大型塔器的地震时程响应分析_陈志伟
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2 CHEN Zhi － wei1， ， YANG Guo － yi2 ， YI Li － jun2
（ 1． College of Mechanical and Electrical Engineering， Beijing University of Chemical Technology， Beijing China； 2． China Special Equipment Inspection and Research Institute， Beijing 100013 ， China） 100029 ， Abstract： The seismic time － history response analysis of vertical vessels was carried out in ord to solve the proplem of its strength under seismic load． First， the numerical model of vertical vessel was built and the dynamic response analysis was carried out by FEA； then considering the combined action of internal pressure and wind load at the same time with seismic load， strength was checked． The check method of vertical vessel under seismic loads was given by an example． This time － history analysis method is a general method for calculating the strength of vertical vessel under earthquake， and can also be used to other vertical vessels under seismic load． The time － history analysis method is another method except response spectrum method in China vertical vessel standard． Key words： vertical vessel； earthquake； time － history response
组人工模拟地震记录 （ 地震记录 1 ） 、 第二组人工 唐山地震时天津饭 模拟地震记录 （ 地震记录 2 ） 、 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。 3 示出地震记录 1 的水平加速度和竖直 图 2， 加速度随时间变化曲线。
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
底部节点各自由度全约束。 质量阻尼 α = 0． 05 ， －4 刚度阻尼 β = 9． 85 × 10 。
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。 结构由地震引起 包括地震作用在结 的振动称为结构的地震响应， 变形、 位移， 可以采用结构瞬 构中引起的内应力、 也称时间 态动力学分析得到。 瞬态动力学分析， 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 。
图9
y 方向应力云图（ Pa）
图 11
裙座底部 y 方向应力分布云图（ Pa）
3 3． 1
时程响应结果及组合应力评定 地震作用计算结果 综合 4 个地震记录的计算结果， 在地震时程
图 10
z 方向应力云图（ Pa） 表2
响应计算过程中， 各个记录的最危险时刻的危险 截面应力情况汇总见表 2 。
塔器地震响应分析结果汇总 最大轴向应力值 σ y / MPa － 23． 1 － 90． 7 17． 9 73． 0 3． 07 18． 1 16． 8 33． 6 顺风向压力产生的轴向力 σ y1 / MPa － 34． 2 － 113． 0 34． 2 113． 0 34． 2 拉应力绝对值 ＜ 113． 0 34． 2 拉应力绝对值 ＜ 113． 0 内压产生的轴向力 σ1 / MPa 0 22． 8 0 22． 8 0 53． 6 0 53． 6
0
引言
设备除需静力计算外还 变化的动力载荷。 因此， 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
［1 ］
。
塔器作为一种大型、 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
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 50011 —2001
［6 ］ 《建筑抗震设计规范》 对地震记录的规定 ， 本项 分别为： 第一 目时程计算共取 4 组地震记录数据，
注： 0 － 0 截面为基底截面； Ⅰ － Ⅰ截面为裙座与承压塔体连接附近截面； Ⅱ － Ⅱ截面为应力地震记录 3 和地震记录 4 中壳体上最大 的应力所在截面。
3． 2
各种载荷作用下组合应力计算 按照 JB / T 4710 —2005 中 8． 7 节的规定， 计
用组合应力的计算 1 ） 0 － 0 截面 拉应力： σ y + 0 ． 25 σ y1 = 26 ． 45 MPa ＜ σ y1 = 34 ． 2 MPa
计算 分组 地震 记录 1 地震 记录 2 地震 记录 3 地震 记录 4
时程响应总时间 t /s 40． 94
危险 截面 0 －0 Ⅰ－Ⅰ 0 －0
最危险点 时刻 / s 18． 92 18． 92 7． 82 7． 82 7． 64 7． 64 40． 98 40． 98
40． 94 Ⅰ－Ⅰ 0 －0 19． 08 Ⅱ－Ⅱ 0 －0 49． 26 Ⅱ－Ⅱ
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
Vol30. No3 2013
图3
地震记录 1 的竖直方向加速度
图6
在 18． 92 s 时整体 x 方向位移（ m）
顶点水平方向 （ 坐标系 x 方向 ） 的位移随时 间变化情况如图 4 所示， 竖直方向 （ 坐标系 y 方 向） 和另一个水平方向 （ 与 x 方向垂直的水平方 向， 即坐标系 z 方向） 位移相对 x 方向位移很小。
σ y + 0 ． 25 σ y1 = － 31 ． 65 MPa 故：
|
σ
0 －0 min
|
＜ | σ y1 | = 34 ． 2 MPa
0 －0 σ min = － 34 ． 2 MPa（ 风弯矩控制） 2 ） Ⅰ － Ⅰ截面
拉应力： －Ⅰ t Ⅰ－Ⅰ + σ1 + σ2 = 112 ． 8 MPa ＜ 1 ． 2［ σⅠ σ］ max = 145 ． 0 MPa， 评定合格。 压应力： －Ⅰ Ⅰ－Ⅰ + σ1 + σ2 = － 119 ． 2 MPa， σⅠ 评定合 min 格。 3 ） Ⅱ － Ⅱ截面组合应力 拉应力：
－Ⅱ t Ⅱ－Ⅱ + σ1 － σ2 = 122 ． 3 MPa ＜ 1 ． 2［ σⅡ σ］ max = 145 ． 0 MPa， 评定合格。
拉应力： σ y + 0 ． 25 σ y1 = 101 ． 25 MPa ＜ σ y1 = 113 ． 0 MPa
· 32·
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 4710 —
［2 ］ 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
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 wenku.baidu.com 5 ］
。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 Shell 63 ， 共 8779 个节点。 有限元模型如图 1 所示。 裙座
在 t = 18． 92 s 时， 塔体的位移情况如图 7 所 示。塔体上出现最大应力时刻近似于塔顶出现最 大位移的时刻。
图4
最高点 x 方向位移随时间的变化
图7
等效应力云图（ Pa）
x 方向 顶点 x 方向最大位移发生在 18． 92 s， 最大位移为 0． 303 m。 z 方向上的位移， 图 5 示出塔体 y， 图 6 示出 x 方向位移云图。
设
计
计
算
大型塔器的地震时程响应分析
1， 2 2 2 陈志伟 ， 杨国义 ， 尹立军 （ 1． 北京化工大学 机电工程学院， 北京 100029 ； 2． 中国特种设备检测研究院， 北京 100013 ）
摘
首先通过数值方法对塔式容器模型简化 、 地震载荷 要： 针对塔式容器在地震载荷下的强度问题 ，
下的时程响应分析， 然后考虑内压和风载荷共同作用对塔器进行强度校核 ， 通过实例分析给出了地 震载荷下塔式容器强度计算和校核的时程响应分析方法 。此时程响应分析方法是地震载荷作用下 塔式容器强度计算的通用方法， 是我国塔式容器标准中反应谱方法之外的又一方法 。 关键词： 塔式容器； 地震载荷； 时程分析
0 －0 σ max = 34 ． 2 MPa（ 风弯矩控制） 压应力：
算各截面最大弯矩下的组合轴向应力， 以判断最 大弯矩的控制因素 （ 是 100% 顺风弯矩还是地震 与 25% 顺风组合弯矩） 。 （ 1 ） 塔体各截面顺风压引起的应力与地震作
· 35·
CPVT
大型塔器的地震时程响应分析
Vol30. No3 2013
表1 设计参数 材料 设计压力 / MPa 设计温度 / ℃ 塔器高度 / mm 裙座高度 / mm 内径 / mm 腐蚀裕量 / mm 介质 焊接接头系数 基本风压 / Pa 地面粗糙度 抗震设防烈度 设计基本地震加速度 场地土类别 最低设计金属温度 / ℃ 壳体厚度范围 / mm 环境温度许用应力 / MPa 设计温度许用应力 / MPa 塔器基本设计参数 数值 16MnR 1． 39 323 129000 12000 7200 3 C8 + 芳烃 1． 0 670 A 7 0． 1g / 第一组 Ⅱ － 7． 9 42 ～ 58 157． 0 120． 9 图1 等效简化后的模态计算有限元模型
y， z 方向的应 图 8 ～ 10 示出该时刻塔体上 x， 力云 图。 其 中 y 方 向 应 力 的 最 大 值 为 － 90． 7 MPa， 为压应力。
图5 · 34·
z 方向位移随时间的变化 最高点 y，
图8
x 方向应力云图（ Pa）
第 30 卷第 3 期
压
力
容
器
总第 244 期
裙座基 底 处 的 最 大 y 方 向 应 力 为 － 23． 1 MPa， 为压应力， 见图 11 。
中图分类号： TH49 ； O347． 3 文献标识码： A 文章编号： 1001 － 4837 （ 2012 ） 03 － 0032 － 05 doi： 10． 3969 / j． issn． 1001 － 4837． 2012． 03． 006
Seismic Time － history Response Analysis of Vertical Vessels
（ 1． College of Mechanical and Electrical Engineering， Beijing University of Chemical Technology， Beijing China； 2． China Special Equipment Inspection and Research Institute， Beijing 100013 ， China） 100029 ， Abstract： The seismic time － history response analysis of vertical vessels was carried out in ord to solve the proplem of its strength under seismic load． First， the numerical model of vertical vessel was built and the dynamic response analysis was carried out by FEA； then considering the combined action of internal pressure and wind load at the same time with seismic load， strength was checked． The check method of vertical vessel under seismic loads was given by an example． This time － history analysis method is a general method for calculating the strength of vertical vessel under earthquake， and can also be used to other vertical vessels under seismic load． The time － history analysis method is another method except response spectrum method in China vertical vessel standard． Key words： vertical vessel； earthquake； time － history response
组人工模拟地震记录 （ 地震记录 1 ） 、 第二组人工 唐山地震时天津饭 模拟地震记录 （ 地震记录 2 ） 、 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。 3 示出地震记录 1 的水平加速度和竖直 图 2， 加速度随时间变化曲线。
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
底部节点各自由度全约束。 质量阻尼 α = 0． 05 ， －4 刚度阻尼 β = 9． 85 × 10 。
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。 结构由地震引起 包括地震作用在结 的振动称为结构的地震响应， 变形、 位移， 可以采用结构瞬 构中引起的内应力、 也称时间 态动力学分析得到。 瞬态动力学分析， 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 。
图9
y 方向应力云图（ Pa）
图 11
裙座底部 y 方向应力分布云图（ Pa）
3 3． 1
时程响应结果及组合应力评定 地震作用计算结果 综合 4 个地震记录的计算结果， 在地震时程
图 10
z 方向应力云图（ Pa） 表2
响应计算过程中， 各个记录的最危险时刻的危险 截面应力情况汇总见表 2 。
塔器地震响应分析结果汇总 最大轴向应力值 σ y / MPa － 23． 1 － 90． 7 17． 9 73． 0 3． 07 18． 1 16． 8 33． 6 顺风向压力产生的轴向力 σ y1 / MPa － 34． 2 － 113． 0 34． 2 113． 0 34． 2 拉应力绝对值 ＜ 113． 0 34． 2 拉应力绝对值 ＜ 113． 0 内压产生的轴向力 σ1 / MPa 0 22． 8 0 22． 8 0 53． 6 0 53． 6
0
引言
设备除需静力计算外还 变化的动力载荷。 因此， 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
［1 ］
。
塔器作为一种大型、 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
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 50011 —2001
［6 ］ 《建筑抗震设计规范》 对地震记录的规定 ， 本项 分别为： 第一 目时程计算共取 4 组地震记录数据，
注： 0 － 0 截面为基底截面； Ⅰ － Ⅰ截面为裙座与承压塔体连接附近截面； Ⅱ － Ⅱ截面为应力地震记录 3 和地震记录 4 中壳体上最大 的应力所在截面。
3． 2
各种载荷作用下组合应力计算 按照 JB / T 4710 —2005 中 8． 7 节的规定， 计
用组合应力的计算 1 ） 0 － 0 截面 拉应力： σ y + 0 ． 25 σ y1 = 26 ． 45 MPa ＜ σ y1 = 34 ． 2 MPa
计算 分组 地震 记录 1 地震 记录 2 地震 记录 3 地震 记录 4
时程响应总时间 t /s 40． 94
危险 截面 0 －0 Ⅰ－Ⅰ 0 －0
最危险点 时刻 / s 18． 92 18． 92 7． 82 7． 82 7． 64 7． 64 40． 98 40． 98
40． 94 Ⅰ－Ⅰ 0 －0 19． 08 Ⅱ－Ⅱ 0 －0 49． 26 Ⅱ－Ⅱ
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
Vol30. No3 2013
图3
地震记录 1 的竖直方向加速度
图6
在 18． 92 s 时整体 x 方向位移（ m）
顶点水平方向 （ 坐标系 x 方向 ） 的位移随时 间变化情况如图 4 所示， 竖直方向 （ 坐标系 y 方 向） 和另一个水平方向 （ 与 x 方向垂直的水平方 向， 即坐标系 z 方向） 位移相对 x 方向位移很小。
σ y + 0 ． 25 σ y1 = － 31 ． 65 MPa 故：
|
σ
0 －0 min
|
＜ | σ y1 | = 34 ． 2 MPa
0 －0 σ min = － 34 ． 2 MPa（ 风弯矩控制） 2 ） Ⅰ － Ⅰ截面
拉应力： －Ⅰ t Ⅰ－Ⅰ + σ1 + σ2 = 112 ． 8 MPa ＜ 1 ． 2［ σⅠ σ］ max = 145 ． 0 MPa， 评定合格。 压应力： －Ⅰ Ⅰ－Ⅰ + σ1 + σ2 = － 119 ． 2 MPa， σⅠ 评定合 min 格。 3 ） Ⅱ － Ⅱ截面组合应力 拉应力：
－Ⅱ t Ⅱ－Ⅱ + σ1 － σ2 = 122 ． 3 MPa ＜ 1 ． 2［ σⅡ σ］ max = 145 ． 0 MPa， 评定合格。
拉应力： σ y + 0 ． 25 σ y1 = 101 ． 25 MPa ＜ σ y1 = 113 ． 0 MPa
· 32·
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 4710 —
［2 ］ 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
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 wenku.baidu.com 5 ］
。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 Shell 63 ， 共 8779 个节点。 有限元模型如图 1 所示。 裙座
在 t = 18． 92 s 时， 塔体的位移情况如图 7 所 示。塔体上出现最大应力时刻近似于塔顶出现最 大位移的时刻。
图4
最高点 x 方向位移随时间的变化
图7
等效应力云图（ Pa）
x 方向 顶点 x 方向最大位移发生在 18． 92 s， 最大位移为 0． 303 m。 z 方向上的位移， 图 5 示出塔体 y， 图 6 示出 x 方向位移云图。
设
计
计
算
大型塔器的地震时程响应分析
1， 2 2 2 陈志伟 ， 杨国义 ， 尹立军 （ 1． 北京化工大学 机电工程学院， 北京 100029 ； 2． 中国特种设备检测研究院， 北京 100013 ）
摘
首先通过数值方法对塔式容器模型简化 、 地震载荷 要： 针对塔式容器在地震载荷下的强度问题 ，
下的时程响应分析， 然后考虑内压和风载荷共同作用对塔器进行强度校核 ， 通过实例分析给出了地 震载荷下塔式容器强度计算和校核的时程响应分析方法 。此时程响应分析方法是地震载荷作用下 塔式容器强度计算的通用方法， 是我国塔式容器标准中反应谱方法之外的又一方法 。 关键词： 塔式容器； 地震载荷； 时程分析
0 －0 σ max = 34 ． 2 MPa（ 风弯矩控制） 压应力：
算各截面最大弯矩下的组合轴向应力， 以判断最 大弯矩的控制因素 （ 是 100% 顺风弯矩还是地震 与 25% 顺风组合弯矩） 。 （ 1 ） 塔体各截面顺风压引起的应力与地震作
· 35·
CPVT
大型塔器的地震时程响应分析
Vol30. No3 2013
表1 设计参数 材料 设计压力 / MPa 设计温度 / ℃ 塔器高度 / mm 裙座高度 / mm 内径 / mm 腐蚀裕量 / mm 介质 焊接接头系数 基本风压 / Pa 地面粗糙度 抗震设防烈度 设计基本地震加速度 场地土类别 最低设计金属温度 / ℃ 壳体厚度范围 / mm 环境温度许用应力 / MPa 设计温度许用应力 / MPa 塔器基本设计参数 数值 16MnR 1． 39 323 129000 12000 7200 3 C8 + 芳烃 1． 0 670 A 7 0． 1g / 第一组 Ⅱ － 7． 9 42 ～ 58 157． 0 120． 9 图1 等效简化后的模态计算有限元模型
y， z 方向的应 图 8 ～ 10 示出该时刻塔体上 x， 力云 图。 其 中 y 方 向 应 力 的 最 大 值 为 － 90． 7 MPa， 为压应力。
图5 · 34·
z 方向位移随时间的变化 最高点 y，
图8
x 方向应力云图（ Pa）
第 30 卷第 3 期
压
力
容
器
总第 244 期
裙座基 底 处 的 最 大 y 方 向 应 力 为 － 23． 1 MPa， 为压应力， 见图 11 。
中图分类号： TH49 ； O347． 3 文献标识码： A 文章编号： 1001 － 4837 （ 2012 ） 03 － 0032 － 05 doi： 10． 3969 / j． issn． 1001 － 4837． 2012． 03． 006
Seismic Time － history Response Analysis of Vertical Vessels