大型塔器的地震时程响应分析

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塔器作为-种大型、露天放置的直立设备，受到许多机械载荷的作用，如自重、内压、介质重量、风载荷、地震载荷等，这些载荷的共同作用造成了设备的强度和稳定问题。自重、内压和介质重量属于静力载荷，地震载荷和风载荷等属于随时间变化的动力载荷。因此，设备除需静力计算外还需进行动力计算，即考虑地震载荷、风载荷等随时间变化的外载影响 。

某工程中的塔器高度约 130 m，我国没有如此高度塔器的成功设计使用经验。JB/T 47lO-2005(钢制塔式容器》 虽没有规定塔高的设计上限，但在石化行业实际设计中从没有超过该高度的计算案例，特别是有关设备地震影响的计算。

第30卷第3期 压 力 容 器 总第244期1 塔器的简化模型塔器是直立设备，犹如固定在基础上的悬臂梁，当地震发生时存在水平加速度和垂直加速度，地震的水平加速度给塔施加水平载荷，使塔设备产生很大的弯矩，并引起振动♂构由地震引起的振动称为结构的地震响应，包括地震作用在结构中引起的内应力、变形、位移，可以采用结构瞬态动力学分析得到。瞬态动力学分析，也称时间历程分析，可以用来分析结构承受任意的随时间变化载荷作用时的动力响应。塔体在地震作用下产生的地震应力与塔体质量有很大关系，在操作状态下塔体质量最大，地震引起的应力值也最大，因此地震作用下的塔器分析都按照操作状态进行。该塔器基本设计参数见表 1。

表 1 塔器基本设计参数设计参数 数值材料 16MnR设计压力/MPa 1.39设计温度/ 323塔器高度/mm 129Ooo裙座高度/mm l2000内径/mm 7200腐蚀裕量/mm 3介质 c8芳烃焊接接头系数 1.O基本风压/Pa 670地面粗糙度 A抗震设防烈度 7设计基本地震加速度 0.1g/第-组场地土类别 Ⅱ最低设计金属温度/C -7.9壳体厚度范围/mm 42～58环境温度许用应力/MPa 157.0设计温度许用应力/MPa 120.9采用计算机数值模拟法进行塔器横风向共振分析。数值模拟分析使用ANSYS 11.0有限元通用软件3 ]。由于时程响应分析计算量非常大，计算结果需要非常大的存储空间，故选用中检安世仿真研究中心的并行计算系统。

塔器的有限元计算模型选用壳单元Shel 63，共 8779个节点。有限元模型如图 1所示。裙座底部节点各 自由度全约束。质量阻尼 Ot0.05，刚度阻尼 9.85×10～。

图1 等效简化后的模态计算有限元模型施加的地震载荷，即加速度，来源于地震记录数据，时程计算过程中对整个塔体施加随时间变化的水平地震加速度和竖直地震加速度。

选用时程分析法计算，根据 GB 5001 1-2001《建筑抗震设计规范》对地震记录的规定 J，本项目时程计算共取 4组地震记录数据，分别为：第-组人工模拟地震记录(地震记录 1)、第二组人工模拟地震记录(地震记录 2)、唐山地震时天津饭店的地震记录(地震记录3)、唐山地震时北京饭店的地震记录(地震记录4)。

2 地震时程响应计算主要对塔体在地震记录 1的作用下进行计算，以地震记录1进行计算过程说明，其他3个地震记录计算过程略。

图2，3示出地震记录 1的水平加速度和竖直加速度随时间变化曲线。

1.O0.5o.o- 0.5- 1.00 20 40时间/s图2 地震记录 1的水平方向加速度· 33·CPVT 大型塔器的地震时程响应分析 Vo130.N03 20130.250- 1 -31.65 MPa故：f，0min-0<0-y134.2 MPa0i- 0： - 34.2 MPa(风弯矩控制)2)I-I截面拉应力：0- 0.250- 1101.25 MPa <0-y 113.0MPa l13.0 MPa(风弯矩控制)压应力：0- 0.250- 1 -118.95 MPa故：I I： ；>1 0-y1 I113.0 MPai -118.95 MPa(地震控制)3)I-II截面拉应力：0- 0.250- 161.85 MPa<0- 1113.0 MPal- 113.0 MPa(风弯矩控制)压应力：0- 0.250- 1 -61.85 MPa故：I lI - I>1 0-，1 I113.0 MPa1- - 113.0 MPa(风弯矩控制)(2)操作状态下重力在各截面引起的压应力1)0-0截面由重力引起的轴向应力：～： - ： - l /./M-t'a 2 - ·2)I-I截面由重力引起的轴向应力：～ - - 23 MPa3)Ⅱ-Ⅱ截面由重力引起的轴向应力：： -糟 -13.5 MPa(3)操作状态下各截面总应力校核(顺风/地震与压力、重力载荷组合)1)0-0截面组合应力拉应力：0 - 0 0- 1 0-。 390- 0-2 .5.3Mt'a<1.2[0-] 西： m 十 ·j l· l j145.0 MPa，评定合格。

压应力：0 -0 0- 1 0～ - 29.1 MPa0- 0-2 t'，评定合格。 1 - - 疋管2)I-I截面组合应力拉应力：0-l - ：112.8 MPa<1.2[0-] 咖145.0 MPa，评定合格。

3)Ⅱ-Ⅱ截面组合应力拉应力：U -0- 1- 21I- 122.3 MPa<1.2[0-]145.0 MPa，评定合格。

4 结语选取4组地震记录，对某工程中塔器进行了地震时程响应有限元分析。根据 JB/T 47lO-2005(钢制塔式容器》分别对操作压力、风载荷、地震载荷下以及各种组合工况下的应力进行了校核。本文的时程响应分析方法是针对地震载荷的塔式容器的通用方法，故此方法可以适用于工程中所有塔式压力容器的考虑地震载荷时的设计。