滕振超， 刘 宇， 赵誉翔， 崔 明

(东北石油大学土木建筑工程学院， 黑龙江省高校防灾减灾与防护工程重点实验室, 大庆 163318)

集气站是收集气井所生产天然气的站场，在集气站内对天然气进行节流降压、加热、加防冻剂、调压计量、预处理和管线防腐等处理。目前集气站主要应用于油气分离和煤气分离两大领域，工程应用中的集气站根据驱动方式又分为电动机驱动与燃气轮机驱动两种，电动机驱动方式更具优势[1]。

工程应用中的电驱集气站以钢框架结构为主，目前中外关于钢框架结构动力性能研究主要分为以下几个部分：①地震作用，中外关于钢框架结构抗震研究很多，主要根据抗震设防目标、抗震设计类别、设计反应谱、地震作用取值和梁柱连接等内容进行分析，包括三种抗震设计方法(振兴分解法、时程分析法、静力非线性分析法)和整体动力响应分析方法(模态分析、频谱分析和时程分析)；②风荷载作用，近年来中外对钢结构框架抗风研究颇为重视，风荷载也已作为各种工程结构的重要设计荷载，如由于水平脉动风荷载对刚架钢结构厂房有害，故在设计中应予以重视；③有限元模拟，ANSYS、ABAQUS、PKPM、SAP2000、OpenSees等软件，已经作为钢框架结构抗震抗风研究的重要手段，用于对结构破坏模式、滞回性能、耗能能力和变形能力等进行分析。近年来，有学者开始研究如何将钢框架结构动力性能分析方法应用于具有工程背景的集气站动力分析中，使此研究具有工程价值[2]。

依据中石油西气东输二线(甘肃-陕西段)天然气电驱集气站的工程应用背景，以较为复杂的U形电驱集气站为例，通过利用有限元软件ANSYS建立其钢框架结构的三维空间有限元模型，完成其整体结构的动力学特性分析。根据现有8级地震记录对其施加横向、纵向地震激励，分别作模态分析、频谱分析和时程分析，并对计算结果作相应的对比，最后对该钢框架结构的抗震性能进行综合评定[3]；将风荷载作为静荷载处理，采用静力分析，对该钢框架结构施加十级风(设计风速30 m/s)荷载作用检验其抗风性能；除满足8级抗震要求及抵抗十级风荷载要求外，分析结果可为工程师设计沿线电驱集气站及类似结构提供相应的依据，提高结构设计可靠度。

1 动力性能分析方法

1.1 地震作用分析方法

中国抗震规范提出的要求是在结构的全寿命周期，对于可能发生的不同震级或是不同频谱的作用，该结构应当具备不同差异性的抵抗能力[4]。《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)的中心内容可以总结为三水准和两阶段，即“小震不坏、中震可修、大震不倒”和“弹性设计阶段、弹塑性设计阶段”。抗震设计时，结构所承受的地震作用是由地震地面运动引起的动态作用，它是建筑结构设计或分析的基本依据，如表1所示。

模态分析，用于观察结构的自振周期、自振频率、各阶振型图等；频谱分析，即采用振型分解反应谱法中的单点响应谱分析方法，模拟结构分别在8度多遇及罕遇地震下的动力响应；时程分析，根据现有的8级地震波记录，模拟结构在真实地震波作用下的动力响应。

1.2 风荷载作用分析方法

风荷载具有方向性，利用ANSYS软件采用的风荷载效应分析方法为：顺风向平均风(静力计算)。分别在该U形电驱集气站钢框架结构的X方向和Y方向施加风荷载；由于风荷载属于表面荷载，将风荷载等效地施加在结构外表面的梁柱汇交处；在高层建筑结构的抗风分析中，将风荷载作为静荷载处理，因此分析类型采用静力分析，对该钢框架结构施加十级风(设计风速30 m/s)荷载作用检验其抗风性能[5]。

空气在压强差的作用下发生流动形成风，风的强度通常由风压w确定，风速和风压的关系通过流体力学中的伯努利方程可以表示为

(1)

式(1)中：ρ为空气密度，t/m3；γ为空气重度；v为风速，m/s。

实际计算中，风压是随高度和建筑物的外形而变化的。一般先取基本风压ω0作为标准，乘以相应的高度变化系数μZ和体形系数μS，得出实际风压，即

ω=ω0μZμS

(2)

在计算中，风速v=30 m/s，基本风压ω0=0.56 kN/m2，简化起见体形系数μS=1.0，变化系数μZ参照有关规范，如表2所示，由于该结构只有3 m高，统一偏安全的取为μZ=1.0。

2 有限元模型建立

分析的U形电驱集气站钢框架结构主要由梁、柱和质量块等部分组成，本模型分为三部分，分别为左3.5 m×10.3 m×3.0 m、中11.4 m×3.5 m×3.0 m、右3.5 m×10.3 m×3.0 m。采用ANSYS18.2有限元分析软件进行。首先需要建立该U形电驱集气站钢框架结构有限元分析模型，实际建模时，忽略变压器外壳、变电箱、墙体等薄壁元件，对框架角钢、槽钢及螺栓采用梁单元模拟，及使用钢材的材料力学性能参数，如表2和表3所示。

表1 三个水准的各种参数表

表2 各单元类型

工程实际中该U形电驱集气站三部分之间是利用钢板搭接的，目的是为防止在地震作用下产生应力集中，有利于结构整体抗震，为了验证这一改进措施建立模型时采用三种方式：①完全分离(分离式)；②完全刚接(整体式)；③将框架重合的节点进行耦合，其中分离与刚接的区分在于是否采用整体建模(耦合式)，第三种方式是在分离建模的基础上进行耦合，整体式模型、分离式模型及耦合式模型如图1所示。

3 抗震性能分析

3.1 模态分析

按照《电力设施抗震设计规范》(GB 50260—2013)的要求，经ANSYS模态分析计算，电驱集气站钢框架结构其水平方向前十阶自振频率计算如表4所示。

对该钢框架结构的三种模型进行模态分析和振型比较，发现耦合模型的自振频率与整体式建模基本相同，验证了整体式模型的合理性，故后续仅对整体式建模与分离式建模进行分析比较。得出结论：整体式建模刚度大，自振周期小，自振频率高。整体建模前三阶振型云图如图2所示。

表4 结构固有振动特性

图2 U形电驱集气站有限元模型Fig.2 Finite element model of U-shape electric drive gas gathering station

3.2 频谱分析

利用ANSYS谱分析中比较常用的单点响应谱(SPRS)对U形电驱集气站进行抗震分析，具体过程包括：建模、计算模态解、谱分析求解、扩展模态、合并模态观察结果。

地震作用采用振型分解反应谱法对U形电驱集气站框架结构进行抗震计算，按照上述设计规范的要求，首先确定基本设防烈度8度(0.2g)和罕遇烈度8度(0.40g)下设计地震加速度反应谱，地震作用的基本参数如表5所示。

代入数据，对该框架结构在整体式模型下进行振型分解反应分析，谱分析结果的位移和应力云图如图3所示,该分析最终数据结果如表6所示。进一步得到结构最大位移及最大应力数据如表7所示。

表5 地震作用基本参数

图3 抗震性能分析结果的位移和应力云图(整体式)Fig.3 Displacement and stress nephograms of seismic performance analysis results (integral)

将上述数据汇总如图4所示，结果表明，整体式建模情况下，对结构进行振型分解反应谱方法分析，整体式结构在地震作用下的最大位移与结构最大应力明显要小于分离式，此方法分析下得出，整体式对结构抗震更有利。

图4 分离式、整体式抗震分析结果对比Fig.4 Comparison of separated and integral earthquake resistance analysis results

表6 响应谱分析数据

3.3 时程分析

利用ANSYS中的完全法瞬态动力学分析，具体步骤：建立初始条件、设置求解控制、施加载荷、存储载荷步设置，最后计算瞬态解[6]。瞬态动力学分析中，载荷随时间变化，为了描述这种载荷-时间关系，ANSYS采用载荷步的方式，如图5所示。

试验研究中，输入真实的地震波需要采用2+1或5+2的准则对加载地震波的正确性进行验证。仅根据现有的一条真实的8级地震波记录、模拟结构在真实地震波作用下的动力响应，探讨时程分析的方法路径，为工程实际中分析类似钢结构构件奠定基础。

表7 结构最大位移及最大应力数据

图5 ANSYS瞬态分析中载荷-时间关系曲线Fig.5 Load-time relationship curve in ANSYS transient analysis

从国家地震科学数据共享中心下载得到2016年新西兰8.0级地震的实测波形。获取的主震强震动记录震中距为81～273 km。其中VUWS台获得最大峰值加速度，强震台震中距为214 km，两个水平方向、垂直向加速度峰值分别为152.7、-229.9、-58.9 cm/s2，速度峰值分别为32.0、40.3、13.0 cm/s，仪器地震烈度为8.6；地震波形如图6所示,其中截取包含最大峰值加速度的40 s为对结构施加的地震波。

由图6可知，地震波形三个方向保持良好的一致性，仅对应的加速度及峰值不同，预期结构整体的响应也会保持良好的一致性，最终将通过建模方式的不同及不同地震波这些变量共同影响下，对结构进行完整的时程分析。

根据谱分析结果，输入8.0级地震波形的截取段后，选取一些不利节点，在POST26时间后处理器中提取这些节点在地震波作用下的位移时程曲线图、应力时程曲线，进行对比与分析。图7为分离式、整体式变量提取，图8为X、Y方向节点位移时程曲线，图9为应力时程曲线。

图6 2016年新西兰8.0级地震波形及截取段Fig.6 Waveform and interception segment of New Zealand M8.0 earthquake in 2016

图7 变量提取对话框Fig.7 Variable selection dialog box

图8 左部屋架横梁3027节点位移时程曲线Fig.8 Displacement time history curve of 3027 nodes of left roof truss beam

在进行时间后处理分析中，发现左部屋架3027节点的滞回曲线呈梭形比较饱满，单独取出来，如图10所示。图10为分离式建模时左部屋架横梁对应节点处的滞回曲线，很明显整体式建模的滞回曲线明显比分离式建模对应位置处的滞回曲线饱和度高，具有更好的变形耗能能力，即延性高。

4 抗风性能分析

风荷载具有方向性，利用ANSYS采用的风荷载效应分析方法为：顺风向平均风(静力计算)。分别在该U形电驱集气站钢框架结构的Y方向和X方向施加风荷载；由于风荷载属于表面荷载，将风荷载等效地施加在结构外表面的梁柱汇交处[7]；在高层建筑结构的抗风分析中，将风荷载作为静荷载处理，因此分析类型采用静力分析，对该钢框架结构施加十级风(设计风速30 m/s)荷载作用检验其抗风性能。

根据式(1)，结构风荷载等效的原理如图11所示，A点风荷载计算公式为

FA=SBCDEω0μZμS

(3)

根据式(3)，确定等效风荷载常量，并将每一个节点对应的数值输入到ANSYS中进行分析，对U形电驱集气站框架结构计算X、负X、Z、负Z方向风荷载下的结构响应。最后得出该U形电驱集气站框架结构各个方向及各个方向第一主应力云图如图12所示；各个方向风荷载下最大位移和最大应力数据整理如表8所示。

图9 左部屋架横梁1213单元应力时程曲线Fig.9 Stress-time-history diagram of 1213 element of left roof truss beam

图10 左部横梁屋架处滞回曲线Fig.10 Hysteretic curve of left crossbeam roof truss

图12 抗风性能分析结果的位移和应力云图(整体式)Fig.12 Displacement and stress nephograms of wind resistance analysis results (integral)

将上述数据汇总如图13所示，结果表明，整体式建模情况下，对该U形电驱集气站钢框架结构进行抗风性能分析，整体式结构在风荷载作用下的最大位移与结构最大应力明显要小于分离式，此方法分析下得出，整体式对结构抗风更有利。

5 结论

通过ANSYS有限元软件，建立了U形电驱集气站钢框架结构模型，对其进行了动力性能分析，得出以下总结。

(1)对U形电驱集气站采用三种方式建立有限元模型：①完全分离；②完全刚接(整体式)；③将框架重合的节点进行耦合；其中整体式建模对结构重合部分做了二次优化，使计算更合理，能够很好地收敛。

表8 结构最大位移及最大应力数据

图13 分离式、整体式抗风分析结果对比Fig.13 Comparisons of separate and integral wind resistance analysis results

(2)研究成果属工程应用背景，利用ANSYS有限软件分析很好地攻克了PKPM工程设计软件无法建立设备自重附加在结构对应位置的难题，故在研究过程中，把实际工程中的配电、变频、自控通信等设备，采用质量块(Mass21单元)的形式，作用在结构底部对应的单元上，进而分析。

(3)对该钢框架结构的三种模型进行模态分析和振型比较，发现耦合模型的自振频率与整体式建模基本相同，验证了整体式模型的合理性，故仅对整体式建模与分离式建模进行分析比较。得出结论：整体式建模刚度大、自振周期小、自振频率高，分离式建模刚度小、自振周期大、自振频率低[9]。

(4)利用振型分解反应谱方法对该钢框架结构进行抗震分析，得出结论，在单点响应谱分析结果中，整体式结构在地震作用下的最大位移与结构最大应力明显要小于分离式，此方法分析下得出，整体式对结构抗震更有利，与模态分析结果相符。

(5)根据现有8级地震记录对该结构施加横向、纵向地震激励，进行时程分析，并对计算结果做相应的对比，得出结论：整体式结构左端屋架及中部屋架的位移及应力明显要低于分离式，且整体式左端屋架横梁对应节点处的滞回曲线明显比分离式对应位置处饱和度高，具有更好的变形耗能能力，即延性更高。但是时间历程分析相比谱分析更为复杂，运算时间更长，在工程运用中会比较受限，所以最后比较推荐谱分析来分析该类结构的地震响应。

(6)对该U形电驱集气站钢框架结构进行抗风性能分析，整体式结构在风荷载作用下的最大位移与结构最大应力明显要小于分离式，此方法分析下得出，整体式对结构抗风更有利。验证了工程实际中结构之间的连接尤为必要。

(7)完成地震作用、风荷载作用下结构的受力特性分析，确定出结构最大位移出现在屋架横梁、最大等效应力出现在屋架跨中和柱底部位；探索了工程实际中，如U形电驱集气站框架结构进行模态分析、谱分析、时程分析、抗风分析(顺风向平均风)的方法及影响规律，为该抗风抗震分析方法在实际工程应用中提供科学依据，并提供一整套的电驱集气站在地震作用、风荷载下结构受力特点的设计分析方法。