的外伸尺寸，并把支耳設(shè)計(jì)要求和設(shè)備的平動(dòng)影響，反饋給工藝和設(shè)備部門，調(diào)整支耳尺寸，防止設(shè)備外壁外力作用的碰撞。隔震支座的上下連接墊板尺寸，依據(jù)其支座的形式及技術(shù)條件要求確定設(shè)計(jì)。

對(duì)防火要求較高的化工設(shè)備，依據(jù)其相關(guān)承重梁構(gòu)件的耐火級(jí)別設(shè)置耐火措施，一般情況按由里到外順序設(shè)置，如圖4所示：

圖4 防火流程

3.3 整體分析及結(jié)構(gòu)比較

為了綜合說明采取橡膠隔震支座后的支撐結(jié)構(gòu)體系不同效應(yīng)和響應(yīng)，在其算例模型中使用PMSAP V4.3.3版進(jìn)行兩種模型的分析：即考慮等效荷載的常規(guī)方法（模型0）M0和設(shè)置隔震支座的（模型1）M1進(jìn)行分析。

比較了該結(jié)構(gòu)體系的模態(tài)分析結(jié)果，水平地震作用力和地震剪力，體系變形位移和位移角，傾覆力矩等。設(shè)置橡膠隔震支座主要增大結(jié)構(gòu)周期，減小水平地震作用和樓層水平剪力，降低水平地震引起的結(jié)構(gòu)變形過大造成的傾覆風(fēng)險(xiǎn)。兩模型分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)荷載對(duì)兩模型影響不大，因?yàn)轱L(fēng)荷載對(duì)于該支撐結(jié)構(gòu)體系不起控制作用，風(fēng)荷載所使用的方法一般為規(guī)范所使用的靜荷載等效的計(jì)算方法，因此沒有對(duì)其減小比較分析。

3.3.1 隔震結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析結(jié)果

此處給出模態(tài)分析前15個(gè)振型的周期結(jié)果表1，和簇狀柱形圖五可以看出，模型0和模型1各振型周期相差較大。改變了結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力特性，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載的作用下，總要產(chǎn)生一定的振動(dòng)響應(yīng)，而結(jié)構(gòu)的振動(dòng)往往是結(jié)構(gòu)體系失穩(wěn)和構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)破壞主要原因。因此研究結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力特性和動(dòng)力強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。增大結(jié)構(gòu)振動(dòng)周期，減小了結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率，提高了結(jié)構(gòu)體系可靠性和安全度，模型1的可靠性明顯優(yōu)于模型0。

圖5 振型周期簡(jiǎn)圖

表1 模態(tài)振型周期

3.3.2 隔震技術(shù)的效應(yīng)

一般隔震技術(shù)主要應(yīng)用在高烈度地區(qū)的特殊建筑物，高層建筑，大跨度的結(jié)構(gòu)，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)等，其本質(zhì)是在場(chǎng)地與建筑物之間設(shè)置剛度較小、阻尼較大的阻尼隔震機(jī)構(gòu)，通過隔震機(jī)構(gòu)吸收地震能量，減小地震能量的向上部機(jī)構(gòu)傳遞，從而有效低降低地震對(duì)建筑物的作用。受這一原理啟發(fā)，把這一技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)重型設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)體系中，在重型設(shè)備支座處設(shè)置隔震支座，減小設(shè)備能量向支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)件的傳遞，降低了設(shè)備的慣性水平力，從表2給出了兩個(gè)模型不同方向水平地震作用下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)指標(biāo)的對(duì)比可以看出。隔震技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，地震所產(chǎn)生的等效水平作用力最大降低率達(dá)到了27.6%；位移角最大降低了32%；傾覆力矩最大降低了30.3%。至此可參照抗震規(guī)范隔震的相關(guān)要求調(diào)整結(jié)構(gòu)構(gòu)件，節(jié)約材料。

表2 結(jié)構(gòu)體系水平地震作用下效應(yīng)

4.支座隔震的施工及構(gòu)造措施思路

在設(shè)備支座處設(shè)置隔震支座的施工要求[3]不同于其他結(jié)構(gòu)的相關(guān)施工要求，其隔震支座主要是降低設(shè)備水平地震能量，使設(shè)備和支撐框架的振動(dòng)頻位不一致，主要是降低超重設(shè)備對(duì)框架的沖擊影響，重要性低于其他結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)處設(shè)置隔震支座的情況。施工的注意事項(xiàng)，主要體現(xiàn)在以下幾方面：隔震設(shè)備外壁與支撐結(jié)構(gòu)體系的碰撞構(gòu)造間距，滿足罕遇地震下大變形要求，即間距不宜小于隔震支座在罕遇地震作用下水平位移限值的1.2倍且不小于200mm。支座的安裝偏差應(yīng)滿足規(guī)范《建筑隔震工程施工及驗(yàn)收規(guī)程》要求，支座底部墊板的中心標(biāo)高偏差不大于5mm，設(shè)備支座中心偏差不大于5mm；支座的傾斜度不大于支座直徑的1/300；[4]每個(gè)設(shè)備下的支座要求為同一廠家生產(chǎn)的隔震支座。

5.結(jié)論

目前，隔震技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用很廣，該技術(shù)已經(jīng)很成熟了。隔震技術(shù)主要應(yīng)用在民用建筑結(jié)構(gòu)中，一般在基礎(chǔ)與主體之間設(shè)置柔性阻尼隔震支座連接，改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，緩存和降低地震作用破壞影響。把該技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)設(shè)備支撐框架中，在設(shè)備與框架之間設(shè)置柔性阻尼設(shè)施，即設(shè)置隔震支座，通過實(shí)例模型模擬分析發(fā)現(xiàn)，可以有效地降低樓層剪力，傾覆力矩，地震作用等。現(xiàn)階段隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，大型工業(yè)項(xiàng)目越來越多，且超重大型設(shè)備應(yīng)用較多。改變常規(guī)設(shè)計(jì)思路，把隔震技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，可有效地節(jié)約材料，大大降低項(xiàng)目成本，提高結(jié)構(gòu)安全可靠度。