第3章锅炉构架地震作用下的位移反应与新型导向装置参数的函数关系
3.1引言
     大量的震害分析表明:并不是结构的强度越大就越能承受较大的地震力，由十结构在强震作用下产生屈服进入弹塑性变形阶段，结构的刚度、自振周期和阻尼比都会发生变化，结构的破坏并不取决十瞬时的地震作用力，变形能力和耗能能力不足才是结构在强震作用下倒塌的主要原因，单一的承载力指标不能衡量结构的弹塑性性能以及结构的破损过程。随着经济的发展和人口密度的增加，震害会越来越严重，社会和公众对结构的抗震性能存在多种不同的要求，如何完善现行的抗震设计理念，使结构在未来地震中的抗震性能达到人们事先预定的目标，正是在这种背景下，基十结构性能/位移抗震设计理论应运}fu生。
       20世纪90年代美国学者B erter等人提出了基十性能/位移的抗震设计方法(Performance /Displacement-Based Design，简称PBD)，其基本思路是使所设计的工程结构在使用期间满足各种预定的性能目标要求。Ifu性能目标要求可根据不同的结构类型有所不同。
       本文需要分析新型导向装置参数和结构振动响应之间的函数变化关系，使锅炉构架在未来的地震灾害中能够维持所要求的性能水平。在基十性能的设计中，明确了建筑物的性能要求，I fu b‘通过了调整新型导向装置的参数去实现这些性能的要求，这样可以使新材料、新结构体系、新的设计方法等更容易得到应用。       在回归新型导向装置参数和结构的振动响应函数关系式的过程中，本论文采用了均匀设计的方法，对其进行试验设计。       最后对得到的回归函数，进行求极值，以寻求最优的控制。
3.2数值计算方案
3.2.1 ANSYS中计算方案的基本设定
       采用ANSYS提供的瞬态动力分析学模块对锅炉构架体系进行地震反应分析，把地震加速度时程作为激励加入结构的基础，利用ANSYS提供的求解处理器(SOLD)可求得地震反应。考虑到地震波的输入有上千个点和需输入多条地震波，在ANSYS求解时，用APDL语言编制了地震波的输入程序，采用命令流形式。
       本结构为实际工程项目，按照该场地的设防烈度，采用8度设防，设计基本加速度值为200ga1。输入的地震波种类如表3-10
                                                       表3-1地震波种类及输入方式
XYZ二向(水平双向XY及yc…_、_、…_______
---一一’一厂今、’一’-一‘-一}大律波} Y:X:Z=0.2g:0.142261g:0.100639g
                               }司Z)}’一”一}甘甘甘
       由十ANSYS没有量纲识别功能，在本文建立计算模型过程中，采用质量、长度和时间单位分别为:kg,   mm,     s。因此，所输出的量如果未经转换，其单位将是kg,   mm和s之间的组合。
       根据规范《构筑物抗震设计规范》C GB50191-93)要求，对锅炉构架体系取前五阶振型，阻尼比取5%0
3.2.2结构目标性能选取
       由十基十性能抗震设计这一理论的复杂性和开放性，迄今为止，基十性能的抗震设计仍然处十框架阶段，许多技术问题如性能水准、非结构构件设计以及性能目标的量化需要进一步研究解决。其中，结构性能目标的量化可由多个物理量来描述，如力、位移、能量或损伤目标等。传统的用力作为单独的指标，不能反映结构的变形、弹塑性性能及破损状态，就结构地震损伤
}fu言，建筑结构在地震中破坏和倒塌的主要原因，归结十结构构件所具有的塑性变形和耗能能力较差。}fU采用能量可较全面的反应结构综合抗震性能，但在实际工程设计中，用能量作为结构设计的指标太抽象，不便实际运用。所以本论文选取了锅炉构架的两个性能即位移和内力作为结构的性能目标。
3.3目标函数关系假定
3.3.1函数关系假定
本文设定新型导向装置的参数F,C、F. ,   C}都以力的单位牛顿CN)给出。那么具体的C, F定义如下:
1,   F是摩擦阻尼器能够提供给炉体的最大的反力。式是X方向摩擦阻尼器提供的最大反力，式是Y方向摩擦阻尼器提供的最大反力。F的大小就是摩擦耗能支撑的起滑力(FSLIDE) o摩擦耗能支撑刚度的设置:资料表明，与摩擦耗能器串联的支撑刚度对摩擦耗能器的工作有很大影响。支撑的刚度越大，越有利十摩擦耗能器的工作。所以摩擦耗能支撑的刚度设置得很大，取3 X 09N/m。
       具体在ANSYS模型中设定为:II型结构中COMBIN40单兀中参数设定:K1=3.OE9N/m,     FSLIDE=3.SESN，其它参数C,   GAP,                     K2及M均为零。
       2,   C是粘滞阻尼器能够提供给炉体的最大反力。C是X方向粘滞阻尼器提供的最大反力，C,是Y方向粘滞阻尼器提供的最大反力。粘滞耗能支撑起阻尼系数的设置:由十无导向装置锅炉构架体系炉体和构架之间(原安装各导向装置处)最大相对速度为110. 5mm/s，但加上粘滞耗能后速度可能会下降，假设速度取0. 6的折减系数。这样阻尼系数c}和粘滞阻尼器能够提供给锅炉最大的反力C之间的关系可以表示为:
c}=C/V=C/110.5x10-3x0.6
(3一1)
本文在ANSYS模型中直接输入粘滞系数c}的值即可。这个时候粘滞阻尼器提供给锅炉炉体的反力最大值就约等十设定的新型导向装置的参数值C的值。
       哈尔滨工业大学土木工程学院硕士姜铭阅在其论文中已经证明，锅炉构架的各个平面运转层是刚性层。所以就可以假设函数关系式为:
Dx=f(F,C)
(3一2)
D}，二f(式，，CL,)
(3一3)
其中:几是锅炉构架的X方向最大的位移。只，是锅炉构架的Y方向最大的位移。Fx是新型导向装置X方向的永磁摩擦阻尼器的起滑力。新型导向装置Y方向的永磁摩擦阻尼器的起滑力。C是新型导向装置F}，是
X方
向的粘滞阻尼器的提供的反力值。C,，是新型导向装置Y方向的粘滞阻尼器的提供的反力值。
       这说明，由十该刚性层只发生平动，所以X方向的锅炉构架的最大位移和新型导向装置Y方向的参数是没有关系的，Y方向的锅炉构架的最大位移和新型导向装置X方向的参数是没有关系的。因此这样就可以简化了锅炉构架体系的最大位移和新型导向装置参数的函数关系式。通过具体的数值计算，得到的结果和推断是一致的。具体的验证计算如下:       本论文采取的方法是:先设定新型导向装置的二个参数固定不变，另外一个参数变化，来观察锅炉构架在地震作用下X方向和Y方向的最大位移几和D}，是否随着该参数}fu变化，如果几和只，不发生变化，即该参数对几
和D，就没有影响。在从和D}，十新型导向装置的函数关系式中就可以剔除该项。
3.3.2刚性层证明
       哈尔滨工业大学硕士研究生姜铭阅在他的论文中已经通过两个方面来证明加有传统导向装置和摩擦、粘滞阻尼器的平面运转层是刚性层:第一证明该运转层上的所有结点振动过程中仍然在同一个平面内;第二证明该运转层上的任一点和其它点的连线应变和各连线间的转角很小，可以忽略不计。
       下面本文将通过另一个角度来证明刚性层这个假设，从}fu证明前面假设的函数形式成立。
1、本文假定C、式、C均为 280千牛(kN>,式变化。式分别设定为   OkN, 100kN, 280kN, SOOkN, 1000kN。利用ANSYS进行i}一算，得到       结果如表3-2:
                           表3-2 X方向永磁摩擦阻尼器参数和锅炉构架最大位移
           说明:式(x方向的起滑力)变化，新型导向装置其他参数均为280kN o将结果表示为统计图3-1为:

其中横轴为X方向起滑力的大小F，纵轴为锅炉构架两个方向上的最大位移几和Do,.由此可见只随着式的变化很小，因此可以忽略不计式对只的影响。
2、本文假定F,
   式、C均为280千牛(kN>,C变化。C分别设定为OkN, 100kN, 280kN, SOOkN, 1000kN。利用ANSYS进行计算，得到结果如表3一3:
                       表3-3 X方向粘滞阻尼器反力和锅炉构架最大位移
┌───┬─────┬─────┐
│C(1}N)│Da.   }mm) │D,.   (}}) │
├───┼─────┼─────┤
│0         │6}1. 3612 │X13. 1186 │
├───┼─────┼─────┤
│100     │38. X1638 │X13. 3571 │
├───┼─────┼─────┤
│280     │38. X1909 │X13. 1629 │
├───┼─────┼─────┤
│500     │38. X1909 │X13. 1581 │
├───┼─────┼─────┤
│1000   │X19. 7875 │X13. 1193 │
└───┴─────┴─────┘
       说明:C(x方向的粘滞阻尼器提供的最大反力)变化。其他均为280kN o将结果表示为统计图3-2为:

其中横轴为X方向粘滞阻尼器反力的大小C，纵轴为锅炉构架两个方向上的最大位移Dx和D}。由此可见D}随着C的变化很小，因此可以忽略不计C对D的影响。
3、本文假定式、C、C均为280千牛(kN式变化。式分别设定为OkN, 100kN, 280kN, SOOkN, 1000kN。利用ANSYS进行计算，得到结果如表3-4:
表3-4Y方向永磁摩擦阻尼器参数和锅炉构架最大位移

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