D0I:10.13374/i.i8sn1001t53.2010.12.020 第32卷第12期 北京科技大学学报 Vol 32 No 12 2010年12月 Journal of Un iversity of Science and Technolgy Beijing De02010 地震波输入角度对大型脱硫塔结构动力影响的实验 研究 宋波)盛朝晖12)徐明磊3)王利3) 1)北京科技大学土木与环境学院，北京1000832)河北工程大学水电学院，邯郸056021 3)北京国电龙源环保工程有限公司，北京100083 摘要对某电厂大型脱硫塔结构模型进行了模拟地震的振动台实验研究·以缩尺比例为1：15的薄壁钢结构脱硫塔为模 型，在多角度输入正弦波、天津波和日向滩冲地震波的前提下，对塔体加速度峰值反应及最不利激励波输入角度进行了研究 探讨.结果表明：激励波输入角度对结构动力反应的影响以与结构成30角方向为最大，60角方向最小，结构在地震波作用 下，塔体加速度峰值的分布明显不同于正弦波情况：脱硫塔结构的复杂性会对结构的动力反应产生较大的影响，塔顶重量较 大是引起结构加速度峰值沿塔高分布严重不均匀的主要因素之一· 关键词薄壁结构：脱硫：振动台：地震波：动力特性 分类号TU33+3 Experim ental study on the dynam ic effect of a desu lfurization tow er under dif- ferent seisn ic wave input angles SONG Bo),SHENG Zhaou2,XU M ing-lei,WANG Li 1)School ofCivil and Envirormental Engineering University of Science and Technology Beijing Beijing 100083 China 2)Hydmpower School HebeiUniversity of Engineering Handan 056021.China 3)Beijing Guodian Longyuan Envimmmental Engneering Co Ld,Beijing 100083 China ABSTRACT The sinulated earthquake experinental study on a large desulfurization tower was carried out using shak ing table test A 1:15 reduced-scale thin walled steel structure model of the desulfurization tower was designed for testng and the dynan ic responses of the model were discussed The responses of peak acceleration were studied under a sine wave Tianjin wave and Hyuga seismn ic wave in various angles and the most unfavorable input angle was analyzed The results show that the influence of the input angle of an excitation wave can not be ignored the maxinumn influence is in the direction of30 and the m inium is in the direction of60 The complexity of the thin wall desulfurization tower can affect the dynamn ic characteristics of the structure to a great extent The weight of the tower top is one of the main factors causing the distribution of peak acceleration uneven in tower height KEY WORDS thin wall stmuctures desulfurization:shaking tables earthquake wave dynam ic characteristics 薄壁结构已经广泛应用于航空航天、机械工程厂的大型脱硫塔结构在多角度地震波作用下的动力 和土木工程等各个领域，尤其是薄壁筒型钢结构因 反应对分析大型薄壁开口异型结构的动力反应特征 为其质量轻、刚性好等优点在工程界备受关注，并且 具有很重要的意义， 这些优点在储罐类结构以及钢筒仓结构中得以充分 就国内外的研究现状来看，目前对该类结构的 的发挥.从结构形式上来说，脱硫塔结构属于薄壁 理论研究已比较成熟，1957年Housner提出了质 高耸圆筒结构类型，但是脱硫塔结构的大开口又决 量弹簧系统的模型)，我国规范采用的是Haroun 定了它与该种结构类型之间的差异，所以研究火电 Housner考虑罐壁的耦联振动模型(1983年))；李 收稿日期：2010-02-05 基金项目：“十一五"国家科技支撑计划资助项目(No2006BA13B04):北京国电龙源环保工程有限公司科技项目(N。13B04) 作者简介：宋波(l962)男，教授，博士，Email songh@ces usth edu cn
第 32卷 第 12期 2010年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ Ｖｏｌ．32Ｎｏ．12 Ｄｅｃ．2010 地震波输入角度对大型脱硫塔结构动力影响的实验 研究 宋 波 1） 盛朝晖 12） 徐明磊 3） 王 利 3） 1） 北京科技大学土木与环境学院北京 100083 2） 河北工程大学水电学院邯郸 056021 3） 北京国电龙源环保工程有限公司北京 100083 摘 要 对某电厂大型脱硫塔结构模型进行了模拟地震的振动台实验研究．以缩尺比例为 1∶15的薄壁钢结构脱硫塔为模 型在多角度输入正弦波、天津波和日向滩冲地震波的前提下对塔体加速度峰值反应及最不利激励波输入角度进行了研究 探讨．结果表明：激励波输入角度对结构动力反应的影响以与结构成 30°角方向为最大60°角方向最小结构在地震波作用 下塔体加速度峰值的分布明显不同于正弦波情况；脱硫塔结构的复杂性会对结构的动力反应产生较大的影响塔顶重量较 大是引起结构加速度峰值沿塔高分布严重不均匀的主要因素之一． 关键词 薄壁结构；脱硫；振动台；地震波；动力特性 分类号 ＴＵ33 ＋3 Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｅｆｆｅｃｔｏｆａｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎｔｏｗｅｒｕｎｄｅｒｄｉｆ- ｆｅｒｅｎｔｓｅｉｓｍｉｃｗａｖｅｉｎｐｕｔａｎｇｌｅｓ ＳＯＮＧＢｏ 1）ＳＨＥＮＧＺｈａｏ-ｈｕｉ 12）ＸＵＭｉｎｇ-ｌｅｉ 3）ＷＡＮＧＬｉ 3） 1） ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇＢｅｉｊｉｎｇ100083Ｃｈｉｎａ 2） ＨｙｄｒｏｐｏｗｅｒＳｃｈｏｏｌＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＨａｎｄａｎ056021Ｃｈｉｎａ 3） ＢｅｉｊｉｎｇＧｕｏｄｉａｎＬｏｎｇｙｕａｎＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．Ｌｔｄ．Ｂｅｉｊｉｎｇ100083Ｃｈｉｎａ ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｅａｒｔｈｑｕａｋｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎａｌａｒｇｅｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎｔｏｗｅｒｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｕｓｉｎｇｓｈａｋｉｎｇｔａｂｌｅｔｅｓｔ．Ａ 1∶15ｒｅｄｕｃｅｄ-ｓｃａｌｅｔｈｉｎ-ｗａｌｌｅｄｓｔｅｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎｔｏｗｅｒｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒｔｅｓｔｉｎｇａｎｄｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅｓｏｆ ｔｈｅｍｏｄｅｌｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｐｏｎｓｅｓｏｆｐｅａｋａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｕｎｄｅｒａｓｉｎｅｗａｖｅＴｉａｎｊｉｎｗａｖｅａｎｄＨｙｕｇａｓｅｉｓｍｉｃｗａｖｅｉｎ ｖａｒｉｏｕｓａｎｇｌｅｓａｎｄｔｈｅｍｏｓｔｕｎｆａｖｏｒａｂｌｅｉｎｐｕｔａｎｇｌｅｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｉｎｐｕｔａｎｇｌｅｏｆａｎｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｗａｖｅｃａｎｎｏｔｂｅｉｇｎｏｒｅｄｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｉｎｆｌｕｅｎｃｅｉｓｉｎｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆ30°ａｎｄｔｈｅｍｉｎｉｍｕｍｉｓｉｎｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆ60°．Ｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ｏｆｔｈｅｔｈｉｎ-ｗａｌｌｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎｔｏｗｅｒｃａｎａｆｆｅｃｔｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｔｏａｇｒｅａｔｅｘｔｅｎｔ．Ｔｈｅｗｅｉｇｈｔｏｆｔｈｅｔｏｗｅｒｔｏｐ ｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍａｉｎｆａｃｔｏｒｓｃａｕｓｉｎｇｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｐｅａｋａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｕｎｅｖｅｎｉｎｔｏｗｅｒｈｅｉｇｈｔ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ ｔｈｉｎ-ｗａｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ；ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎ；ｓｈａｋｉｎｇｔａｂｌｅ；ｅａｒｔｈｑｕａｋｅｗａｖｅ；ｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ 收稿日期：2010--02--05 基金项目：“十一五 ”国家科技支撑计划资助项目 （Ｎｏ．2006ＢＡＪ13Ｂ04）；北京国电龙源环保工程有限公司科技项目 （Ｎｏ．13Ｂ04） 作者简介：宋 波 （1962— ）男教授博士Ｅ-ｍａｉｌ：ｓｏｎｇｂｏ＠ｃｅｓ．ｕｓｔｂ．ｅｄｕ．ｃｎ 薄壁结构已经广泛应用于航空航天、机械工程 和土木工程等各个领域尤其是薄壁筒型钢结构因 为其质量轻、刚性好等优点在工程界备受关注并且 这些优点在储罐类结构以及钢筒仓结构中得以充分 的发挥．从结构形式上来说脱硫塔结构属于薄壁 高耸圆筒结构类型但是脱硫塔结构的大开口又决 定了它与该种结构类型之间的差异所以研究火电 厂的大型脱硫塔结构在多角度地震波作用下的动力 反应对分析大型薄壁开口异型结构的动力反应特征 具有很重要的意义． 就国内外的研究现状来看目前对该类结构的 理论研究已比较成熟1957年 Ｈｏｕｓｎｅｒ提出了质 量--弹簧系统的模型 ［1］我国规范采用的是 Ｈａｒｏｕｎ- Ｈｏｕｓｎｅｒ考虑罐壁的耦联振动模型 （1983年 ） ［2］；李 DOI :10．13374／j．issn1001—053x．2010．12．020
第12期 宋波等：地震波输入角度对大型脱硫塔结构动力影响的实验研究 .1649. 明惠等对某吸收塔进行了多种工况载荷下的有 脱硫塔内径为13.1m,塔壁厚度由下到上依次为 限元分析，得到了该类塔设备的变形及应力分布的 18161412、108和20mm分别在标高18.52m、 规律，结构设计中除要保证安全、适用和耐久的设 33.894m处开有烟气入口(5.0m×9.5m)和出口 计要求，同时还必须在可靠的前提下追求合理、经济 (2.6m×11.5m)在标高23.7、25.4和27.1m处设 的设计理念，基于这一思想找到结构最优解的合理 置三道直径方向的喷淋梁 方法，许谋奎等在对镇江电厂烟气脱硫吸收塔进 1大型脱硫塔结构的模型实验研究 行有限元计算分析后认为需要设置加强措施才能有 效改善塔体应力和变形，如何减小高耸结构在强震 在结构上利用振动台来模拟地震作用，各国研 和大风作用下的动力反应，满足承载力、变形、稳定 究人员已经做了大量工作2-).按照一般模型实 性和舒适性的要求，是一项非常值得研究的课 验的设计，本文所涉及的实验过程包括模型设计加 题5-8) 工、结构相似比关系设计以及实验方案设计 在理论分析的同时，国内外学者也做过筒仓类 1.1模型设计 结构的模拟地震振动台实验-山，但是对薄壁大开 从相似理论的角度出发，为实现模型结构与原 口异型结构进行缩尺模型实验的研究，特别是对多 型结构最大限度的相似，因此选择与原型结构相同 角度输入激励波情况下结构动力特性的实验研究相 的材料Q235钢作为制作模型的原材料，采用与原 对较少，借助实验手段对该类结构的动力反应规律 型结构相同的焊接加工工艺，并考虑到室内振动台 进行研究，在安全经济的前提下，获得该类结构最优 的尺寸和承载能力，选择模型结构与原型结构之间 的动力性态模式，为工程技术提供理论支持则显得 的缩小比例为1：15图1(a)为结构原型立面图， 尤为必要 (b)为缩小15倍以后的模型结构立面图，加工完成 本文选用某电厂3O0MW机组脱硫塔结构为设 后的脱硫塔模型结构如图（©）所示， 计原型，该塔塔顶标高36.806m,为薄壁筒体结构， 36.806m 顶盖 加劲I 36.500m 0 25m 33.900m 8mm 06m 0.5mm 2.3m 10mm 28.90m 0.7mm 12 mm 目0.8mm 1.4m 加劲2 18.520m 12 mm 1.0m 13.50m 0.9mm 14mm 9.50m 1.0m 16 mm 1.2mm 底板(1.4mm) 4.50m 18 mm -0.15m 150mm 900mm 50mm 1200mm c 图1模型结构示意图.(a)塔体原型结构立面图：(b)塔体模型结构立面图：(c)脱硫塔结构模型 Fig1 Model stnctue diagrmn:(a)elvation draw ing of the pmtotype stmuctm (b)elevation dnaw ing of the model stuctun (c)model stnuctue 1.2结构相似比计算 相同，因本实验的目的不仅需要研究结构在弹性状 模型的相似比关系有两种体系：一般模型和实 态下的应力、应变情况，而且还要研究材料的非线性 用模型，前者是考虑开裂及屈服的非弹性效应的完 因素对结构动力特性的影响，综合考虑，采用实用 全相似模型；后者则假定结构自重引起的应力不显 模型的相似比关系，建立模型结构与原型结构之间 著，但要求模型材料与原型材料的应力应变关系 的联系.相似比关系如表1所示
第 12期 宋 波等： 地震波输入角度对大型脱硫塔结构动力影响的实验研究 明惠等 ［3］对某吸收塔进行了多种工况载荷下的有 限元分析得到了该类塔设备的变形及应力分布的 规律．结构设计中除要保证安全、适用和耐久的设 计要求同时还必须在可靠的前提下追求合理、经济 的设计理念基于这一思想找到结构最优解的合理 方法．许谋奎等 ［4］在对镇江电厂烟气脱硫吸收塔进 行有限元计算分析后认为需要设置加强措施才能有 效改善塔体应力和变形．如何减小高耸结构在强震 和大风作用下的动力反应满足承载力、变形、稳定 性和舒适性的要求是一项非常值得研究的课 题 ［5--8］． 在理论分析的同时国内外学者也做过筒仓类 结构的模拟地震振动台实验 ［9--11］但是对薄壁大开 口异型结构进行缩尺模型实验的研究特别是对多 角度输入激励波情况下结构动力特性的实验研究相 对较少．借助实验手段对该类结构的动力反应规律 进行研究在安全经济的前提下获得该类结构最优 的动力性态模式为工程技术提供理论支持则显得 尤为必要． 本文选用某电厂 300ＭＷ机组脱硫塔结构为设 计原型该塔塔顶标高 36∙806ｍ为薄壁筒体结构 脱硫塔内径为 13∙1ｍ塔壁厚度由下到上依次为 18、16、14、12、10、8和 20ｍｍ分别在标高 18∙52ｍ、 33∙894ｍ处开有烟气入口 （5∙0ｍ×9∙5ｍ）和出口 （2∙6ｍ×11∙5ｍ）在标高23∙7、25∙4和27∙1ｍ处设 置三道直径方向的喷淋梁． 1 大型脱硫塔结构的模型实验研究 在结构上利用振动台来模拟地震作用各国研 究人员已经做了大量工作 ［12--17］．按照一般模型实 验的设计本文所涉及的实验过程包括模型设计加 工、结构相似比关系设计以及实验方案设计． 1∙1 模型设计 从相似理论的角度出发为实现模型结构与原 型结构最大限度的相似因此选择与原型结构相同 的材料 Ｑ235钢作为制作模型的原材料采用与原 型结构相同的焊接加工工艺并考虑到室内振动台 的尺寸和承载能力选择模型结构与原型结构之间 的缩小比例为 1∶15．图 1（ａ）为结构原型立面图 （ｂ）为缩小 15倍以后的模型结构立面图加工完成 后的脱硫塔模型结构如图 （ｃ）所示． 图 1 模型结构示意图．（ａ） 塔体原型结构立面图；（ｂ） 塔体模型结构立面图；（ｃ） 脱硫塔结构模型 Ｆｉｇ．1 Ｍｏｄｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍ：（ａ） ｅｌｅｖａｔｉｏｎｄｒａｗｉｎｇｏｆｔｈｅｐｒｏｔｏｔｙｐｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；（ｂ） ｅｌｅｖａｔｉｏｎｄｒａｗｉｎｇｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；（ｃ） ｍｏｄｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 1∙2 结构相似比计算 模型的相似比关系有两种体系：一般模型和实 用模型．前者是考虑开裂及屈服的非弹性效应的完 全相似模型；后者则假定结构自重引起的应力不显 著但要求模型材料与原型材料的应力--应变关系 相同．因本实验的目的不仅需要研究结构在弹性状 态下的应力、应变情况而且还要研究材料的非线性 因素对结构动力特性的影响．综合考虑采用实用 模型的相似比关系建立模型结构与原型结构之间 的联系．相似比关系如表 1所示． ·1649·
,1650, 北京科技大学学报 第32卷 表1结构动力模型的相似条件 Tabl 1 The si ilarity ratio of stmucture dynan ic model 几何特性 材料特性 动力特性 弹性模量， 加速度， 长度，1 面积，A 体积，V 应力，。 应变，E 质量，m 抗弯刚度，EI 频率，时间，t E a 9=115 9=号= 4=g= C。=Ce=1C.=1CE=1 C.=88.4337200= Cr=(EDa= C,=C(/ EI C,=2 1/152 1h53 0.00026 1/15 座)=15 1.3实验加载工况 为了考察激励波输入角度对结构动力特性的影响， 为考察不同激励波输入下结构加速度峰值沿塔 激励波输入角度选择与开口方向分别成0、3060和 体高度的分布状态，实验过程考虑到实验设备及模 90方向输入，并根据实验计划在实验过程中对激励 型结构的承受能力，选用频率为15和9Ha加速度 波的加速度峰值、输入角度随时进行调整。加载方 峰值为1.0m·s和1.5m·s2的正弦波，以及加速 案见表2加速度传感器的布置以及地点高度如 度峰值为1.5m·s和2.5m·s的天津波和日本的 图2图3所示，实验现场加载角度如图4所示 日向滩冲地震波对脱硫塔模型结构进行分别加载， 表2加载方案 Table 2 The loading plan 加速度蜂值/(ms2) 输入角度 正弦波州z 天津波 日向滩冲地震波 (相对于开口方向)() 1 5 9 (1.01.5) (1.01.5) (1.01.5) 1.5.2.5 1.52.5 0 30 60 90 知这传站器测点示速度传缘器测点（垂直方向） 相速度传感器 《平行方) 位移传器测左 测点1 方向方向 青加速度哲球荐测点 速度传这器测点（垂直方向） 加速度传感器 平行方同 测点2 青加遮度妆感带测点加迷度传迟器侧点（垂直方向） 加速度传感器 (平行方向) 测点3 加速度传感器制点 。滤度传送器测点《垂直方向) 加速度传感器 000 (平行方向) 测点4 加速度传这器点压直方鸣) 0852 加速度传感器 测点5 60心方向30方向 加速度传感器 满点6 !加注度传枣器测点证迷度传银器测点（垂直方向） 02c 「半行方可) 加速度传感器 测点7 加速度传感测点 速度传器测点（垂直方向） 你方间3护方向 01g 位移传擦墨测点 300 900 300 300 900 300 1500 1500 图2传感器布置图（单位：mm) 图3传感器测点高度（单位：mm) Fig 2 Sensors layout draw ing (unit mm) Fig 3 Height ofmeasuring ponts (unit mm)
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 表 1 结构动力模型的相似条件 Ｔａｂｌｅ1 Ｔｈｅｓｉｍｉｌａｒｉｔｙｒａｔｉｏｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌ 几何特性 材料特性 动力特性 长度ｌ 面积Ａ 体积Ｖ 应力σ 应变ε 弹性模量 Ｅ 质量ｍ 抗弯刚度ＥＩ 频率ｆ；时间ｔ 加速度 ａ ｃｌ＝1／15 ｃＡ＝ｃ2 ｌ＝ 1／152 ｃＶ＝ｃ3 ｌ＝ 1／153 Ｃσ ＝ＣＥ＝1 Ｃε＝1 ＣＥ＝1 Ｃｍ ＝88∙4／337200＝ 0∙00026 ＣＥＩ＝ （ＥＩ）ｍ ＥＩ ＝ 1／154 Ｃｔ＝Ｃ—1 ｌ （ｃρ／ ｃＥ） 1／2＝15 Ｃａ＝2 1∙3 实验加载工况 为考察不同激励波输入下结构加速度峰值沿塔 体高度的分布状态实验过程考虑到实验设备及模 型结构的承受能力选用频率为 1、5和 9Ｈｚ加速度 峰值为 1∙0ｍ·ｓ —2和 1∙5ｍ·ｓ —2的正弦波以及加速 度峰值为 1∙5ｍ·ｓ —2和 2∙5ｍ·ｓ —2的天津波和日本的 日向滩冲地震波对脱硫塔模型结构进行分别加载． 为了考察激励波输入角度对结构动力特性的影响 激励波输入角度选择与开口方向分别成 0、30、60和 90°方向输入并根据实验计划在实验过程中对激励 波的加速度峰值、输入角度随时进行调整．加载方 案见表 2加速度传感器的布置以及地点高度如 图 2、图 3所示实验现场加载角度如图 4所示． 表 2 加载方案 Ｔａｂｌｅ2 Ｔｈｅｌｏａｄｉｎｇｐｌａｎ 加速度峰值／（ｍ·ｓ—2） 正弦波／Ｈｚ 1 5 9 天津波 日向滩冲地震波 输入角度 （相对于开口方向 ）／（°） （1∙01∙5） （1∙01∙5） （1∙01∙5） 1∙52∙5 1∙52∙5 0 30 60 90 图 2 传感器布置图 （单位：ｍｍ） Ｆｉｇ．2 Ｓｅｎｓｏｒｓｌａｙｏｕｔｄｒａｗｉｎｇ（ｕｎｉｔ：ｍｍ） 图 3 传感器测点高度 （单位：ｍｍ） Ｆｉｇ．3 Ｈｅｉｇｈｔｏｆｍｅａｓｕｒｉｎｇｐｏｉｎｔｓ（ｕｎｉｔ：ｍｍ） ·1650·
第12期 宋波等：地震波输入角度对大型脱硫塔结构动力影响的实验研究 .1651. 图4实验现场加载角度.(a)90方向：(b)0方向：(c)60方向 fg4 Experinental site bading angl(a)90°direction(b)0°dinction(c）60°dirction 2不同地震波输入角度下结构的动力反应 塔底的加速度峰值放大比例如表3所示. 3000r 考察与分析 2500 2000 对复杂结构，尤其是不对称的薄壁结构而言，不 90° 同部位、不同结构形式的振动反应特性是不同的；并 1000 。609 +30 且在地震作用下结构动力分析中，不同部位各个响 500 量0的 应量的最大值都会与各自的地震波输入方向相对 2468101214 加速度峰值m·s习 应.因此，如何确定脱硫塔这类复杂结构或构件的 图5正弦波9Hz时四个方向的塔体加速度蜂值分布(1.5m· 最不利激励波输入方向，寻找结构的薄弱位置，为今 52) 后该类薄壁壳结构合理的优化设计提供新的思路， Fig5 Distrbution of peak accelenation under the sne wave (9Ha 是本次实验重点考察的内容， 1.5ms2)in different anges abng tower height 2.1结构自振周期验算 为了验证实验原型与模型之间的相似程度，在 从以上结果可以看出，输入波方向与结构之间 实验前需要考察两个结构的动力特性相似程度.首 的角度不同，塔体加速度峰值沿高度的分布也不同， 先用大型有限元程序ANSYS计算出来原型结构的 不仅如此，数据结果也显示，在不同加速度峰值和不 第一阶自振频率为0.67Ha模型结构用正弦波扫频 同输入角度情况下，结构的加速度峰值沿塔高的变 之后得到的模型结构的第一阶自振频率为 化是不同的.以相同加速度峰值1,5m·s2为例，当 10.74Ha将模型与原型结构之间时间相似比系数 正弦波与结构之间的夹角为90时，塔顶的最大加 15代入，可得到如下的关系：0.67×15= 速度峰值比塔底增加了64.7%，60°时增加了 10.05(Hz) 45.89%,30时增加了67.39%，0时增加了58.9%. 从模型结构的自振频率和原型结构自振频率的 对同一角度不同加速度峰值情况进行比较，1.0m· 两个值中可以看出，模型结构与原型结构的动力特 s和1.5m·s时各角度的加速度峰值增幅也不尽 性是相似的，由于模型结构在制作过程中会有制作 相同， 误差、材料误差以及实验过程中出现的误差等，这是 通过以上数据可以知道：在相同加速度峰值 造成两个自振频率没有很好拟合的主要原因， 时，脱硫塔塔顶加速度峰值比塔底峰值增加的幅 2.2正弦波加载实验结果分析 度很大，特别是当开口方向与加速度波成30角时 选取最接近结构自振频率(10.74Hz)的9Hz时 增幅最大，为69.6%；而其他方向加速度峰值增幅 塔体加速度峰值实验结果作为分析对象，将加速度 相对较小，60方向增幅最小，为42.9%.这充分 峰值为1.0m·s和1.5m·s的正弦波输入模型结 证明了激励波输入角度对结构的影响是不容忽 构，并整理加速度峰值沿塔体高度的分布情况，得到 视的 正弦波与开口方向成90°、60°、30和0夹角时加速 2.3地震波加载实验结果分析 度沿塔体高度范围的分布曲线，曲线上相应测点高 针对结构高大且属于柔性结构的特点，选择天 度见图3选取1.5m·s情况下各角度加速度峰值 津波和日本的日向滩冲波两种类型的地震波作为激 分布图如图5所示，四个方向两种不同加速度峰值 励地震波，仍从以上四个角度对模型结构分别输入 下的塔体加速度峰值分布曲线如图6所示，塔顶比 1.5m·和2.5m·2两种加速度峰值，以对比正
第 12期 宋 波等： 地震波输入角度对大型脱硫塔结构动力影响的实验研究 图 4 实验现场加载角度．（ａ）90°方向；（ｂ）0°方向；（ｃ）60°方向 Ｆｉｇ．4 Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｉｔｅｌｏａｄｉｎｇａｎｇｌｅ：（ａ）90°ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ；（ｂ）0°ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ；（ｃ）60°ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ 2 不同地震波输入角度下结构的动力反应 考察与分析 对复杂结构尤其是不对称的薄壁结构而言不 同部位、不同结构形式的振动反应特性是不同的；并 且在地震作用下结构动力分析中不同部位各个响 应量的最大值都会与各自的地震波输入方向相对 应．因此如何确定脱硫塔这类复杂结构或构件的 最不利激励波输入方向寻找结构的薄弱位置为今 后该类薄壁壳结构合理的优化设计提供新的思路 是本次实验重点考察的内容． 2∙1 结构自振周期验算 为了验证实验原型与模型之间的相似程度在 实验前需要考察两个结构的动力特性相似程度．首 先用大型有限元程序 ＡＮＳＹＳ计算出来原型结构的 第一阶自振频率为 0∙67Ｈｚ模型结构用正弦波扫频 之后 得 到 的 模 型 结 构 的 第 一 阶 自 振 频 率 为 10∙74Ｈｚ将模型与原型结构之间时间相似比系数 15 代 入可 得 到 如 下 的 关 系：0∙67×15＝ 10∙05（Ｈｚ）． 从模型结构的自振频率和原型结构自振频率的 两个值中可以看出模型结构与原型结构的动力特 性是相似的．由于模型结构在制作过程中会有制作 误差、材料误差以及实验过程中出现的误差等这是 造成两个自振频率没有很好拟合的主要原因． 2∙2 正弦波加载实验结果分析 选取最接近结构自振频率 （10∙74Ｈｚ）的9Ｈｚ时 塔体加速度峰值实验结果作为分析对象将加速度 峰值为 1∙0ｍ·ｓ —2和 1∙5ｍ·ｓ —2的正弦波输入模型结 构并整理加速度峰值沿塔体高度的分布情况得到 正弦波与开口方向成 90°、60°、30°和 0°夹角时加速 度沿塔体高度范围的分布曲线曲线上相应测点高 度见图 3．选取 1∙5ｍ·ｓ —2情况下各角度加速度峰值 分布图如图 5所示四个方向两种不同加速度峰值 下的塔体加速度峰值分布曲线如图 6所示塔顶比 塔底的加速度峰值放大比例如表 3所示． 图 5 正弦波 9Ｈｚ时四个方向的塔体加速度峰值分布 （1∙5ｍ· ｓ—2） Ｆｉｇ．5 Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｐｅａｋａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｔｈｅｓｉｎｅｗａｖｅ（9Ｈｚ 1∙5ｍ·ｓ—2） ｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｎｇｌｅｓａｌｏｎｇｔｏｗｅｒｈｅｉｇｈｔ 从以上结果可以看出输入波方向与结构之间 的角度不同塔体加速度峰值沿高度的分布也不同． 不仅如此数据结果也显示在不同加速度峰值和不 同输入角度情况下结构的加速度峰值沿塔高的变 化是不同的．以相同加速度峰值 1∙5ｍ·ｓ —2为例当 正弦波与结构之间的夹角为 90°时塔顶的最大加 速度 峰 值 比 塔 底 增 加 了 64∙7％60°时 增 加 了 45∙8％30°时增加了 67∙3％0°时增加了 58∙9％． 对同一角度不同加速度峰值情况进行比较1∙0ｍ· ｓ —2和 1∙5ｍ·ｓ —2时各角度的加速度峰值增幅也不尽 相同． 通过以上数据可以知道：在相同加速度峰值 时脱硫塔塔顶加速度峰值比塔底峰值增加的幅 度很大特别是当开口方向与加速度波成 30°角时 增幅最大为 69∙6％；而其他方向加速度峰值增幅 相对较小60°方向增幅最小为 42∙9％．这充分 证明了激励波输入角度对结构的影响是不容忽 视的． 2∙3 地震波加载实验结果分析 针对结构高大且属于柔性结构的特点选择天 津波和日本的日向滩冲波两种类型的地震波作为激 励地震波仍从以上四个角度对模型结构分别输入 1∙5ｍ·ｓ —2和 2∙5ｍ·ｓ —2两种加速度峰值以对比正 ·1651·
,1652 北京科技大学学报 第32卷 (a) (b) 3000 3000 开口 2500 2000 200l 开▣ 2000 1500 激振波 激振波 000 输人方向 输入方向 +90°.1.5m8-2 000 +0°.1.5ms2 500 t90°，1.0ms2 500 0°，1.0ms2 2 4681012 14 4 6 8101214 加速度峰值《m, 加速度峰值(ms) 3000 c 3000 2s00 2000 开口 2000 1500 开口 1000 激振波输入方向 150m 激振波输入方向 500 +30,1.5ms2 30,1.0ms-2 500 t +60°，1.5mg2 60.1.0ms-2 2 4 68101214 468101214 加速度峰值m.s3 加速度峰值《m.) 图61.0ms2和1.5ms2正弦波作用下塔体加速度分布(9Hz.(a)90°，(b)0:(c)30°(d)60° D istrbution of peak accelration under the sine wave in different angles alng ower height(a)90；°(b)0；°(c)30；°(d)60° 表3以不同角度输入正弦波时结构（塔顶比塔底）加速度蜂值增大 构的不同影响，由于篇幅有限，选取天津波作用下 幅度 塔体加速度峰值沿高度的分布曲线如图7所示，塔 Table 3 Incwase amplitde of peak accelemation under the sne wave in 体加速度峰值反应变化如表4所示， different angles % 由图7及表4可知，天津波作用下塔体加速度 正弦波输入 加速度蜂值m·s2) 角度() 峰值的分布规律明显不同于正弦波情况，其数值在 1.0 1.5 地震波输入角度不同时，在喷淋梁处塔壁及塔顶位 90 55.7 64.7 置均出现较大偏差，以2.5m·s加速度峰值为例， 60 42.9 45.8 塔顶比塔底加速度峰值反应较为平缓的是地震波与 30 69.6 67.3 结构成60角时，只有39.%；反应较为强烈的是地 0 58.9 58.9 震波与结构成30'角时，塔顶比塔底加速度峰值增 弦波的实验结果，同时验证近震和远震波对高柔结 大的最大增幅达到332.9%. 3000-a 3000r ) 2500a 2500 2000 2000 激振波输 1500 激振波输入方向 1500 人方问。 1000 +◆天津波1.5ms2 1000 +-天津波1.5ms2 500 -0…天津波25m%2 500 -口-天津波2.5m82 4 6 10 4 6 10 加速度蜂值(ms 加速度峰值m,s 3000 3000 ◇ 2500 2000 2000 1500 激振波输入方向 1500 1000 .0 激振波输入方向 +天津波1.5ms2 1000 +天津波1.5ms2 500 口…天津波2.5m-s2 500 …天津波2.5m,s-2 4 68 4 68 10 加速度蜂值ms 加速度峰值ms今 图71.5m·年2和2.5m·s2天津波作用下塔体加速度峰值分布，(a)0°(b)90°(c)30°(d)60° Fig7 Distrbution of peak acceleration underTianjin wave n different angles abng ower heght (a)0 (b)90(c)30 (d)60
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 图 6 1∙0ｍ·ｓ—2和 1∙5ｍ·ｓ—2正弦波作用下塔体加速度分布 （9Ｈｚ）．（ａ）90°；（ｂ）0°；（ｃ）30°；（ｄ）60° Ｆｉｇ．6 Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｐｅａｋａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｔｈｅｓｉｎｅｗａｖｅｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｎｇｌｅｓａｌｏｎｇｔｏｗｅｒｈｅｉｇｈｔ：（ａ）90°；（ｂ）0°；（ｃ）30°；（ｄ）60° 表 3 以不同角度输入正弦波时结构 （塔顶比塔底 ）加速度峰值增大 幅度 Ｔａｂｌｅ3 Ｉｎｃｒｅａｓｅａｍｐｌｉｔｕｄｅｏｆｐｅａｋａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｔｈｅｓｉｎｅｗａｖｅｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｎｇｌｅｓ ％ 正弦波输入 角度／（°） 加速度峰值／（ｍ·ｓ—2） 1∙0 1∙5 90 55∙7 64∙7 60 42∙9 45∙8 30 69∙6 67∙3 0 58∙9 58∙9 弦波的实验结果同时验证近震和远震波对高柔结 构的不同影响．由于篇幅有限选取天津波作用下 塔体加速度峰值沿高度的分布曲线如图 7所示塔 体加速度峰值反应变化如表 4所示． 由图 7及表 4可知天津波作用下塔体加速度 峰值的分布规律明显不同于正弦波情况其数值在 地震波输入角度不同时在喷淋梁处塔壁及塔顶位 置均出现较大偏差．以 2∙5ｍ·ｓ —2加速度峰值为例 塔顶比塔底加速度峰值反应较为平缓的是地震波与 结构成 60°角时只有 39∙7％；反应较为强烈的是地 震波与结构成 30°角时塔顶比塔底加速度峰值增 大的最大增幅达到 332∙9％． 图 7 1∙5ｍ·ｓ—2和 2∙5ｍ·ｓ—2天津波作用下塔体加速度峰值分布．（ａ）0°；（ｂ）90°；（ｃ）30°；（ｄ）60° Ｆｉｇ．7 ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｐｅａｋａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｕｎｄｅｒＴｉａｎｊｉｎｗａｖｅｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｎｇｌｅｓａｌｏｎｇｔｏｗｅｒｈｅｉｇｈｔ：（ａ）0°；（ｂ）90°；（ｃ）30°；（ｄ）60° ·1652·