0 引 言
在一些大型火力发电厂、钢铁公司、化工厂,一般都建有上百米的高大烟囱,其结构抗震安全性能不仅直接关系到附近建筑结构的安全,而且关系到城市抗震减灾生命线的功能。多年以来对烟囱结构在地震作用下的动态响应的研究仅有一些假设和计算理论,关于烟囱的振动模型试验的试验资料还不多,对于烟囱结构在动力输入时的应力响应特性的认识还不够充分,其主要原因是结构在地震作用下的破坏过程比较复杂,影响的因素较多。利用计算机软件对烟囱结构在地震作用下的抗震性能进行分析具有实际意义。
1 工程概况
按照实际建模,模型以天津某钢厂150 m 钢筋混凝土烟囱为背景。烟囱几何尺寸:底部外壁直径15. 000 m ,底部内壁直径14. 120 m ,顶部外壁直径6. 600 m ,顶部内壁直径6. 280m。基础为圆板形式, 基础半径为12. 500 m , 基础厚度为4. 000 m ,采用桩基础。
材料参数:筒壁和基础混凝土采用C40 ,弹性模量为3. 25×104 MPa ,泊松比为0. 2 ,材料密度为2 500 kg/ m3 。钢筋采用HRB335 级,弹性模量为2. 0 ×105 MPa ,泊松比为0. 3 ,材料密2 有限元模型建立[1 ]采用有限元分析软件内嵌APDL 语言编制计算程序,使建模得到简化。对于烟囱筒壁钢筋的处理,假定混凝土和钢筋粘结很好,视为连续均匀材料,采用整体式模型。这样处理的原因是建模简单,不考虑钢筋和混凝土之间的粘结和滑移[2 ] 。建模时考虑到实际受力的复杂性,将基础的所有边界约束,将筒体与基础的连接设为固结,暂不考虑上部结构与基础的相互作用。采用SOLID45 单元模拟钢筋混凝土烟囱中的筒体。
3 烟囱模态分析[3 ]
为了确定烟囱的自振特性,采用子空间迭代法进行计算,通过模态分析提取结构前10 阶频率,从而求得烟囱自振周期,如表1 所示。由于烟囱属于平面轴对称结构,故其水平X 、Y 方向的自振周期基本都是成对出现。由上表可知:烟囱的第1 阶自振频率为0. 53325 Hz ,第1 自振周期为1. 8753 s。计算得到前4 阶振型,如图1 所示。利用有限元分析软件进行烟囱地震反应分析
4 烟囱地震反应分析[4 ,5 ]
4. 1 顶层水平位移时程反应
为比较分析,选取2 条Ⅱ类场地土的天然地震记录进行分析计算:EL Centro 南北方向波,记录时间为30 s ,加速度峰值为341. 7 cm/ s2 ,记录时间间隔为0. 02 s ;Taft 波东南向地震记录持时为54. 38 s ,加速度峰值175. 945 cm/ s2 ,记录时间间隔为0. 02 s。工程中确定持续时间的原则是:地震记录最强烈部分应包含在所选持续时间内。对结构进行弹塑性最大地震反应分析,一般可考虑取持续时间为结构基本周期的5～10 倍。
利用分析程序,用完全法进行结构瞬态动力学分析。图2 和图3 是输入一维地震时烟囱顶部的位移时程曲线。从图中曲线可知:烟囱在不同地震波作用下的位移反应有明显差别,烟囱顶部位移反应峰值并不在同一时刻发生。罕遇地震作用相对于多遇地震作用下的烟囱顶部位移时程反应有成倍增加。
4. 2 顶层加速度时程反应
在输入EL Centro 波、Taft 波两种地震波作用下,烟囱顶部的加速度反应曲线见图4 和图5 所示。在罕遇地震作用下,烟囱顶部加速度相对于输入的地震波加速度有明显动力放大效应。由此可见,烟囱地震反应与结构本身的动力特性、地震波的频谱特性和地震强度都有关系,结构在不同地震波的激励下的地震反应表现出明显的差异。
4. 3 地震反应的影响因素分析
4. 3. 1 阻尼比的影响
《烟囱设计规范》( GB50051 - 2002) 规定,钢筋混凝土烟囱,其阻尼比取0. 05 ;该规定是烟囱结构基本处于弹性阶段时的阻尼情况,当烟囱结构接近或进入弹塑性阶段后,目前普遍认为其阻尼与材料的应力或变形状态相关,是随应力或变形的发展而增加的。以输入EL Centro 地震波为例,分别取3 种不同阻尼比0. 02、0. 05 和0. 12 时,比较不同阻尼比对结构地震响应的影响。图6 和图7 是烟囱在7 度X 向罕遇地震作用下顶部位移和加速度时程曲线。烟囱阻尼比对烟囱顶部位移时程曲线的影响较大,伴随阻尼比的增大,烟囱顶部位移峰值及加速度峰值均在减小。从表2 可以看出,阻尼比不同,结构的变形到达峰值的时刻也有所不同,随着阻尼比的增大,烟囱顶点位移达到峰值的时间有提前的趋势。分析结果证明了阻尼比对结构地震反应的影响较大,不容忽视。
4. 3. 2 地震波输入维数的影响
烟囱的地震破坏实际上都是三向地震分量综合作用的结果。双向水平以及竖向同时输入,大大增强了地震破坏力。为了分析地震波输入维数对烟囱地震反应的影响。采用两种输入方式,本文假定地震动输入考虑两个水平分量、不考虑垂直、扭转和摇摆分量。根据抗震规范规定考虑双向水平地震作用下的扭转地震作用效应时,取ay ( t) 为ax ( t) 的0. 85 倍,其加速度向量可表示如下:
输入EL Centro 地震波进行计算,其顶层最大反应结果见表3 所示。从表3 可以看出,在双向地震波同时输入时得到的X 方向的位移分量、速度分量和加速度分量相比单向输入时基本没有变化,而Y 方向的位移分量、速度分量和加速度分量则增加比较显著。
5 结 论
通过对烟囱结构的抗震分析,了解烟囱结构在地震作用下的动力特性,比较分析了在不同地震波及不同地震强度作用下的烟囱的地震反应。本文在建模时采用整体式模型,分析中得不到钢筋的应力位移曲线,与工程实际仍有一定的差距,而采用分离式模型分析烟囱地震作用下抗震性能,虽然工作量比较大,但仍值得进一步研究;另一方面,竖向地震对构筑物的影响比较复杂,且量值较大,其作用不容忽视,还有待于进一步的深入研究。本文对烟囱的模态分析和地震反应分析具有实用性和普遍性,计算结果表明:烟囱阻尼比和二维地震动输入等参数变化对烟囱地震反应的影响较为显著,输入不同的地震波,烟囱的地震反应差别明显,因此需要根据实际情况选用多条地震波进行分析,才能得到比较合理的结果,从而得出一些有益的结论,以利于指导和优化结构设计。
