第 37 卷第 3 期 2015 年 3 月 武汉理工大学学报 Vol.37 No.3 JOURNALOF WUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY Ma.2015 췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍 doi:13963/j.issn.1671-4431.2015.0011 设置粘滞阻尼器的超高烟囱减震控制研究 王善谣, 魏文晖, 闵东, 魏文飞 ( 武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室, 武汉 430070) 摘要 : 根据悬挂式钢内筒烟囱结构的特点, 提出了在烟囱结构止晃点处设置粘滞阻尼器的消能减震方法 采用有限元软件 SAP2000 分别建立了传统的烟囱结构模型和设置粘滞阻尼器的烟囱结构模型, 进行了模态分析 多遇和罕遇地震作用下时程分析和地震反应谱分析 结果表明, 提出的在各止晃点设置粘滞阻尼器的方法对烟囱结构具有较好的减震控制效果, 烟囱结构的基底总剪力 平台层水平位移 混凝土外筒顶点位移和加速度均有明显减小 为同类超高烟囱抗震设计提供了一种新的消能减震设计方法 关键词 : 超高烟囱 ; 粘滞阻尼器 ; SAP2000; 消能减震中图分类号 : TU35 文献标识码 : A 文章编号 :1671-4431(2015)03-0058-06 SudyonDampingConolofSupeHigh-iseChimneywihViscousDampe WANGShan-yao,WEI Wen-hui,MIN Dong,WEI Wen-fei (HubeiKeyLabofRoadBidgeandSucueEngineeing,WuhanUnivesiyofTechnology,Wuhan430070,China) Absac: Inconsideaionoffeauesofhechimneywihsuspensoyinneseelcylinde,viscousdampewaspoposedobeseaheguidepoinsofchimneyoachievehepuposeofenegydissipaionandseismicmiigaion.ByusingfinieelemensofwaeSAP2000,womodelsofchimneysucues,wihandwihouviscousdampe,weeesaḇ lishedopefomheanalysesofmodal,imehisoyundefequenandinfequenseismicacions,andseismicesponse specum.theexpeimenalesulsshowhahepoposedmehodofseingviscousdampesaheguidepoinshasa goodefeconseismicmiigaionandconol,asheoalbasesheafoce,hehoizonaldisplacemenofplafom,he displacemenandacceleaionofouecylindeapexaldeceasesignificanly.ipovidesanewseismicmiigaiondesign mehodfosimilasupehigẖisechimneysucue. Keywods: supehigẖisechimney ; viscousdampe; SAP2000; seismicmiigaion 烟囱作为现代工业生产中应用广泛的高耸构筑物, 在工程中有着不可或缺的重要作用 随着工业化进程的不断发展, 烟囱的高度也在不断增大, 特别是火力发电厂所使用的超高烟囱, 高度甚至达到了 240 m 以上, 超过了现有规范的高度限值 与一般的建筑结构不同, 超高烟囱属于高柔结构, 它类似于一个独立悬臂结构, 几乎没有赘余杆件, 在结构内部可以设置的抗震防线也相对较少 因此, 在地震作用下, 一旦烟囱结构 [1] 的某个截面出现塑性铰则必然会造成严重破坏 传统的烟囱结构抗震设计方法往往是通过提高材料强度, 增大构件截面尺寸等途径来提高结构的抗震 [2] 性能 经实践证明, 传统方法确实能够达到抵御一定地震作用的效果, 但往往建造成本较高, 且无法避免结构发生一定的局部损坏, 对于超高烟囱而言, 这种缺陷更为明显 为了克服这一缺点, 对超高烟囱结构采用消能减震等被动控制的方法进行抗震设计是一种较好的抗震手段 被动控制因其构造简单, 且无需外界 [3-7] 能源支持等优点在桥梁 高层建筑和高耸电视塔等结构中都得到了广泛的应用, 但在超高烟囱这类高耸构筑物上的应用研究还较少 收稿日期 :2015-01-08. 基金项目 : 国家自然科学基金 (51178362) 和武汉市城建委科技计划 (201411). 作者简介 : 王善谣 (1987-), 男, 硕士生.E-mail:wangshanyao@whu.edu.cn
第 37 卷第 3 期王善谣, 魏文晖, 闵东, 等 : 设置粘滞阻尼器的超高烟囱减震控制研究 59 作者以某大型火电厂工程的超高烟囱为研究对象, 根据悬挂式钢内筒烟囱结构的特点, 提出在烟囱的止晃点设置粘滞阻尼器的消能减震方法 在地震作用下, 由于止晃平台与钢内筒之间产生的相对运动使得粘滞阻尼器产生相应的变形, 从而达到耗散地震能量, 增大结构阻尼并减小结构地震效应的目的 而且, 粘滞阻尼器的安装 维护和更换均较为方便, 非常适合在此类超高烟囱结构中应用 1 工程背景 以重庆某大型火电厂工程的超高烟囱为工程背景, 当地抗震设防烈度为 7 度, 设计基本地震加速度值为 10g, 设计地震分组为第二组,Ⅱ 类场地 烟囱结构形式为悬挂式双钢内筒烟囱, 其钢筋混凝土外筒高 263m, 上口外直径 21.2m,±0m 处外直径 31m, 初步设计烟囱外筒最大壁厚 800, 顶点壁厚 400, 混凝土设计强度等级为 C40 钢内筒高 270m, 出口直径为 8.3m, 材质为钛钢复合板 烟囱结构的剖面图如图 1 所示, 其中 i 为筒身坡度 结构平台分为支承平台 止晃平台 悬挂承重平台及顶层平台 除顶层平台和悬挂承重平台采用混凝土板封闭外, 其余均上铺格栅板 各平台上部 1m 处, 设置 4 个进风口 钢内筒共分为上 下两段 止晃平台布置平面图如图 2 所示 [8] 由于该烟囱结构高度达 270m, 超过规范中 240m 的限高要求, 采用常规的抗震设计方法将导致烟囱截面设计尺寸较大, 整体工程造价相对较高, 而采用设置粘滞阻尼器的消能减震的抗震设计方法, 将有效降低结构的地震作用, 减少结构的工程造价 2 设置粘滞阻尼器的超高烟囱有限元模型 采用有限元软件 SAP2000 对设置粘滞阻尼器的超高烟囱进行地震作用下的减震控制分析 建模时, 采用梁单元模拟烟囱结构平台的钢梁, 壳单元模拟烟囱结构的外筒剪力墙 钢内筒和平台板, 平台梁和外筒的连接采用铰接 地基采用刚性地基, 底部约束定义为固支刚性约束 钢内筒焊接在平台梁的牛腿上, 承重平台可以约束钢内筒的水平位移和竖直位移, 但不足以约束钢内筒的转角位移, 因此内筒与平台梁牛腿亦采用铰接 [9] 粘滞阻尼器采用基于 Maxwel 模型的弹簧阻尼单元, 其阻尼器与弹簧串联, 如图 3 所示 粘滞阻尼器力学模型如式 (1) 所示
60 武 汉 理 工 大 学 学 2015 年 3 月 报 ( v 1) fd =kdk =c 式中, dk 为 粘 滞 阻 尼 器 的 弹 簧 位 移; k fd 为阻尼 器 抗 力; 为弹簧常数; c 为阻尼系数; α 为阻尼指数; v 为阻尼器的变形 α 速度 文中采用的粘 滞 阻 尼 器 为 武 汉 理 工 大 学 研 发 的 粘 滞 阻 /m, 尼器,其阻尼器参数 为c=3 106 N s α= 5 粘 滞 阻 尼器示意图及设置粘滞阻尼器的止晃平台有限元模型如图 4 和图 5 所示 3 设置粘滞阻尼器的超高烟囱结构在地震作用下减震效应分析 分别建立未设置阻尼器的传统烟囱结构和设置粘滞阻尼器的烟囱结构(以下简称 无控结构 和 有控结 构 )有限元分析模型 粘滞阻尼器设置在止晃平台上钢内筒与钢梁之间的 止 晃 点 处,如 图 5 所 示 对 已 建 立的烟囱结构模型分别进行模态分析 多遇和罕遇地震作用下动力时程分析和地震反应谱分析 1 结构模态分析 两种结构的前 10 阶振型的自振周期见表 1 计算结果表明,无控结构和有控结构的各阶结构振型形式 没有发生变化;有控结构的基本周期相比无控结构略有增加,说明将内筒支撑改 为 粘 滞 阻 尼 器 后,结 构 整 体 刚度有所减小 表 1 两种结构的前 10 阶自振周期 阶数 1 无控结构周期/s 35 有控结构周期/s 44 增加幅度/ 2. 7 2 3 4 5 6 7 8 9 10 10 76 72 61 61 60 59 53 46 8. 1 1. 3 2. 8 16. 4 16. 4 15. 0 8. 5 2 8 21. 7 35 77 74 71 71 69 64 64 56 2 结构基底剪力 对无控结构和有控结构进行 7 度( 10g)多遇地震下时程分析 反应谱分析和罕遇地震下时程分析 根据规范中关于时程分析的地震波选择要求 [10],至少选择两条实际强震记录和一条人工模拟的加速度 时程曲线 实际强震记录选择常用的 ElCen o 波和 Ta f 波,则根据 场地地震地 质 环 境 评 价 报 告 提供的地震动参数生成符合要求的地震波, 7 度多遇地震波加速度峰值为 35cm/s2 在多遇地震下,无控结构和有控结 构 最 大 基 底 剪 力 分 析 结 果 见 表 2, ElCen o波 作 用 下 结 构 的 基 底 剪 力时程如图 6 所示(由于篇幅限制,仅列出了 ElCen o 波的地震响应时程,下同) 由表 2 和图 6 可以得到,时程分析中,多遇地震作用下的有控结构平均基底剪力为 3168,对应的无 控结构平均基底剪力为 395 7,降低幅度达到 19. 87 其中在 ElCen o 波作用下烟囱结构基底剪力 降低幅度最大,达到 2 20 ;在反应谱分析中降低幅度为 18. 56
第 37 卷第 3 期王善谣, 魏文晖, 闵东, 等 : 设置粘滞阻尼器的超高烟囱减震控制研究 61 对无控结构和有控结构进行 7 度 (10g) 罕遇地震下弹塑性时程分析, 地震波加速度峰值为 220cm/s 2 无控结构和有控结构最大基底剪力分析结果见表 3,作用下结构的基底剪力时程如图 7 所示 表 2 多遇地震下结构最大基底剪力 反应谱 4492 3450 220 3524 2884 18.16 3845 3170 17.56 3669 2988 18.56 表 3 罕遇地震下结构最大基底剪力 28235 19807 29.85 22151 16296 26.43 24169 18149 24.91 由表 3 和图 7 可以得到, 罕遇地震作用下的有控结构平均基底剪力为 18084, 对应的无控结构平均基底剪力为 24852, 降低幅度达到 27.23 其中在 作用下烟囱结构基底剪力降低幅度最大, 达到 29.85 可见, 烟囱结构在设置粘滞阻尼器后, 有效降低了结构的地震作用, 减小了结构各构件的内力, 且烟囱结构在罕遇地震作用下的减震效果优于多遇地震的减震效果 3 结构水平位移通过多遇地震下的时程分析和反应谱分析, 得到结构平台层的最大水平位移见表 4,下的外筒顶点位移时程如图 8 所示 表 4 多遇地震下平台层最大水平位移 平台层 标高 /m 反应谱 35 8 7 12.50 5 4 200 7 6 14.29 7 6 14.29 70 7 2.9 21.62 2.9 2.4 17.24 5 2.8 200 3 2.7 18.18 105 8.5 7.0 17.65 6.9 5.6 18.84 7.3 5.9 19.18 7.6 6.2 18.42 140 14.5 12.2 15.86 11.5 9.2 200 12.8 13 19.53 15 18 200 175 21.2 17.0 19.81 17.3 18 223 19.5 15.6 200 29 16.6 257 210 27.9 22.7 18.64 26 18.6 21.19 25.1 20 232 29.3 22.8 22.18 245 34.8 27.2 21.84 31.4 24.8 21.02 32.4 25.3 21.91 38.2 29.6 22.51 260 38.2 33 268 35.4 27.8 21.47 36.9 28.9 21.68 42.0 32.8 21.90 由表 4 和图 8 可以得到, 结构在多遇地震作用下, 时程分析和反应谱分析得到的平台层最大水平位移变 化规律基本保持一致, 时程分析中 作用下无控结构顶层平台水平位移最大, 设置粘滞阻尼器后
62 武汉理工大学学报 2015 年 3 月 降低幅度达到 268; 在反应谱分析中其降低幅度则为 21.90, 外筒顶点位移幅值由 38.8 减小为 37, 降低幅度达 288 在罕遇地震下, 结构平台层的最大水平位移见表 5,下的外筒顶点位移时程如图 9 所示 表 5 罕遇地震下平台层最大水平位移 平台层 标高 /m 35 5.0 9 22.00 1 2.4 22.58 4.4 4 22.73 70 23 16.7 28.33 18.2 16 25.27 22.0 16.0 27.27 105 54 39.2 26.59 44 32.6 24.88 45.9 34.3 25.27 140 91.1 67.6 25.80 72.3 53 26.28 85 59.5 26.09 175 133 97.0 27.23 108.7 79.8 26.59 122.6 88.0 28.22 210 175.4 129.2 26.34 148.3 107.3 27.65 157.8 114.5 27.44 245 218.7 155.6 28.85 197.4 143 27.41 207 144.2 29.21 260 241 167.5 324 222.5 158.2 28.90 231.9 164.9 28.89 由表 5 和图 9 可以得到, 在罕遇地震时程分析中,3 条不同地震波作用下, 与无控结构相比, 有控结构相 应平台层最大位移均有不同程度降低, 且降低幅度都在 20 以上 作用下无控结构顶层平台水 平位移最大, 设置粘滞阻尼器后降低幅度达到 324; 外筒顶点位移幅值由 248 减小为 174, 降低幅度达 311 通过对比 7 度多遇地震和罕遇地震的时程分析可以发现, 罕遇地震作用下的有控结构平台层最大位移 和外筒顶点位移较多遇地震作用下降幅更为明显 4 结构加速度 通过对两种结构进行 7 度多遇和罕遇地震时程分析得到烟囱结构外筒顶点加速度幅值见表 6, 外筒顶 点加速度时程如图 10 和图 11 所示 表 6 外筒顶点加速度幅值 地震工况 无控 结构 / (m s -2 ) (m s -2 ) 无控 结构 / (m s -2 ) (m s -2 ) 无控 结构 / (m s -2 ) (m s -2 ) 7 度多遇 7946 6114 205 7269 5727 21.21 7654 5943 22.35 7 度罕遇 4.9944 4177 31.57 4.5691 3624 26.41 4.8111 4625 28.03 由表 6 和图 10 图 11 可以看出, 在时程分析中,3 条不同地震波作用下, 与无控结构相比, 有控结构外筒 顶点加速度幅值均有所降低, 罕遇地震作用下较多遇地震作用下降幅更为明显 其中,作用下, 外筒顶点加速度幅值降幅最大,7 度多遇地震下的加速度幅值由 7946m/s 2 减小到 6114 m/s 2, 降低幅
第 37 卷第 3 期王善谣, 魏文晖, 闵东, 等 : 设置粘滞阻尼器的超高烟囱减震控制研究 63 度为 205;7 度罕遇地震下的加速度幅值由 4.9944m/s 2 减小到 4177m/s 2, 降低幅度为 31.57, 表 明通过在止晃点设置粘滞阻尼器能够有效减小结构的加速度 综合以上分析可以看出, 在烟囱结构的止晃点设置粘滞阻尼器后, 结构的基底剪力 平台层水平位移 外筒顶点位移和加速度均明显减小, 罕遇地震作用下有控结构的减震效果更为明显 将烟囱混凝土外筒的截面厚度进行调整, 最大壁厚 750, 顶点壁厚 350, 并在止晃平台各止晃点设置粘滞阻尼器后, 计算分析所得到的各平台层水平位移与未设置粘滞阻尼器的原烟囱结构基本一致 说明烟囱结构在设置阻尼器后, 所受到的地震作用明显减小, 并能有效减小主要结构构件的截面尺寸, 节约了材料, 产生了可观的经济效应 4 结论 a. 烟囱结构在钢内筒止晃点设置粘滞阻尼器后, 结构各阶振型形式没有发生变化, 与有控结构的基本周期相比无控结构略有增加, 说明将内筒支撑改为粘滞阻尼器后, 结构整体刚度有所降低 b. 设置粘滞阻尼器后, 地震作用下的结构基底剪力 平台层及外筒顶点的最大水平位移和外筒顶点最大加速度均有明显下降 在多遇地震分析中, 基底剪力降低幅度最大可达 22, 外筒顶点的水平位移最大减小幅度达到 288, 加速度降低幅度最大为 205; 在罕遇地震分析中, 基底剪力降低幅度最大可达 29.85, 外筒顶点的水平位移最大减小幅度达到 311, 加速度降低幅度最大为 31.57 罕遇地震作用下的减震效果优于多遇地震 c. 通过在止晃点设置粘滞阻尼器, 烟囱结构所受到的地震作用明显减小, 能有效减小烟囱结构外筒的截面厚度, 节约材料, 产生可观的经济效应 为同类超高烟囱抗震设计提供了一种新的消能减震设计方法 参考文献 [1] 时素红. 改建烟囱结构的静力弹塑性分析研究 [D]. 上海 : 同济大学,2009. [2] JohnL Wilson.EahquakeResponseofTalReinfocedConceeChimneys[J].EngineeingSucues,2003,25(1): 11-24. [3] 吴波, 李惠. 建筑结构被动控制的理论与应用 [M]. 哈尔滨 : 哈尔滨工业大学出版社,1997. [4] EngelenK,Ramon H,Saeys W,eal.PosiioningandTuningofViscousDampeonFlexibleSucue[J].Engineeing Sucues,2007,304(3-5):845-862. [5] 吴波, 李惠, 陶全兴, 等. 安装粘滞阻尼器结构的抗震设计方法研究 [J]. 地震工程与工程振动,2000,120:87-9 [6] 翁大根, 卢著辉, 徐斌, 等. 粘滞阻尼器力学性能试验研究 [J]. 世界地震工程,2002,18(4):30-34. [7] Nicolalongaini,MacoZucca.AChimney sseismicassessmenbyatuned MassDampe[J].EngineeingSucues, 2014,79:290-296. [8] 中国冶金建设协会.GB50051 2013 烟囱设计规范 [S]. 北京 : 中国计划出版社,201 [9] 北京金土木软件技术有限公司.SAP2000 中文版使用指南 [M]. 北京 : 人民交通出版社,2006. [10] 中国建筑科学研究院.GB5011 2010 建筑抗震设计规范 [S]. 北京 : 中国建筑工业出版社,201