储气柜是冶金 、化工和城市煤气存储的主要设备 ,根据节能和经济性要求 ,储
气柜正在向大容量、高压力、大型化方向发展, 其抗震性能的研究对于
储气柜的安全可靠性具有重要影响 。传统的抗震设计方法是通过提高结构的刚度和延性来抵抗地震作用。近年发展起来的调谐质量阻尼器(turned mass damper ,简称 TMD)系统得到结构工程专家的认可 ,被用来控制结构的风振、地震反应和波浪荷载。利用结构的现有设备作为控制装置,具有较好的经济性和实用性。
本文根据气柜的实际结构特点 ,考虑悬浮的活塞与柜体弹性接触所具备的减震效应 ,提出将活塞视为悬浮质量块 , 作为气柜结构的质量阻尼器(suspended mass damper, 简称 SMD),建立抗震设计的双自由度计算模型, 与现行气柜抗震设计计算模型进行对比 , 研究活塞对气柜柜体抗震性能的影响,研究结果可以为相关技术规程的制定和在役气柜的安全评估提供参考 。
1 储气柜结构
正多边形干式储气柜由悬臂柜体和内部活塞2 部分组成 , 其中柜体由柜顶(包括柜顶桁架 、顶板、通风气楼和内部吊笼等)、棱柱壳(包括环梁、立柱和带肋壁板)和柜底(包括底板、底部油沟和支承结构)组成;活塞结构由活塞桁架、活塞底板、油沟和混凝土配重块组成。柜体结构如图 1 所示。
活塞与壁板之间的密封油沟中均匀设置有套筒弹簧,它们被固定于活塞周边的油沟板上, 顶住滑板 ,使帆布与壁板紧密接触防止漏气 , 如图 2a所示 。活塞桁架端部设有弹簧导轮, 内置碟形弹簧(如图 2b 所示),可在立柱内表面上下滚动 。正常工作状态下, 弹簧均处于半压缩状态 ,活塞悬浮于柜体中并与棱柱壳弹性接触, 随气柜中储气量的变化,沿轨道上下运行 。
柜顶结构的水平刚度远大于棱柱壳结构, 可视为刚性顶盖 。分析时偏于安全地将棱柱壳的质量折算至顶盖 ,将棱柱壳视为一无重的悬臂柱,柜体结构可简化成单质点体系。在水平地震作用下,只考虑质点的水平运动,按剪切型模型进行分析计算。
现行气柜结构抗震设计的计算模型中将活塞结构的质量均匀分配到棱柱壳上, 成为质点的一部分,通过柜体自身刚度来抵抗地震荷载,这与储气柜的工作状态存在偏差。随着储气柜向大型化
发展,其容量和压力都在增加, 活塞钢结构及配重块的质量也显著增加。以 30 ×104m3储气压力12.5 kPa 正多边形气柜为例 , 活塞结构总质量已达3 700 t , 超过了气柜的总用钢量(3 200 t)。 正确对待活塞在储气柜抗震性能中的作用, 对于在水平地震荷载作用下气柜结构的抗震设计具有重大意义 。
2 2 种计算模型的对比分析
2.1 现行的气柜结构地震反应计算模型
现行的气柜结构抗震设计的计算模型中, 在水平地震荷载作用下 ,活塞运行到最高位时 ,顶部质量最大 ,而活塞以下部分质量很小,将活塞与柜体结构一起简化为单自由度体系结构的计算模型如图 3a 所示 。其运动方程为:
其中, x0为现行模型的柜体结构相对于地面的位移;x¨g输入到柜体基底的地震加速度;mT为柜顶结构总质量 ;mP为活塞结构总质量 ;mS为棱柱形壳结构总质量 ;H 为基础顶面至柜顶檐口的高度;HP
为活塞运行的最大高度;k0为刚度系数, 按弯曲刚度为 EI 的悬臂梁模型计算,得 k0=3EI/ H3;c0为阻尼,c0=2ξ0m0k0 ,ξ0为阻尼比, 按高层钢结构在多遇地震下弹性阶段取值0.02。
2.2 考虑活塞减震的地震反应计算模型
2.2.1 气柜结构的 SM D 控制方程
正常储气状态下 ,活塞悬浮于柜体中,通过弹簧与棱柱壳接触 ,活塞桁架、松散放置在活塞底板上的混凝土配重块及密封稀油均有耗能作用 。因此,本文提出在气柜抗震设计的计算模型中, 考虑
活塞运行到最高位, 并将活塞视为悬浮质量块 ,作为气柜的“质量阻尼器” ,则气柜的减震计算模型如图 3b 所示 。在单自由度结构体系上
安装阻尼器后 ,使整个结构系统变成双自由度的体系, 其运动方程为 :
其中 , x1为 SMD 模型的柜体结构相对于地面的位移 ;x2为活塞相对于地面的位移 ;M 为体系的质量矩阵 ;m1为柜体结构总质量, m1=mT+mS/2 ;m2为活塞结构总质量 ;K 为体系的刚度矩阵;k1 为柜体结构刚度系数 , k1=3EI/ H3k2为活塞结构刚度系数 , k2的计算方法见下文 2.2.2 所述;C为体系的阻尼矩阵 ;c1为柜体结构的阻尼,c1 =2ξ1 m1 k1 ;ξ1 =0.02 ;c2 为活塞结构的阻尼 ,c2 =2ξ2
m2 k2 。
阻尼比的取值与建筑物的材料 、结构类型和非结构构件的类型均有关,虽然活塞主体承重结构为钢结构(占活塞总质量的 1/5), 但松散摆放在活塞底板上的混凝土配重块和油沟中的密封稀油有一定的耗能作用 ,因此取 ξ2=0.05。
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