球形水塔結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

景殿春 周利劍 高 斌 孫銘陽

1大慶油田礦區(qū)服務(wù)事業(yè)部2東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院

球形水塔結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

景殿春1 周利劍2 高 斌2 孫銘陽2

1大慶油田礦區(qū)服務(wù)事業(yè)部2東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院

水塔結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)不僅與地震加速度峰值有關(guān)，而且與地震的持續(xù)時間、場地類別、卓越周期密切相關(guān)。選取了Taft波（第二類場地）、El—centro波（第三類場地）、天津?qū)幒硬ǎǖ谒念悎龅兀┖腿斯げǎǖ谝活悎龅兀┧念悎龅氐卣鸩ㄟM行地震動特性對水塔結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響分析。不同地震波作用下，球形結(jié)構(gòu)頂點位移峰值呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，具有較大的隨機性，并且位移峰值出現(xiàn)的時間會隨著儲液量的變化而變化；球形結(jié)構(gòu)頂點加速度峰值都隨著儲水量的增加而逐漸減小。地震作用下，球形水塔的等效應(yīng)力峰值隨著儲液量的增加而增大，支承結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力峰同樣隨著儲液量的增加而增大，并且大于水箱的等效應(yīng)力峰值，證明了在地震作用下，上部水箱結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的概率比較小，主要是支承結(jié)構(gòu)的破壞。

球形水塔；支承結(jié)構(gòu)；地震響應(yīng)；應(yīng)力峰值；最大位移

1 研究現(xiàn)狀

近些年，隨著人們對球形儲液結(jié)構(gòu)的深入研究，逐漸形成了一些理論：1957年，錢培風(fēng)教授首先提出豎向地震作用起主導(dǎo)作用的觀點；1983年，日本學(xué)者武藤清提出了將自由水單獨作為一個質(zhì)點，把塔體和水箱作為一個質(zhì)點的雙質(zhì)點體系模型；1994年，朱石堅在英國倫敦訪問期間將桁架式水塔結(jié)構(gòu)等效成一個單自由度的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，得出了設(shè)計變量的最優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型；鄒祖軍等人在2001年基于小幅度自由表面波動的線性理論導(dǎo)出水的晃動力計算公式，對規(guī)范中的方法提出了修改建議；2002年，錢培風(fēng)教授提出首先按規(guī)范算出水塔結(jié)構(gòu)的地震力，然后以震害規(guī)律為唯一依據(jù)對水塔的各種調(diào)整系數(shù)加以修正，使計算的最后結(jié)果能較好地解釋震害。

2 模型參數(shù)

本文模型采用8支柱支承結(jié)構(gòu)，對角距離為10m，支承高度為52m，水箱直徑11.55m，水箱壁厚0.018m。罐內(nèi)充裝液體水，液體密度為1000kg/m3，彈性模量為2.18×109N/m2。球殼材料采用16 MnR，密度為7.85×103kg/m3，材料彈性模量為2.06×1011，泊松比為0.3?？紤]材料的非線性，采用雙線性塑性模型，屈服強度取2.35×108N/m2，剪切模量為2.06×109N/m2。支承主要采用Q235-B級鋼材，主要為鋼管結(jié)構(gòu)，密度為7.8×103kg/m3，彈性模量1.92×1011N/m2，泊松比為0.3。材料（非線性）同樣采用雙線性塑性模型，屈服強度均取2.35×108N/m2，剪切模量為2.06×109N/m2。

3 動力響應(yīng)分析

3.1 地震波的選擇

水塔結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)不僅與地震加速度峰值有關(guān)，而且與地震的持續(xù)時間、場地類別、卓越周期密切相關(guān)。選取了Taft波（第二類場地）、El—centro波（第三類場地）、天津?qū)幒硬ǎǖ谒念悎龅兀┖腿斯げǎǖ谝活悎龅兀┧念悎龅氐卣鸩ㄟM行地震動特性對水塔結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響分析。這4條地震波加速度曲線見圖1。

3.2 位移、加速度時程分析

球形水塔結(jié)構(gòu)在El—centro波、Taft波、天津?qū)幒硬ê腿斯げㄗ饔孟虏煌瑑λ繒r的頂點位移時程曲線見圖2。為了使結(jié)果對比更加清晰明了，將不同地震波下不同儲水量的球形水塔頂點的最大位移列入表1。

表1 地震作用下不同儲水量球形水塔頂點位移最大值

從表1可以看出，在地震波峰值相同情況下，不同的地震波激勵，水塔的地震反應(yīng)也不盡相同。在El—centro波作用下，球形水塔頂點的最大位移先減小后增大，在儲水量50%和85%的情況下，頂點的最大位移均小于儲水量0時頂點的最大位移，并且在儲水量為50%時的最大位移比儲水量0情況下減小了50.86%；在Taft波作用下，球形水塔頂點的最大位移先增大后減小，當(dāng)儲水量為50%時，頂點位移比儲水量0時有小幅增加；在人工波作用下，球形水塔頂點的最大位移逐漸增大；在天津?qū)幒拥卣鸩ㄗ饔孟?，球形水塔頂點的最大位移先減小后微幅增加，但較El—centro波、Taft波和人工波的時程結(jié)果，天津?qū)幒硬ǖ臅r程結(jié)果明顯偏大，尤其是在儲水量0的情況下，這是因為天津?qū)幒硬ㄩL周期成分多，與儲水量0時水塔結(jié)構(gòu)自振周期較接近。在同一地震波作用下，儲水量多少影響著水塔結(jié)構(gòu)的振動特點，使得水塔位移最大值的大小和發(fā)生時間都產(chǎn)生變化。

圖1 地震波加速度時程曲線

圖2 地震波作用下球形水塔頂點位移時程曲線

球形水塔結(jié)構(gòu)在El—centro波、Taft波、天津?qū)幒硬ê腿斯げㄗ饔孟碌捻旤c不同儲水量的加速度時程曲線見圖3。為了使結(jié)果對比更加清晰明了，將不同地震波下不同儲水量的球形儲罐頂點的最大加速度列入表2。

由圖3及表2可以看出，在地震波作用的初始階段，同種地震波作用下，不同儲水量水塔頂點的加速度變化趨勢基本相同，之后呈現(xiàn)出不同的振動狀態(tài)，并且隨著儲水量的增加，加速度最大值逐漸變小。這是因為在地震波作用初始階段，水箱中水的振動相對滯后，水只做微幅振動，所以水的晃動對結(jié)構(gòu)的影響較??；當(dāng)?shù)卣鸩ㄗ饔靡欢螘r間后，水逐漸晃動起來，水與結(jié)構(gòu)產(chǎn)生耦聯(lián)振動，改變了結(jié)構(gòu)的振動狀態(tài)，在水箱儲水量不斷增加的過程中，加速度迅速減小，并且改變了加速度最大值出現(xiàn)的時刻。

圖3 地震波作用下球形水塔頂點加速度時程曲線

表2 地震作用下不同儲水量球形水塔頂點加速度最大值

3.3 等效應(yīng)力分析

由于水塔的破壞與水塔的應(yīng)力與應(yīng)變大小及分布相關(guān)，所以對水塔應(yīng)力及應(yīng)變的分布進行分析對掌握水塔的破壞機理具有重要的意義。水塔水箱的等效應(yīng)力峰值如表3所示。

表3 球形水塔水箱等效應(yīng)力峰值

由表3可以看出，不同儲水量對水塔水箱等效應(yīng)力峰值影響較大。同一地震波作用下，水箱的等效應(yīng)力峰值隨儲水量的增加而增加，儲水量50%時的水箱等效應(yīng)力峰值是儲水量0時的3.5倍左右；儲水量85%時的水箱等效應(yīng)力峰值是儲水量50%時的1.55倍左右。在水塔儲水量相同的情況下，不同地震波激勵作用下的等效應(yīng)力峰值相差較?。煌坏卣鸩ㄗ饔孟?，等效應(yīng)力峰值出現(xiàn)的時間會隨著儲水量的不同而變化，出現(xiàn)在不同的時刻。

不同地震波作用下的支承結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力峰值如表4所示。

表4 球形水塔支承結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力峰值

由表4可以看出，同一地震波作用下，支承結(jié)構(gòu)的應(yīng)力隨著水塔儲液量的增加逐漸增大；在El—centro波、Taft波和人工波作用下的支承結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力峰值相差不大，但都要小于天津?qū)幒硬ㄗ饔孟碌捻憫?yīng)。對比支承結(jié)構(gòu)和球形水箱的等效應(yīng)力峰值可知，在地震波作用下的水塔支承結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力峰值大于球形水箱的等效應(yīng)力峰值，這也證明了在地震作用下，上部水箱結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的概率比較小，主要是支承結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。

4 結(jié)論

（1）不同地震波作用下，球形結(jié)構(gòu)頂點位移峰值呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，具有較大的隨機性，并且位移峰值出現(xiàn)的時間會隨著儲液量的變化而變化，天津?qū)幒硬ㄗ饔孟碌捻旤c位移峰值要大于El—centro、Taft和人工波作用下的頂點位移峰值。

（2）不同地震波作用下，球形結(jié)構(gòu)頂點加速度峰值都隨著儲水量的增加而逐漸減小。

（3）地震作用下，球形水塔的等效應(yīng)力峰值隨著儲液量的增加而增大，支承結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力峰值同樣隨著儲液量的增加而增大，并且要大于水箱的等效應(yīng)力峰值，證明了在地震作用下，上部水箱結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的概率比較小，主要是支承結(jié)構(gòu)的破壞。

（欄目主持楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.6.005

基金論文：黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究（面上）項目計劃（12531087）資助。