隔震技術在設備支撐結(jié)構中的應用探討

張國斌

天華化工機械及自動化研究設計院有限公司 甘肅 蘭州 730060

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

1.支撐結(jié)構設計的前提思路

目前常規(guī)工業(yè)設備支撐體系結(jié)構的設計過程，一般建筑結(jié)構的設計與工藝及設備設計在不同的部門完成的。土建部門負責整個支撐結(jié)構部分的處理和分析設計；工藝部門負責工藝流程計算和物料平衡分析，并對相關設備體系的安全度和設備設計條件分析設計。在整個設備支撐結(jié)構體系的設計工程中，工藝部門完成設備設計條件并提交給設備部門，設備部門依據(jù)設備設計條件完成設備設計，并把設備的邊界條件和設計要求反饋給工藝部門；工藝部門依據(jù)工藝流程要求，具體布置設備荷載和設計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支撐框架的要求，建立框架模型，優(yōu)化布置，并將相關設備的自重，操作重量，設備外形,風荷載等進行等效恒荷載換算，計算出設備支座處的豎向力，水平力，彎矩、扭矩等內(nèi)力進行相關樓層部位布置并進行模型分析計算設計。

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

2.隔震技術應用的流程

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

圖1 基本設計流程

3.實例模擬分析和相關措施的思路

根據(jù)上述設計流程，為了能夠說明PMSAP軟件[2]對重型設備支撐框架的設備支點處設置隔震支座的思路和優(yōu)點。通過某工業(yè)承重鋼框架實例，框架高20米，共四層，設備重1600KN，八個支耳，設備支座位于第三層。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 技術條件分析及建模組裝

工業(yè)項目設計過程中，結(jié)構設計部門是個輔助部門，工藝設計貫穿項目的始終，結(jié)構和設備圍繞工藝設計條件要求而展開；工藝體系對支撐結(jié)構規(guī)則布置的優(yōu)劣，制約著結(jié)構設計的復雜程度。工藝設計條件提出后，是否滿足結(jié)構相關設計要求，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注明大型管道和超重設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，不能反應其相關設備及管道的空間情況。結(jié)構設計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，特別使超重設備宜使其每層外荷載質(zhì)量中心宜靠近或與結(jié)構體系中心重合；對于較小的外荷載質(zhì)量，可按常規(guī)思路施加；超重設備按荷載等效換算并設橡膠隔震支座，橡膠支座可以有效降低水平地震作用對樓層梁和豎向構件的影響。

支撐結(jié)構設計條件要求優(yōu)化后，按常規(guī)建模方式很方便地完成支撐體系計算模型。進行模型試算，各結(jié)構構件是否滿足其強度、穩(wěn)定、變形規(guī)范要求；對偏差較大的構件進行適當調(diào)整，反復試算，直至滿足規(guī)范各項規(guī)定要求，保存模型，完成第一階段的建模任務。

3.2 附加隔震構件及防火措施思路

在滿足多遇地震作用變位驗算后，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備支耳的外伸尺寸，并把支耳設計要求和設備的平動影響，反饋給工藝和設備部門，調(diào)整支耳尺寸，防止設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條件要求確定設計。

對防火要求較高的化工設備，依據(jù)其相關承重梁構件的耐火級別設置耐火措施，一般情況按由里到外順序設置，如圖4所示：

圖4 防火流程

3.3 整體分析及結(jié)構比較

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

比較了該結(jié)構體系的模態(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。設置橡膠隔震支座主要增大結(jié)構周期，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)構變形過大造成的傾覆風險。兩模型分析發(fā)現(xiàn)，風荷載對兩模型影響不大，因為風荷載對于該支撐結(jié)構體系不起控制作用，風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算方法，因此沒有對其減小比較分析。

3.3.1 隔震結(jié)構的模態(tài)分析結(jié)果

此處給出模態(tài)分析前15個振型的周期結(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)構體系的動力特性，因為結(jié)構在動力荷載的作用下，總要產(chǎn)生一定的振動響應，而結(jié)構的振動往往是結(jié)構體系失穩(wěn)和構件連接節(jié)點破壞主要原因。因此研究結(jié)構體系的動力特性和動力強度是結(jié)構設計的重要內(nèi)容。增大結(jié)構振動周期，減小了結(jié)構的振動頻率，提高了結(jié)構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 振型周期簡圖

表1 模態(tài)振型周期

3.3.2 隔震技術的效應

一般隔震技術主要應用在高烈度地區(qū)的特殊建筑物，高層建筑，大跨度的結(jié)構，復雜的結(jié)構等，其本質(zhì)是在場地與建筑物之間設置剛度較小、阻尼較大的阻尼隔震機構，通過隔震機構吸收地震能量，減小地震能量的向上部機構傳遞，從而有效低降低地震對建筑物的作用。受這一原理啟發(fā)，把這一技術應用到工業(yè)重型設備支撐結(jié)構體系中，在重型設備支座處設置隔震支座，減小設備能量向支撐結(jié)構構件的傳遞，降低了設備的慣性水平力，從表2給出了兩個模型不同方向水平地震作用下的結(jié)構效應指標的對比可以看出。隔震技術的優(yōu)勢，地震所產(chǎn)生的等效水平作用力最大降低率達到了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)范隔震的相關要求調(diào)整結(jié)構構件，節(jié)約材料。

表2 結(jié)構體系水平地震作用下效應

4.支座隔震的施工及構造措施思路

在設備支座處設置隔震支座的施工要求[3]不同于其他結(jié)構的相關施工要求，其隔震支座主要是降低設備水平地震能量，使設備和支撐框架的振動頻位不一致，主要是降低超重設備對框架的沖擊影響，重要性低于其他結(jié)構在基礎處設置隔震支座的情況。施工的注意事項，主要體現(xiàn)在以下幾方面：隔震設備外壁與支撐結(jié)構體系的碰撞構造間距，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。支座的安裝偏差應滿足規(guī)范《建筑隔震工程施工及驗收規(guī)程》要求，支座底部墊板的中心標高偏差不大于5mm，設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]每個設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，隔震技術已經(jīng)應用很廣，該技術已經(jīng)很成熟了。隔震技術主要應用在民用建筑結(jié)構中，一般在基礎與主體之間設置柔性阻尼隔震支座連接，改變結(jié)構的動力特性，緩存和降低地震作用破壞影響。把該技術應用到工業(yè)設備支撐框架中，在設備與框架之間設置柔性阻尼設施，即設置隔震支座，通過實例模型模擬分析發(fā)現(xiàn)，可以有效地降低樓層剪力，傾覆力矩，地震作用等?，F(xiàn)階段隨著工業(yè)技術的不斷發(fā)展，大型工業(yè)項目越來越多，且超重大型設備應用較多。改變常規(guī)設計思路，把隔震技術應用到工業(yè)項目設計中，可有效地節(jié)約材料，大大降低項目成本，提高結(jié)構安全可靠度。