罕遇地震下石化鋼結(jié)構(gòu)減震的關(guān)鍵影響因素

高劍　王忠凱　潘毅　葛慶子

摘要：在強烈地震作用下，煉油廠的石化鋼結(jié)構(gòu)可能發(fā)生破壞，導(dǎo)致較大的經(jīng)濟損失，并易引發(fā)嚴重的次生災(zāi)害。為降低石化鋼結(jié)構(gòu)的地震風(fēng)險，結(jié)合石化鋼結(jié)構(gòu)的特點，以某大型煉油廠重整裝置反應(yīng)器為例，建立有限元分析模型，設(shè)置黏滯阻尼器進行罕遇地震下的減震設(shè)計，并分析了阻尼器的設(shè)置位置、數(shù)量和阻尼參數(shù)等影響因素。研究結(jié)果表明，黏滯阻尼器所在樓層的層間剪力和層間位移角顯著減小，布置在結(jié)構(gòu)底部的減震效果優(yōu)于布置在中、上部；隨著阻尼器數(shù)量的增加，層間剪力和層間位移角都會隨之減小，但減少幅度逐漸降低；阻尼系數(shù)對石化鋼結(jié)構(gòu)減震效果的影響大于阻尼指數(shù)，減震設(shè)計中宜優(yōu)先調(diào)整阻尼系數(shù)以獲得較好的抗震性能。

關(guān)鍵詞：石化鋼結(jié)構(gòu)；罕遇地震；消能減震；影響因素；黏滯阻尼器

中圖分類號：TU392.6

文獻標志碼：A文章編號：16744764（2016）01009208

Abstract：

Strong earthquake has adverse impact on the petrochemical steel structures of refinery and lead to large economic losses and serious secondary disasters. We studied a reformer reactor of a large refinery， built the finite element model and set viscous dampers to reduce the seismic risk of petrochemical structures based on their characteristics. Then we analyzed the influence factors， including location， quantity and the damping parameters of the viscous dampers. The results show that the interstory force and interstory displacement angle of the floor where the viscous damper was setted decrease significantly， and the damping effect with setting viscous damper in the bottom is greater than that in the middle and upper part. Besides， the interstory force and interstory displacement angle decrease when the number of viscous damper increases， but the decrease amplitude reduces gradually. In addition， the influence of damping coefficient on the damping effect of the petrochemical steel structure is greater than that of the damping index. So the damping coefficient should be given priority to consider in the structure design for better seismic performance.

Keywords：petrochemical steel structure；rare earthquake；energy dissipation；influence factor；viscous damper

中國是地震多發(fā)的國家，很多石化企業(yè)的煉油廠處在七度及以上烈度區(qū)。地震導(dǎo)致的煉油廠基礎(chǔ)設(shè)施破壞，不但會給石化企業(yè)造成較大的直接經(jīng)濟損失，而且會引發(fā)嚴重的次生災(zāi)害，如火災(zāi)、爆炸、水源污染等，造成更大的間接損失。目前，石化行業(yè)是按照《石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》（SH 3147—2014） 進行抗震設(shè)計，這就意味著罕遇地震下仍然需要靠結(jié)構(gòu)的塑形變形來耗散地震能量。盡管煉油廠的構(gòu)筑物多采用鋼結(jié)構(gòu)，但由于其破壞后的嚴重后果，在罕遇地震下仍然存在較大的地震風(fēng)險。

采用黏滯阻尼器的消能減震技術(shù)已經(jīng)在民用建筑領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，很多學(xué)者對黏滯阻尼器的力學(xué)性能也進行了深入研究。周云等[13]對黏滯阻尼器在民用建筑中的設(shè)計方法和連接方式等進行了研究。翁大根等[4]對黏滯阻尼器力學(xué)模型和性能參數(shù)進行了研究。孫傳智等[5]對黏滯阻尼器的阻尼參數(shù)進行了研究。胡嵐[6]對設(shè)置黏滯阻尼器的煤氣化工業(yè)廠房的抗震性能進行了分析。高云鵬等[7]對帶減震構(gòu)造的立式LNG球罐的減震性能進行了分析。Tubaldi等[8]采用基于性能的方法對安裝了黏滯阻尼器的民用建筑進行了地震風(fēng)險性評估。Hejazi等[9]采用有限元軟件對設(shè)置有黏滯阻尼器的混凝土框架結(jié)構(gòu)進行了彈塑性分析。Kang等[10]采用蹺蹺板原理提出了鋼結(jié)構(gòu)中設(shè)計黏滯阻尼器的新方法。然而，上述減震設(shè)計的研究僅限于民用建筑和部分工業(yè)建（構(gòu)）筑物，鮮有見于在石化鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用。

針對石化鋼結(jié)構(gòu)的特點，為提高其抵御罕遇地震的能力，以八度區(qū)某大型煉油廠重整裝置反應(yīng)器為例，按照現(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)范，設(shè)置黏滯阻尼器，對罕遇地震作用下減震前后的石化鋼結(jié)構(gòu)進行彈塑性時程計算，并對影響減震的關(guān)鍵因素進行了分析。

1石化鋼結(jié)構(gòu)特點和減震影響因素

1.1石化鋼結(jié)構(gòu)特點

由于石化行業(yè)的生產(chǎn)工藝和設(shè)備的特殊性，石化鋼結(jié)構(gòu)與普通民用鋼結(jié)構(gòu)相比，有如下結(jié)構(gòu)特點：

1）層高較高，且層高不一。在石化鋼結(jié)構(gòu)中，由于設(shè)備和管線等安裝、生產(chǎn)、檢修等的需要，往往使結(jié)構(gòu)層的層高很大，且有時上下層高不同。

2）恒載較大，且重心較高。由于工藝要求，石化設(shè)備的尺寸較大，且荷載較大，因此，各層樓面荷載的重心較高，如圖1（a）所示。石化鋼結(jié)構(gòu)中塔器類設(shè)備的種類較多，這類設(shè)備往往穿越多層，可能導(dǎo)致石化鋼結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量分布不均勻。

3）活載較多，且受力復(fù)雜。結(jié)構(gòu)中的活載主要有平臺均布活載、平臺檢修活載、各類機器的當(dāng)量活載、溫度變化在設(shè)備支承面上引起的摩擦荷載、振動荷載等。此外，由于生產(chǎn)工藝的需要，一般情況下設(shè)備和管線的布置都是不均勻的，所以結(jié)構(gòu)荷載也是不均勻的，受力比較復(fù)雜。

4）結(jié)構(gòu)布置受制工藝流程。石化鋼結(jié)構(gòu)的平面布置和豎向布置既要滿足工藝要求，還應(yīng)滿足設(shè)備和管道的安裝、檢修要求，這對結(jié)構(gòu)中如何布置黏滯阻尼器提出了更高的要求。

1.2減震影響因素

在石化鋼結(jié)構(gòu)中，過大的層間變形可能導(dǎo)致設(shè)備和管線破壞，引起有害物質(zhì)的泄露，甚至導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸等極端破壞，因此，層間最大位移角就成為設(shè)計的控制性標準。此外，由于結(jié)構(gòu)的荷載較大，為了滿足承載力和抗震的要求，現(xiàn)有石化鋼結(jié)構(gòu)的截面尺寸都比較大。采用減震設(shè)計后，能否在保證同樣安全水準的前提下，適當(dāng)減小截面尺寸，或者不減小截面尺寸，分析其安全水準的提高，是值得研究的問題。因此，層間剪力也是石化鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中的關(guān)鍵指標。

基于層間最大位移角和層間剪力這兩個指標，在石化鋼結(jié)構(gòu)中設(shè)置黏滯阻尼器，在罕遇地震作用下，擬對以下影響其減震性能的關(guān)鍵因素進行分析。

1）阻尼器的設(shè)置位置。文獻[1]和[11]均指出，在阻尼器布置上，黏滯阻尼器宜沿結(jié)構(gòu)豎向均勻布置，也可在結(jié)構(gòu)薄弱層單獨布置。因此，在減震設(shè)計中，將阻尼器布置在合理的位置，可以增強耗能效果，不僅耗能增加，而且結(jié)構(gòu)抵抗地震風(fēng)險的能力也將得到提高。筆者根據(jù)石化鋼結(jié)構(gòu)的特點，對阻尼器的不同布置位置進行分析，并將其與減震前的結(jié)構(gòu)進行對比。

2）阻尼器的數(shù)量。在減震設(shè)計中，結(jié)構(gòu)附加阻尼比的大小直接影響能量消耗的多少，而對于同類阻尼器，數(shù)量的多少又直接影響附加阻尼比的大小。因此，阻尼器的數(shù)量直接影響結(jié)構(gòu)的減震效果。

3）阻尼器的阻尼參數(shù)。由文獻[1214]中黏滯阻尼器的力學(xué)模型可知，粘滯阻尼器提供的阻尼力F與其兩端的相對速度V有如下關(guān)系：

F=-CVα=-CVα，V≥0

C（-V）α，V<0（1）

式中：C為阻尼系數(shù)；α為阻尼指數(shù)。在采用黏滯阻尼器減震進行結(jié)構(gòu)的消能減震設(shè)計時，可以通過調(diào)整阻尼系數(shù)和阻尼指數(shù)來調(diào)節(jié)阻尼力的大小，從而提高阻尼器的減震效果。在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，應(yīng)盡量控制附加阻尼器提供的阻尼力，這樣可以降低結(jié)構(gòu)的建造成本[5]。因此，通過調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)和阻尼指數(shù)，對比分析不同阻尼參數(shù)對石化鋼結(jié)構(gòu)減震效果的影響。

2結(jié)構(gòu)模型

2.1工程背景

石化鋼結(jié)構(gòu)的工程為某大型煉油廠重整裝置反應(yīng)器，結(jié)構(gòu)總高度為40.6 m，共11層，如圖1所示。工程抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度值0.30g，場地類別為Ⅱ類，設(shè)計地震分組為第一組，場地特征周期Tg=0.35 s。

2.2分析模型

根據(jù)重整裝置反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)布置，采用軟件SAP2000建立有限元模型，如圖2所示。在石化鋼結(jié)構(gòu)中，受到生產(chǎn)工藝的限制，石化設(shè)備布置存在不均勻的現(xiàn)象。一些設(shè)備是直接落地的，這些設(shè)備的荷載在建模時直接傳遞給基礎(chǔ)；另一些設(shè)備是作用在鋼構(gòu)架層上，這些設(shè)備的重力在建模時作為集中荷載考慮，按照《石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》（SH 3147—2014），將這些設(shè)備的質(zhì)量均勻分配給其穿過的各層，再進行抗震分析?？紤]到塔器類設(shè)備與各層樓板的連接類似剛接，對樓板剛度的削弱不大，故樓板沒有開洞處理。按照文獻[15]中有關(guān)地震波選取的要求，選擇Ⅱ類場地上的3條地震波，天然波El Centro、Usa 00684和人工波ACC2，3條地震波的加速度反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜對比如圖3所示，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）的規(guī)定，罕遇地震8度（0.3g）時時程分析所用地震加速度時程的最大值510 cm/s2，將上述地震波進行調(diào)整，并考慮雙向地震作用X∶Y=1∶0.85，輸入有限元模型中進行分析。

3關(guān)鍵影響因素分析

3.1基本參數(shù)

采用SAP2000中的非線性連接單元Damper模擬黏滯阻尼器，其中黏滯阻尼器的力學(xué)參數(shù)如表1所示。根據(jù)中國石油工程建設(shè)公司的意見，黏滯阻尼器的連接方式采用人字形連接，以便于管線連接、石化設(shè)備安裝與檢修。黏滯阻尼器安裝在第1～5層，每層數(shù)量為6個，X向與Y向各3個，其平面布置如圖4所示。

3.2黏滯阻尼器的設(shè)置位置對減震性能的影響

根據(jù)3.1節(jié)基本參數(shù)的設(shè)定，黏滯阻尼器力學(xué)參數(shù)如表1所示，其數(shù)量為每層6個，平面布置如圖4所示。按照3種不同豎向位置進行設(shè)置，即底部（第1～3層）、中部（第4～6層）和上部（第8～10層）。在罕遇地震作用下，分別計算這3種情況，其結(jié)果如圖5所示。在對石化鋼結(jié)構(gòu)進行有限元分析時，所選3條地震波的計算結(jié)果的規(guī)律類似，限于篇幅，僅以El Centro波為例說明，下文相同。

對比3種不同豎向布置的計算結(jié)果，可以得出：

1）相比設(shè)置前的結(jié)構(gòu)，設(shè)置黏滯阻尼器樓層的層間剪力會大幅降低。布置在結(jié)構(gòu)底部、中部的層間剪力要小于布置在上部的層間剪力。

2）設(shè)置黏滯阻尼器后，設(shè)置黏滯阻尼器的樓層的層間位移角明顯減小。總體上看，黏滯阻尼器布置在結(jié)構(gòu)底部比布置在中、上部，更有利于減少層間位移角。

3）對于石化鋼結(jié)構(gòu)，黏滯阻尼器的設(shè)置位置除宜沿結(jié)構(gòu)豎向均勻布置外，還要考慮生產(chǎn)工藝的要求。如果生產(chǎn)工藝不允許在該樓層布置時，黏滯阻尼器應(yīng)布置于該樓層的相鄰樓層。

將黏滯阻尼器設(shè)置在結(jié)構(gòu)中，在地震作用下，阻尼器可以有效消耗地震能量，降低其所在樓層的地震響應(yīng)。在相同地震作用下，阻尼器布置在底部樓層在減小所在樓層地震響應(yīng)的同時，又可以減小地震作用向上部樓層的輸入，使得黏滯阻尼器布置在結(jié)構(gòu)底部比布置在中、上部消能更有效。

3.3黏滯阻尼器的數(shù)量對減震性能的影響

對石化鋼結(jié)構(gòu)進行消能減震設(shè)計時，阻尼器的數(shù)量也是重要因素。根據(jù)3.1節(jié)基本參數(shù)的設(shè)定，黏滯阻尼器力學(xué)參數(shù)如表1所示，其分布樓層為1～5層。按照3種不同的數(shù)量設(shè)置，分別為每層6個（圖4）、每層8個（圖6）和每層10個（圖7）。在罕遇地震作用下，分別計算了這3種情況，其結(jié)果如圖8所示。

對比3種不同設(shè)置數(shù)量的分析，可以得出：

1）對比設(shè)置不同數(shù)量粘滯阻尼器的結(jié)構(gòu)，層間剪力和層間位移角都會隨著黏滯阻尼器數(shù)量的增加而減小，但減小幅度逐漸降低。

2）對于未設(shè)置黏滯阻尼器的樓層，在罕遇地震作用下，層間剪力和層間位移角均略有減小，但減小幅度有限。

3）結(jié)構(gòu)的減震能力隨著黏滯阻尼器的增加而增強，但數(shù)量過多，阻尼器將不能充分利用。因此，在石化鋼結(jié)構(gòu)的減震設(shè)計中，宜通過試算確定黏滯阻尼器的數(shù)量，避免徒增工程造價。

結(jié)構(gòu)中設(shè)置黏滯阻尼器，在一定范圍內(nèi)減震效果隨附加阻尼比的增加而增大，當(dāng)附加阻尼比增加超出此范圍之后，由于阻尼器不能充分發(fā)揮消能作用，消能減震的增大幅度將逐漸減小。一方面，當(dāng)阻尼器類型相同時，提高阻尼器的使用數(shù)量即增加結(jié)構(gòu)附加阻尼比，導(dǎo)致部分阻尼器不能充分發(fā)揮消能作用，很不經(jīng)濟；另一方面，當(dāng)阻尼器數(shù)量不變而增加結(jié)構(gòu)附加阻尼比，使得阻尼器正常工作時阻尼力過大，導(dǎo)致鋼支撐因剛度不足而屈服，影響阻尼器充分發(fā)揮消能作用?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）中規(guī)定的消能部件附加結(jié)構(gòu)的有效阻尼比超過25%時，宜按25%計算，原因也是如此。

3.4黏滯阻尼的參數(shù)對減震性能的影響

在采用黏滯阻尼器進行結(jié)構(gòu)的消能減震設(shè)計時，可以通過調(diào)整黏滯阻尼器的阻尼系數(shù)和阻尼指數(shù)來提高阻尼器的減震效果。根據(jù)3.1節(jié)基本參數(shù)的設(shè)定，黏滯阻尼器為每層6個，平面布置如圖4所示，分布樓層為1～5層，按照3組不同力學(xué)參數(shù)（如表2所示）的黏滯阻尼器，將其布置在石化鋼結(jié)構(gòu)的有限元模型中，在罕遇地震作用下，分別計算這3種情況，其結(jié)果如圖9所示。

對比3組不同阻尼參數(shù)的分析結(jié)果，可以得出：

1）對比A組和B組的曲線，即增大黏滯阻尼器的阻尼指數(shù)，結(jié)構(gòu)的層間剪力和層間位移角均無明顯變化。

2）對比A組和C組的曲線，即增大黏滯阻尼器的阻尼系數(shù)，阻尼器所在樓層的層間剪力和層間位移角均明顯減小。

3）黏滯阻尼器的阻尼系數(shù)對其消能效果影響遠大于阻尼指數(shù)，因此，在進行黏滯阻尼器減震結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)該優(yōu)先調(diào)整阻尼系數(shù)。

從式（1）能夠得出，通過調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)和阻尼指數(shù)可以調(diào)整阻尼力的大小，進而影響阻尼器的減震效果，在實際計算中α一般介于0.2到1.0之間，而C的取值一般很大，通過調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)相比阻尼指數(shù)更易調(diào)整阻尼力，因此，從黏滯阻尼器的力學(xué)模型也可得出，阻尼系數(shù)對其消能效果影響遠大于阻尼指數(shù)。

4結(jié)論

結(jié)合石化鋼結(jié)構(gòu)的特點，以某大型煉油廠重整裝置反應(yīng)器為例，建立有限元數(shù)值模型，設(shè)置黏滯阻尼器進行罕遇地震下的減震設(shè)計，并對阻尼器的設(shè)置位置、數(shù)量和阻尼參數(shù)等影響因素進行了分析，得出如下結(jié)論：

1）黏滯阻尼器所在樓層的層間剪力和層間位移角顯著減小，布置在結(jié)構(gòu)底部的減震效果優(yōu)于布置在中、上部。黏滯阻尼器的設(shè)置位置除宜沿結(jié)構(gòu)豎向均勻布置外，還要考慮生產(chǎn)工藝的要求，必要時可向相鄰樓層調(diào)整，布置原則應(yīng)使得上下層結(jié)構(gòu)層間位移角盡量一致。

2）隨著黏滯阻尼器數(shù)量的增加，層間剪力和層間位移角都會隨之減小，但減少幅度逐漸降低。在石化鋼結(jié)構(gòu)的減震設(shè)計中，可采用試算確定阻尼器數(shù)量。

3）黏滯阻尼器阻尼系數(shù)對石化鋼結(jié)構(gòu)減震效果的影響大于阻尼指數(shù)，減震設(shè)計中宜優(yōu)先調(diào)整阻尼系數(shù)以獲得較好的抗震性能。

參考文獻：

[1] 1] 周云.粘滯阻尼減震結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2006.

Zhou Y. Nianzhi zuni jianzhen jiegou sheji [M]. Wuhan： Wuhan University of Technology Press， 2006. （in Chinese）

[2] 汪大洋， 周云， 王燁華， 等.粘滯阻尼減震結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用進展[J].工程震動與加固改造， 2006，28（4）：2231.

Wang D Y， Zhou Y， Wang Y H，et al. Stateoftheart of research and application on structures with viscous damper [J]. Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting， 2006， 28（4）： 2231. （in Chinese）

[3] 周云， 林紹明， 鄧雪松， 等. 設(shè)置懸臂肘節(jié)型黏滯阻尼器高層結(jié)構(gòu)的減震效果分析[J].工程震動與加固改造， 2014，36（2）：814.

Zhou Y， Lin S M， Deng X S， et al. Analysis of seismic mitigation effect on highrise building with cantilevertogglebrace viscous dampers [J]. Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting， 2014， 36（2）： 814. （in Chinese）

[4] 翁大根， 張超， 呂西林， 等. 附加黏滯阻尼器減震結(jié)構(gòu)實用設(shè)計方法研究[J]. 振動與沖擊，2012，31（21）：8088.

Weng D G， Zhang C， Lyu X L， et al. Practical design procedure for a energydissipated structure with viscous dampers [J]. Journal of Vibration and Shock， 2012， 31（21）： 8088. （in Chinese）

[5] 孫傳智， 李愛群， 繆長青， 等. 減震結(jié)構(gòu)粘滯阻尼器參數(shù)優(yōu)化分析[J]. 土木建筑與環(huán)境工程， 2013，35（1）：8085.

Sun C Z， Li A Q， Miao C Q， et al. Parameter optimization analysis of viscous dampers for dissipation structure [J]. Journal of Civil， Architectural & Environmental Engineering， 2013，35（1）：8085.（in Chinese）

[6] 胡嵐. 裝粘滯流體阻尼器的高層鋼結(jié)構(gòu)煤氣化工業(yè)廠房減震研究[D].武漢：武漢工業(yè)大學(xué)，2008.

Hu L. Seismic behavior of steel coal gasification highsise building with fluid viscous dampers [D]. Wuhan： Wuhan University， 2008. （ in Chinese）

[7] 高云鵬， 趙鳴. 帶減震構(gòu)造的立式LNG球罐減震性能分析[J].特種結(jié)構(gòu)，2013，30（5），5764.

Gao Y P， Zhao M. Damping performance analysis about vertical LNG spherical tank with damping structure [J]. Special Structures， 2013，30（5），5764.（in Chinese）

[8] Tubaldi E， Barbato M， Dall'Asta A. Performancebased seismic risk assessment for buildings equipped with linear and nonlinear viscous dampers [J]. Engineering Structures， 2014， 78： 9099.

[9] Hejazi F， Zabihi A， Jaafar M S. Development of elastoplastic viscous damper finite element model for reinforced concrete frames [J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering， 2014， 65： 284293.

[10] Kang J D， Tagawa H. Seismic performance of steel structures with seesaw energy dissipation system using fluid viscous dampers [J]. Engineering Structures， 2013， 56： 431442.

[11] 張志強，李愛群.建筑結(jié)構(gòu)黏滯阻尼器減震設(shè)計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012：6768.

[12] Hart G C， Wong K. Structural dynamics for structural engineers [M]. Wiley， 1999： 483530.

[13] 湯昱川， 張玉良， 張銅生. 粘滯阻尼器減震結(jié)構(gòu)的非線性動力分析[J]. 工程力學(xué)， 2004， 21（1）： 6771.

Tang Y C， Zhang Y L， Zhang T S. Nonlinear dynamic analysis of structures with viscous dampers [J]. Engineering Mechanics， 2004， 21（1）： 6771. （in Chinese）

[14] Hatzigeorgiou G D， Pnevmatikos N G. Maximum damping forces for structures with viscous dampers under nearsource earthquakes[J]. Engineering Structures，2014，68，113.

[15] GB 50011—2010 建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

GB 50011—2010 Code for seismic design of buildings [S]. Beijing： China Building Industry Press， 2010. （in Chinese）

（編輯胡英奎）