復(fù)雜工業(yè)設(shè)備—結(jié)構(gòu)整體建模分析

高 蒙 高建嶺 張宏濤

(北方工業(yè)大學(xué)，北京 100144)

1 當(dāng)前存在的問(wèn)題

在常規(guī)的建筑結(jié)構(gòu)中，大多具有明顯的層的概念，組成的構(gòu)件是梁板柱等，但是工業(yè)設(shè)備往往是筒狀、管狀等，因此大多需要?dú)卧M(jìn)行模擬，在PKPM和盈建科等常規(guī)設(shè)計(jì)軟件中并沒(méi)有提供真實(shí)的殼單元，因此很難進(jìn)行精確的有限元分析，更難說(shuō)整體計(jì)算分析[1]。

2 目前建模方法

一種是在CAD中畫(huà)好模型，再導(dǎo)入到SAP2000中，例如對(duì)梁柱等構(gòu)件分別指定圖層，在SAP2000中依次導(dǎo)入選取相應(yīng)的構(gòu)件圖層；或從官網(wǎng)上尋找開(kāi)發(fā)的相應(yīng)插件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，整個(gè)過(guò)程比較簡(jiǎn)單，但是在低版本中可能會(huì)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的偏移合并、面截面導(dǎo)入等問(wèn)題。并且在后續(xù)使用過(guò)程中要一一指定截面，以及拉伸面截面，定義特殊構(gòu)件等，當(dāng)結(jié)構(gòu)較大，桿件較多時(shí)，難免會(huì)出現(xiàn)一些遺漏。

另一種是在SAP2000中依次建模，將設(shè)備和結(jié)構(gòu)分開(kāi)建模，最后通過(guò)坐標(biāo)定位進(jìn)行精確組裝，SAP2000中針對(duì)不同結(jié)構(gòu)給出了多種模型，例如：殼單元、儲(chǔ)藏結(jié)構(gòu)、地下混凝土管和板、實(shí)體模型等多種形式，通過(guò)組合可以快速滿足需要，并結(jié)合建模方式，包括：復(fù)制、節(jié)點(diǎn)拉伸成線、線拉伸成面等功能快速建模。不過(guò)由于自己建模可以方便的和圖紙進(jìn)行比對(duì)，并且可以利用SAP2000的單元庫(kù)選擇相應(yīng)的計(jì)算方法等：例如在建立工業(yè)設(shè)備模型時(shí)使用薄殼單元，建立剛性樓板時(shí)使用薄板單元；建立大體積混凝土?xí)r使用實(shí)體單元。

以上兩種方法，各有利弊，可綜合使用。以某焦炭塔結(jié)構(gòu)為例，焦炭塔結(jié)構(gòu)可大致分為混凝土框架、鋼框架、焦炭塔塔體三部分，這三部分可以分開(kāi)建模。

由于混凝土框架和鋼框架的主要構(gòu)件就是傳統(tǒng)的梁板柱，因此可在CAD中進(jìn)行繪圖，導(dǎo)入到SAP2000中；對(duì)于焦炭塔塔體可采取在CAD中畫(huà)出塔的體型線，導(dǎo)入到SAP2000中，使用高級(jí)編輯功能：按照需要的旋轉(zhuǎn)角度線拉伸成面，可以快速的建立塔體的模型；對(duì)于塔體和混凝土框架的頂板的連接可以采用SAP2000的管和板模型建立。最后再通過(guò)坐標(biāo)定位的方法組合起來(lái)。

3 算例和問(wèn)題

根據(jù)上述的基本流程，為了能說(shuō)明化工設(shè)備中可能遇到的問(wèn)題。選取的工程為化工類(lèi)構(gòu)筑物中的焦炭塔結(jié)構(gòu)，由框架結(jié)構(gòu)、鋼框架和焦炭塔塔體組成。混凝土框架高25.700 m，共2層，鋼框架高25.7 m～114.407 m，共17層，設(shè)備塔體直徑約9.8 m，壁厚0.053和0.059，從輸油頸口到塔底高度40.67 m，塔頂?shù)交炷量蚣茼?3.704 m，見(jiàn)圖1。

在建筑上的荷載包括一些管線、線路的等效恒荷載、活荷載和其他形式，而焦炭塔塔體內(nèi)部作用水加焦的壓力荷載、溫度循環(huán)的溫差荷載、塔體所覆蓋的保溫層的自重恒載等荷載形式。除此之外，考慮施加動(dòng)力荷載：風(fēng)荷載和地震荷載。對(duì)于風(fēng)荷載可以采取等效側(cè)立方法，對(duì)于地震荷載可采用振型分解反應(yīng)譜法或時(shí)程分析方法。

在算例中，考慮了結(jié)構(gòu)水平地震作用，設(shè)備考慮了內(nèi)部水壓力和保溫層恒載。

4 系統(tǒng)整體分析結(jié)果

在組裝模型和施加荷載完成后，用SAP2000進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，為了和傳統(tǒng)理念的設(shè)備等效成荷載進(jìn)行對(duì)比，用SAP2000對(duì)下述三個(gè)模型：

模型a——設(shè)備作為等效荷載考慮，將設(shè)備荷載添加到所在樓層中，此時(shí)計(jì)算模型僅包括結(jié)構(gòu)，僅考慮設(shè)備作為荷載的影響；

模型b——將模型a的地震時(shí)程響應(yīng)分析得到的設(shè)備與結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)處(即設(shè)備地腳螺栓處)的絕對(duì)加速度時(shí)程作為設(shè)備輸入時(shí)程，對(duì)連接點(diǎn)處的加速度時(shí)程進(jìn)行零線校準(zhǔn)后，作為地面運(yùn)動(dòng)加速度輸入模型b中計(jì)算得到設(shè)備的時(shí)程響應(yīng)；

模型c——考慮焦炭塔塔體與混凝土框架的相互作用，即建立焦炭塔結(jié)構(gòu)整體的相互作用模型進(jìn)行計(jì)算分析。與上述模型結(jié)果對(duì)比分析。

4.1 模態(tài)分析結(jié)果

下面給出三種模型的模態(tài)分析結(jié)果(見(jiàn)表1)，可以看出模型a和模型c中兩個(gè)方向的平動(dòng)周期比較接近，對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)有不利影響。模型a和模型c的前兩階振型相差不多，3，4階振型相差可達(dá)33%，這是由于振型3，4考慮了設(shè)備的作用。

設(shè)備的基本周期大約為0.33 s，所以對(duì)3，4階模態(tài)有很大影響，因此建議對(duì)整體進(jìn)行分析。

表1 振型分析結(jié)果

4.2 地震作用下的框架柱內(nèi)力

表2給出了兩個(gè)模型水平地震作用下的混凝土框架柱的內(nèi)力值，模型a剪力和彎矩均比模型c的彎矩大，最大差值為74%，由此可看出使用等效荷載方法使得結(jié)構(gòu)水平地震作用設(shè)計(jì)是偏安全的。因此，對(duì)于焦炭塔結(jié)構(gòu)而言，由于塔體本身質(zhì)心較高，剛度較大，因此考慮等效荷載的設(shè)計(jì)方法考慮的水平地震作用偏大嚴(yán)重。

表2 框架柱內(nèi)力分析結(jié)果

4.3 設(shè)備和結(jié)構(gòu)連接板處的處理和分析

在焦炭塔結(jié)構(gòu)體系中，由于塔體體積和自重較大，板上開(kāi)口也比較大，為了加強(qiáng)連接部位，板厚和梁截面相同。由于設(shè)備比較高，會(huì)穿越多層鋼框架平面，當(dāng)板洞和設(shè)備之間預(yù)留的間隙比較小，設(shè)備又相對(duì)較柔的時(shí)候可能會(huì)發(fā)生碰撞，為了模擬碰撞情況，對(duì)設(shè)備頂部處設(shè)置縫隙單元連接，當(dāng)縫隙的寬度變?yōu)榱愕臅r(shí)候，會(huì)產(chǎn)生壓力，并將壓力傳遞給結(jié)構(gòu)和相連接的單元。

由于設(shè)備和結(jié)構(gòu)的連接是通過(guò)厚板連接的，所以應(yīng)研究連接處厚板的應(yīng)力分布情況。圖2和圖3對(duì)比可以看出兩個(gè)模型的彎曲應(yīng)力分布趨勢(shì)相近，但是模型a結(jié)果偏小，不考慮應(yīng)力集中現(xiàn)象，模型a的彎曲應(yīng)力是模型b的1/4～1/2，如果根據(jù)等效應(yīng)力計(jì)算會(huì)偏向不安全。因此采取等效荷載方法是不安全的。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析可以看出，對(duì)于大型的設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，SAP2000可以考慮整體化的建模，可以考慮設(shè)備和結(jié)構(gòu)的連接情況，可以考慮設(shè)備的質(zhì)量、剛度和體型等因素，并且現(xiàn)行的SAP2000也可以和中文規(guī)范接軌，因此在大型設(shè)備結(jié)構(gòu)的計(jì)算中考慮到設(shè)備作用可用SAP2000進(jìn)行計(jì)算。

當(dāng)整體分析較為困難時(shí)，使用等效荷載方法算得的結(jié)構(gòu)整體的水平地震作用是偏保守的，對(duì)于連接部位來(lái)說(shuō)又是偏于不安全的，應(yīng)該在等效荷載計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)上適當(dāng)放大。