地震作用下钢筋混凝土烟囱结构计算分析.pdf

第 4 0卷 第 4期 2 0 1 3年 4月 建筑技术开发 Bu i l d i n g Te c h ni q ue De v e l o p me nt Vo 1 4 0， No 4 Apr 2 01 3 地震作用下钢筋混凝土烟囱结构计算分析 龚代瑜 ( 中煤科 工集 团武 汉设计 研 究院 ， 武汉4 3 0 0 7 0 ) 摘要 以河北某 电厂钢筋混凝 土烟囱为背景 ， 利用有 限元计算软 件 A B A Q U S 进 行地震作用 下钢筋混凝 土烟 囱的计 算分 析。通过 烟囱的模态分 析和计算 ， 了解 了烟 囱结构 的 自振特性 ， 对 钢筋混凝 土结构烟 囱的地震分析 主要 是对 烟囱顶 点的时程反应分析进行 ， 对 比和 分析计算 结 果 ， 简述 了钢筋混 凝 土烟 囱的阻尼 比对地 震计算 的 影 响 。 关键词】 地震作用 ； 钢 筋混凝 土烟囱 ； 时程分析 ； 有 限单 元法 中图分类号 T U 3 7 5 文献标 志码 A 文章编号 1 0 0 1 5 2 3 X( 2 0 1 3 ) 0 4 0 0 0 9 0 3 1概述 众所周知 ， 地震给建筑物造成的破坏是很大的， 地震 作用 下建 筑物 的反 应 一 直受 到工 程 界 的关 注 。 目前 ， 在 我 国的工业 建筑 中 ， 烟 囱极 为普遍 ， 钢 铁厂 、 火 电厂 、 化工厂 等都 建 有 上 百 米甚 至 数 百 米 高 的 烟 囱 ， 因此 烟 囱抗 震性 能 的好 坏 不仅 直 接 关 系 到其 附 近建筑物的安全， 而且直 接影响城市 的抗震 减灾。 由于结构在地震动力作用下过程复杂 ， 影响因素较 多 ， 因此 ， 关 于烟 囱结构 的抗 震研 究 多限于 假设 和计 算 理论 ， 对 烟 囱的震 动模 型试 验 资料还 不多 ， 对 烟 囱 在 动力作 用下 的 响应 的认识 还不 够充分 。本 文简 述 了利 用 大 型有 限元 计 算 软 件 A B A Q U S对 钢 筋 混 凝 土烟 囱结 构进 行地 震 动 作 用 下 的分 析 过 程 ， 具 有 一 定 的实 际意义 。 2 工程概 况 本次计算分 析 以河北 某 电厂 2 1 0 m钢 筋混 凝 土 烟 囱为背景 。该烟 囱底部外 壁直径 为 1 8 5 m， 壁厚 为 6 0 0 m m， 烟 囱顶部外壁 直径为 7 5 m， 壁厚 为 2 0 0 m m。 基础 为 圆板 形 式 ， 基 础 半 径 为 1 5 m， 厚 度 为 5 m， 桩 基础 。 3计 算模型 的建 立 本 次计 算 利 用 大 型 有 限 元 计 算 软 件 A B A Q U S 对钢 筋 混凝土 烟 囱进 行 建 模 计算 ， 在进 行 建 模 计 算 的过 程 中 ， 遵 循 以下 几 点 ： 1 ) 对 于 烟 囱筒 壁 内的 钢 筋 ， 假定 混凝 土和钢 筋 的粘结 良好 ， 等效 为均 匀连 续 的材料 ， 不考虑钢筋和混凝土间的滑移 ， 采用整体式 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 11 5 作者简介 ： 龚 代瑜 ( 1 9 7 7 一 ) ， 男 ， 湖北云梦县人 ， 毕业 于天津大学 ， 本科 学历 ， 高级工程师 ， 现从 事建筑结 构设计工作 。 模 型 ； 2 ) 有 限元建 模时 考虑 1 3 1 8 02 1 7 5 0 m处 的 烟 道孔 ， 建模 时按 照 烟 道孔 的实 际 尺 寸进 行 建 模计 算 ， 对 于局部 的其他 较小 孔洞 ， 计算 时为 避免应 力集 中 ， 不 予考 虑 。烟 囱的整 体计算 模 型见 图 1 。 图 1 烟 囱整体计算模型 钢筋混凝 土烟 囱使用 的材料为 ： 筒壁和基础 的 混 凝 土 采 用 C 3 0 混 凝 土 ， 筒 壁 竖 向 钢 筋 采 用 HR B 3 3 5级 钢 ， 环 向钢 筋 采 用 H R B 3 3 5级 钢 。 材 料 参 数见 表 1 。 表 1 材 料参数 重度 弹性模量 项 目 泊松 比 ,y ( k N m。 ) E MP a C 3 0混 凝 土 2 5 3 0 0 0 0 0 2 HR B 3 3 5钢筋 7 8 5 2 O O O O O 0 3 9 第 4期 龚代瑜 ： 地震作用下钢筋混凝土烟 囱结构计算分析 第 4 0卷 在计 算分 析过程 中直接对 烟 囱外筒底 部施 加 固 端 约束 ， 即约束 烟 囱外筒 底 面节点 的所有 自由度 ， 暂 不 考虑 烟 囱和底部 基础 的相 互作 用 。 4烟 囱 的模 态 分析 在进 行烟 囱地震 作用 分析 时 ， 首 先 要 确 定 烟 囱 的自振特 点 ， 本 次计算采 用子 空间迭代 法进行 计 算 ， 提 取 烟 囱的前 十 阶 频 率 ， 根 据 频 率 求 出 烟 囱 的 白振 周 期 。 因 为 烟 囱 在 平 面 上 属 于 轴 对 称 结 构 ， 所 以在 、 y平 面 上 、 l ， 方 向 的 自振 周 期 和频 率 是 成 对 出现 的 。结 构 的 前 十 阶 自振 频 率 和 自振 周 期 见表 2 。 由 表 2可 知 ， 该 烟 囱 的一 阶 自振 频 率 是 0 3 Hz ， 自振 周 期 为 3 3 3 s 。结 构 的前 五 阶 阵型 如 图 2所 示 。 表 2 结构 的前十 阶自振频率和周期 模态阶数 自振频率 H z 自振周期 s 1 0 3 O 3 3 3 2 O 3 0 3 3 3 3 0 9 7 1 0 3 4 0 9 7 1 0 3 5 2 2 2 0 4 5 6 2 2 2 0 4 5 7 3 9 4 0 2 5 8 3 9 4 O 2 5 9 6 0 3 0 1 7 l 0 6 O 3 O 1 7 图 2振 型 5烟 囱在地 震作 用下 分析 在 应 用 时程 分 析法 进 行 结构 的抗 震设 计 时 ， 不 但 要求 给 出结构 的必 要 参 数 ， 而 且 还 需要 确 定 输 入 的地震 波 。一般 根据 结 构 运 动 微分 方 程 ， 把 地 面 运 动加速度时间历程当做输入地震波。 1 0 对 于 结构 在 地震 作 用 下 的反 应 来说 ， 不仅 取 决 于结 构 的动力 特 性 ， 而且 也 与 输 入 的地 震 波 有 关 。 不 同的地震 波 ， 会 得 到相 差 很 远 的地 震 反 应 。不 同 地震 波 的计 算 结果 差 异 及地 震 动 的 随 机 性 ， 确保 计 算 结果 可靠 的关键 在于 选择合 理 的输入 地震 波来 进 行 动力 分析 。 5 1 烟 囱顶 点 时程反 应分析 本次计 算选 取 7度 罕遇 地震 的 T a f t 水 平波 和竖 向波 、 E I C e n t r o水 平 波 和竖 向波 、 T a f t 水 平 波及 E I C e n t r o水平 波 来 进 行计 算 ， 水平 加 速 度 的峰值 取 为 2 2 0 c m s ， ， 加速度峰值比取为 0 6 5 ， 进行钢筋混凝 土 烟 囱结构 的地震 时程 分析 。在进 行结 构动 力计算 时取阻 尼 比为 0 0 5 ， 地 震波 作用 下 烟 囱顶 点 的水 平 位 移 、 速 度 、 加 速 度 时 程 曲 线 分 别 见 图 3 、 图 4 、 图 5。 0 2 4 6 8 1 0 时间， s 图 3 烟 囱顶点水平位移时程 曲线 0 2 4 6 8 1 0 时间， s 图 4烟 囱顶点水平速度 时程 曲线 El - C a r t r oh E1 - -Ca r tr o h + h l T a f t h + v 0 2 4 6 8 1 0 时间， s 图 5 烟 囱顶点水平加速度时程 曲线 叭 一 一 一 一 量 攀 * 一 鼍 吝 繁 6 4 2 O ( ， 首 藿 * 第 4 0卷 龚代瑜 ： 地震 作用下钢筋混凝土烟 囱结构计算分析 第 4期 由图 3图 5可 以看 出 ， 烟 囱 顶 点 在 不 同 的 地 震 波作 用下位 移 、 速度 和加 速度反 应有 明显 的 区别 ， 反应 的峰值并 不 在 同一 时刻 发 生 。 同时 ， 烟 囱在 不 同地 震 波 的作 用下 表现 出 明显 的差 异 。 5 2 阻尼 比对地震 反应 的影 响 应 用有 限单元 法 来 进行 结 构 的动 力 分 析 时 ， 结 构质 量矩 阵 即刚 度矩 阵 K 都是 经 过单 元 的质 量矩 阵 m 和 单 元 的 刚 度 矩 阵 |j 集 合 而 建 立 的。 因此 ， 阻尼的问题就 比较复杂 ， 结构阻尼矩阵 c 不 是 通 过单元 的 阻尼 矩 阵集 合 得 到 的 ， 而 是利 用 已有 的实验 资料 ， 由振动 过 程 中结构 整 体 能 量 的消 耗 来 决 定 阻尼矩 阵 的近似 值 。 通常来 说 ， 使 用 瑞 利 阻 尼 ， 按 照 瑞 利 阻尼 的 假 设 ， 把多 自由度体系的运动方程结构阻尼矩阵 c 写成 质 量 矩 阵 与 刚 度 矩 阵 K的 线 性 组 合 形 式 ： C=O l + K 比例常 数可 以利用 振 型分解 的方法 由选 定 的两 个 振型 的阻 尼 比及 相应 自振频 率来 表示 ： = 2 ( 鲁w 一 鲁w 1 ( 去w 一 去w 1 l 、 、 一 。 I 卢 =2 ( f f Lw f ( W 一W ) A B A Q U S在 进行 结 构 的瞬态 分析 过 程 中 ， 瑞 利 阻尼 是通 过 比例常数 O d 及 的共 同作用来 实现 。 我 国现行 的 烟 囱设 计规 范 ( G B 5 0 0 5 1 2 0 0 2 ) 中规定 ， 对 于钢筋混凝土 烟囱 ， 在计算 地震作 用时 ， 阻 尼 比取为 0 0 5 。这 一规定 是认 为 烟 囱结构 处于 弹性 阶段时 的阻尼情 况 ， 但是 当烟 囱进入或接 近 弹塑性 阶 段 都 ， 阻尼是 随着 应力和变形 的发展 而变化 的。 以输 入 E LC e n t r o波为例 ， 分别 选 取三种 不 同的 阻尼 比 ： 0 0 2 、 0 0 5 、 0 1 2 ， 可 以 比较 出不 同的结 构阻 尼 比对结 构 地震响应 的影 响 。分析结果见 表 3 。 表 3 阻尼 比对 烟 囱时 程 分 析 结 果 的 影 响 顶点最大位移 ra m 阻 尼 比 方向 时间 8 Y方向 时间 s O 0 2 3 5 0 9 0 4 1 5 9 0 4 0 o 5 2 6 5 9 0l l 3 9 0 l 0 1 2 2 2 4 5 5 2 1 O 5 5 2 由表 3可知 ， 烟 囱阻尼 比的不 同 ， 对结 构时程 分 析 的影 响是 较 大的 ， 随着 阻尼 比的增 大 ， 烟 囱顶 点 的 位 移变 形达 到峰 值 的时 间逐 渐提 前 。阻尼 比的不 同 对 结构 地震 反应 的影 响很 大 ， 不 容忽视 。 6 结 束语 本 文 通 过对 烟 囱结 构 在 地震 作 用 下 的分 析 ， 了 解 了烟 囱结 构 的地震 作 用 特 性 ， 比较 和 分析 了不 同 阻 尼 比时烟 囱结 构 的不 同反 应 。同 时 ， 也应 该 认 识 到 ， 本次 计算 在建模 时采用整 体式 模型 ， 计算 和分 析 过 程 中没有 对钢筋 进 行 模 拟 ， 与 工 程 实 际仍 有 很 大 的差 别 ， 如果 采用 分 离式 的结 构 模 型来 计 算 和 分 析 钢筋 混凝 土 烟 囱在 地 震 作 用下 的 响应 ， 虽 然 工 作量 比较大 ， 但是更加符合实际的情况 ， 仍有进一步研究 的价 值 。 本 文对 烟 囱的模 态 分 析具 有 普遍 性 和 实用 性 ， 相 同地震 波作 用下 ， 钢筋 混凝 土烟 囱阻尼 比不 同 ， 结 构 的响应 也会 出现 较 大 的差 别 ， 对 以后 的结 构优 化 设 计具 有 一定参 考 意义 。 参 考 文 献 1 王光远 建筑 结构的振动 M 北京 ： 科学出版社 ， 1 9 7 8 2鲍华 ， 徐礼华 ， 周友 用 A N S Y S分析某高层建筑的非线性地震 反 应 J 武汉大学学报 ， 2 0 0 3 ， 3 6 ( 4 ) ： 8 3 ， 8 7 3 王勖成 有限单元法 北京 ： 清华大学出版社 ， 2 0 0 3 4烟 囱设 计 规 范 ( G B 5 0 0 5 12 0 0 2) S 北 京 ： 中 国计 划 出版 社 2 0 0 2 ( 上接第 3页) 稳 定承 载能力 准 确 反 映 出来 。所 以 ， 在 对 结 构 进 行 特 征值屈 曲分 析 的基 础 上 ， 必 须 考 虑结 构 的初 始几 何 缺陷 、 几何 非线性 及物 理非 线性 ， 进一 步进行 非线 性 屈 曲分 析 。 参 考 文 献 1 GB 5 0 0 5 1 2 0 0 2 烟囱设计规 范 S 北京 ： 中国计划 出版社 2 庄茁 ， 等 A B A Q U S S t a n d a r d有限元软件入 门指南 M 北 京 ： 清 华大学出版社 3 GB 5 0 1 3 52 0 0 6， 高耸结构设计规范 S 北京 ： 中国计划 出版社 4 董军 ， 周伟 大直径钢管烟囱有 限元分析与稳定设计研 究 J 特 种结构