CN110414025B - 一种框架塔及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种框架塔及其设计方法，属于石油化工设备领域。所述框架塔包括：同轴设置的塔器、钢框架；所述钢框架套装在所述塔器的外部，顶部用于支撑所述塔器；所述框架塔还包括：多个粘滞阻尼器；所述粘滞阻尼器的两端分别与所述塔器的外壁、所述钢框架的顶部连接；且，多个所述粘滞阻尼器沿所述塔器的周向均匀分布。本发明通过在塔器与钢框架之间设置粘滞阻尼器，可吸收和消耗地震、极限风等对塔器的冲击能量，具有良好的减震效果，可克服钢框架与塔器之间产生振荡接触，而在塔体局部区域产生应力集中和应力幅值极速变化的缺陷；且不改变整个框架塔的侧向刚度，避免由于粘滞阻尼器参数选取不精确而造成塔器与钢框架之间的耦合撞击。
Description
技术领域
本发明涉及石油化工设备领域，特别涉及一种框架塔及其设计方法。
背景技术
塔器，是石化、煤化行业广泛使用的化学反应设备。随着石化和煤化行业的不断发展，塔器的高度不断增加，待到达一定高度后，过大的高径比会导致塔器在地震载荷和风载荷的作用下，塔顶挠度过大，使得塔盘倾斜过大，塔盘的液层分布薄厚不均或部分脱空，影响产品质量，无法满足化工工艺流程对塔内液面高度变化的技术要求。目前多在塔器的侧部增设钢框架，形成框架塔，以降低塔顶的挠度。
现有技术提供了一种框架塔，该框架塔包括：同轴设置的塔器、钢框架；钢框架套装在塔器的外部，顶部用于支撑塔器；且，钢框架与塔器之间设有3mm～5mm的间隙。该类框架塔在地震载荷和风载荷的作用下，钢框架的顶部对塔器起到支撑作用，以减少塔器的塔顶挠度。
发明人发现现有技术至少存在以下问题：
在地震载荷和风载荷的作用下，若塔器与钢框架变形不同步，会发生相互碰撞、接触，使得钢框架与塔器之间产生振荡碰撞接触，容易在塔体局部区域产生应力集中和应力幅值极速变化，进而损坏塔器。
发明内容
本发明实施例提供了一种框架塔及其设计方法，可以解决上述问题。所述技术方案如下：
一方面，提供了一种框架塔，所述框架塔，包括：同轴设置的塔器、钢框架；
所述钢框架套装在所述塔器的外部，顶部用于支撑所述塔器；
所述框架塔还包括：多个粘滞阻尼器；
所述粘滞阻尼器的两端分别与所述塔器的外壁、所述钢框架的顶部连接；
且，多个所述粘滞阻尼器沿所述塔器的周向均匀分布。
在一种可能的设计中，所述钢框架与所述塔器的高度比为2:3。
在一种可能的设计中，所述钢框架的水平截面为方形结构。
在一种可能的设计中，所述钢框架顶部的每一侧边对应连接一个所述粘滞阻尼器。
另一方面，提供了一种框架塔的设计方法，所述设计方法包括以下步骤：
a、获取塔器的高度、直径、物理参数以及钢框架的物理参数，并根据所述塔器的高度，获得所述钢框架的高度，以及根据所述塔器的物理参数中的材质参数，确定所述塔器中被支撑部位在支撑状态下的最大允许位移；
b、根据所述最大允许位移，确定所述钢框架中支撑部位在支撑状态下的最大侧移量以及粘滞阻尼器的最大行程；
c、根据所述塔器的直径，假设所述钢框架的截面尺寸；
d、根据所述塔器的高度、直径、物理参数以及所述钢框架的高度、截面尺寸、物理参数，确定所述粘滞阻尼器的最大阻尼力；
e、获取所述粘滞阻尼器的阻尼指数、所述塔器与所述钢框架的相对运动速度，并根据所述最大阻尼力，确定所述粘滞阻尼器的阻尼系数；
f、对所述塔器、所述钢框架与所述粘滞阻尼器的强度、刚度、稳定性进行验算，若达不到要求，重复执行步骤a～e，直至达到所述要求为止。
在一种可能的设计中，所述根据所述塔器的物理参数中的材质参数，确定所述塔器中被支撑部位在支撑状态下的最大允许位移，包括：
若所述塔器的材质为高合金钢或镍基材料，所述最大允许位移为20mm～40mm；
若所述塔器的材质为低合金钢，且在罕遇地震工况下，所述最大允许位移与所述钢框架的高度比为1：100；
若所述塔器的材质为低合金钢，且在极限风工况下，所述最大允许位移与所述钢框架的高度比为1：250；
若所述塔器的材质为低合金钢，且在正常工况下，所述最大允许位移与所述钢框架的高度比为1：500～1000。
在一种可能的设计中，所述钢框架的最大侧移量小于或等于所述塔器的最大允许位移。
在一种可能的设计中，若所述塔器与所述钢框架的刚度比小于或等于0.45，所述粘滞阻尼器的最大行程为所述最大允许位移的1.2倍；
若所述塔器与所述钢框架的刚度比为1.0，所述粘滞阻尼器的最大行程与所述最大允许位移相同；
若所述塔器与所述钢框架的刚度比大于0.45且小于1，所述粘滞阻尼器的最大行程与所述钢框架的高度比为1：500～1000。
在一种可能的设计中，根据所述塔器的高度、直径、物理参数以及所述钢框架的高度、截面尺寸、物理参数，确定所述粘滞阻尼器的最大阻尼力，包括：
根据所述塔器的高度、直径、物理参数，利用有限元分析法，获得所述塔器中被支撑部位在单位载荷作用下的侧向位移；
根据所述钢框架的高度、直径、物理参数，利用有限元分析法，获得所述钢框架中支撑部位在单位载荷作用下的侧向位移；
根据所述塔器的侧向位移与所述钢框架的侧向位移，并利用以下计算公式获得所述最大阻尼力：
F＝H/((Δ1+Δ2)×500)
式中：
F—所述粘滞阻尼器的最大阻尼力，KN；
H—所述钢框架的高度，m；
Δ1—所述塔器中被支撑部位在单位载荷作用下的侧向位移，m；
Δ2—所述钢框架中支撑部位在单位载荷作用下的侧向位移，m。
在一种可能的设计中，所述粘滞阻尼器的阻尼指数通过以下方法获取：
若所述塔器的高度小于30m，所述阻尼指数为1；
若所述塔器的高度为30m～80m，所述阻尼指数为0.5；
若所述塔器的高度大于80m，所述阻尼指数为0.3。
在一种可能的设计中，所述塔器与所述钢框架的相对运动速度通过以下计算公式得到：
V＝2πΔL/T
式中：
V—所述相对运动速度，mm/s；
ΔL—所述塔器的最大允许位移，mm；
T—所述框架塔的自振周期，s。
在一种可能的设计中，所述粘滞阻尼器的阻尼系数通过以下计算公式计算得到：
F＝C×Vα
式中：
F—所述粘滞阻尼器的最大阻尼力，KN；
C—所述粘滞阻尼器的阻尼系数；
α—所述粘滞阻尼器的阻尼指数。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
本发明实施例提供的框架塔，通过在塔器与钢框架之间设置粘滞阻尼器，可吸收和消耗地震、极限风等对塔器的冲击能量，具有良好的减震效果，可克服钢框架与塔器之间产生振荡接触，而在塔体局部区域产生应力集中和应力幅值极速变化的缺陷；且不改变整个框架塔的侧向刚度，避免由于粘滞阻尼器参数选取不精确而造成塔器与钢框架之间的耦合撞击。另外，通过将多个粘滞阻尼器沿塔器的周向均匀分布，可对塔器进行全方位的支撑，以防止塔器损坏，甚至倒塌。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的框架塔的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的框架塔的俯视结构示意图；
图3是本发明实施例提供的钢框架的俯视结构示意图；
图4是强风作用下不同结构的框架塔的塔顶位移时程比较图；
图5是地震作用下不同结构的框架塔的塔顶位移时程比较图。
其中，附图中的各个标号说明如下：
1-塔器；
2-钢框架；
201-竖直方钢；
202-水平方钢；
203-交叉钢；
3-粘滞阻尼器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
第一方面，本发明实施例提供了一种框架塔，如附图1所示，该框架塔包括：同轴设置的塔器1、钢框架2；钢框架2套装在塔器1的外部，顶部用于支撑塔器1；进一步地，该框架塔还包括：多个粘滞阻尼器3；粘滞阻尼器3的两端分别与塔器1的外壁、钢框架2的顶部连接；且多个粘滞阻尼器3沿塔器1的周向均匀分布。
本发明实施例提供的框架塔，通过在塔器1与钢框架2之间设置粘滞阻尼器3，可吸收和消耗地震、极限风等对塔器1的冲击能量，具有良好的减震效果，可克服钢框架2与塔器1之间产生振荡接触，而在塔体局部区域产生应力集中和应力幅值极速变化的缺陷；且不改变整个框架塔的侧向刚度，避免由于粘滞阻尼器3参数选取不精确而造成塔器1与钢框架2之间的耦合撞击。另外，通过将多个粘滞阻尼器3沿塔器1的周向均匀分布，可对塔器1进行全方位的支撑，以防止塔器1损坏，甚至倒塌。
在本发明实施例中，钢框架2与塔器1的高度比可设置为2:3。通过如上设置，既可使钢框架2对塔器1进行有效支撑，又可减少塔器1沿高度的平均壁厚，进而可减少框架塔的造价。
可以理解的是，在应用时，可根据工艺要求，对钢框架2的高度进行适当的调整，举例来说，若塔器1在其高度的三分之二处设置有管道，钢框架2的高度可上调或下调，不与管道的布置高度相同即可。
为了提高钢框架2对塔器1的支撑能力，本发明实施例中，钢框架2的水平截面为方形结构，以减少钢框架2的变形程度。
进一步地，上述钢框架2顶部的每一侧边对应连接一个粘滞阻尼器3(参见附图1、图2)。通过如上设置，可使钢框架2对塔器1进行全方位支撑，又可避免安装过多的粘滞阻尼器3，进而可减少框架塔的造价。
上述钢框架2的结构可设置成多种，本发明实施例中，钢框架2包括：多个竖直方钢201、多个水平方钢202、多组交叉钢203；多个竖直方钢201均匀排布成方形结构(参见附图3)；多个水平方钢202沿竖直方向间隔设置在相邻两个竖直方钢201之间；每组交叉钢203设置在相邻两个水平方钢202之间(参见附图1)。
通过如上设置，可增加钢框架2的刚度，进而能对塔器1进行有效支撑。
其中，每组交叉钢203包括两个斜向交叉连接的钢杆，这两个钢杆可为方钢或圆管，可通过焊接方式或螺栓进行连接。且，每组交叉钢203的四个端部可对应焊接在相邻两个竖直方钢201与相邻两个水平方钢202包围形成的方形空间的四个直角处。
此外，水平方钢202可焊接或螺栓连接在竖直方钢201上，便于操作。
基于上述结构的钢框架2以及塔器1，粘滞阻尼器3的一端可通过方形法兰与钢框架2的竖直方钢201连接，另一端可通过圆形法兰与塔器1外壁连接，可提高粘滞阻尼器3与钢框架2、塔器1的连接强度。
第二方面，本发明实施例提供了一种如第一方面所述的框架塔的设计方法，该设计方法包括以下步骤：
a、获取塔器1的高度、直径、物理参数以及钢框架2的物理参数，并根据塔器1的高度，获得钢框架2的高度，以及根据塔器1的物理参数中的材质参数，确定塔器1中被支撑部位在支撑状态下的最大允许位移。
b、根据最大允许位移，确定粘滞阻尼器3的最大行程以及钢框架2的侧移量。
c、根据塔器1的直径，假设钢框架2的截面尺寸。
d、根据塔器1的高度、直径、物理参数以及钢框架2的高度、截面尺寸、物理参数，确定粘滞阻尼器3的最大阻尼力。
e、获取粘滞阻尼器3的阻尼指数、塔器1与钢框架2的相对运动速度，并根据最大阻尼力，确定粘滞阻尼器3的阻尼系数。
f、对塔器1、钢框架2与粘滞阻尼器3的强度、刚度、稳定性进行验算，若达不到要求，重复执行步骤a～e，直至达到所述要求为止。
本发明实施例提供的框架塔的设计方法，通过获取塔器1的高度、直径、物理参数以及钢框架2物理参数，来确定钢框架2的高度、截面尺寸、最大侧移量以及粘滞阻尼器3的最大阻尼力、阻尼系数、最大行程，并通过对塔器1、钢框架2与粘滞阻尼器3的强度、刚度、稳定性进行验算，可优化上述框架塔、粘滞阻尼器3的设计参数，进而可提高粘滞阻尼器3的减震效果以及钢框架2对塔器1的支撑效果，能有效避免塔器1发生损坏，甚至倒塌。
下面就本发明实施例提供的设计方法的各个步骤进行描述：
在步骤a中，获取塔器1的高度、直径、物理参数以及钢框架2的物理参数，并根据塔器1的高度，获得钢框架2的高度，以及根据塔器1的物理参数中的材质参数，确定塔器1中被支撑部位在支撑状态下的最大允许位移。
其中，塔器1、钢框架2的物理参数包括：材质、密度、弹性模量、泊松比等参数，可通过查阅钢结构设计规范和钢制塔式容器规范获取。另外，塔器1中被支撑部位指的是塔器1中与粘滞阻尼器3的接触部位。
另外，上述钢框架2与塔器1的高度比可设置为2:3。通过如上设置，既可使钢框架2对塔器1进行有效支撑，又可减少塔器1沿高度的平均壁厚，进而可减少框架塔的造价。
可以理解的是，在应用时，可根据工艺要求，对钢框架2的高度进行适当的调整，举例来说，若塔器1在其高度的三分之二处设置有管道，钢框架2的高度上调或下调，不与管道的布置高度相同即可。
本发明实施例中，塔器1的最大允许位移可通过以下方法确定：
若塔器1的材质为高合金钢或镍基材料，最大允许位移为20mm～40mm；若塔器1的材质为低合金钢，且在罕遇地震工况下，最大允许位移与钢框架2的高度比为1：100；若塔器1的材质为低合金钢，且在极限风工况下，最大允许位移与钢框架2的高度比为1：250；若塔器1的材质为低合金钢，且在正常工况下，最大允许位移与钢框架2的高度比为1：500～1000。
需要说明的是，上述高合金钢指的是合金含量在10％以上的合金钢。另外，罕遇地震指大震,50年超越概率2％～3％的地震烈度,通常其烈度1600～2500年一遇；极限风指的是17级台风，风速大于等于61.3m/s。除了上述罕遇地震工况与极限风工况这两种工况外的工况均属于正常工况。
通过如上设置，在实现塔器1不倒蹋的前提下，可优化塔器1的壁厚，进而可减少侧框塔的造价，即塔器1的最大允许位移是基于塔器1的材质、经济合理的原则上设定的。
在步骤b中，根据最大允许位移，确定钢框架2中支撑部位在支撑状态下的最大侧移量以及粘滞阻尼器3的最大行程。
其中，为了能随塔器1进行有效支撑，钢框架2的最大侧移量小于或等于塔器1的最大允许位移。
此外，粘滞阻尼器3的最大行程可通过如下方法确定，具体为：
(1)若塔器1与钢框架2的刚度比小于或等于0.45，粘滞阻尼器3的最大行程为最大允许位移的1.2倍。
(2)若塔器1与所述钢框架2的刚度比为1.0，粘滞阻尼器3的最大行程与最大允许位移相同；
(3)若塔器1与钢框架2的刚度比大于0.45且小于1，粘滞阻尼器3的最大行程与钢框架2的高度比为1：500～1000。
其中，塔器1与钢框架2的刚度比指的是塔器1的刚度与钢框架2的刚度的比值，这两者的刚度可通过有限元分析方法获取。
需要说明的是，在应用时，为了使钢框架2起到支撑塔器1的作用，塔器1的刚度小于钢框架2的刚度，即塔器1与钢框架2的刚度比小于或等于1.0。
在步骤c中，根据塔器1的直径，假设钢框架2的截面尺寸。
钢框架2的截面尺寸大于塔器1的直径，举例来说，若钢框架2的截面为方形结构时，钢框架2的长度大于塔器1的外径，以保证钢框架2可套装在塔器1的外部。在本发明实施例中，可先由小至大依次假设钢框架2的截面尺寸。
在步骤d中，根据塔器1的高度、直径、物理参数以及钢框架2的高度、截面尺寸、物理参数，确定粘滞阻尼器3的最大阻尼力。
具体为，粘滞阻尼器3的最大阻尼力可通过如下方法获得：
步骤d1、根据塔器1的高度、直径、物理参数，利用有限元分析法，获得塔器1中被支撑部位在单位载荷作用下的侧向位移。
其中，向塔器1所施加的单位载荷的大小可设置为1000KN，且为水平力。另外，当利用有限元分析法获取塔器1的侧向位移时，塔器1采用壳单元模拟，建模中考虑内部设备和水箱的重量，可通过重力等效的方法将内部设备和水箱的重量折算到塔壁的密度中，以提高模拟精度。
另外，塔器1在单位载荷作用下的侧向位移的倒数为塔器1的刚度。
有限元分析法为本领域所常见的，并且目前已经针对该有限元分析法的实施出现了多种类型的模拟软件，例如ANSYS软件、ABAQUS软件等。
步骤d2、根据钢框架2的高度、直径、物理参数，利用有限元分析法，获得钢框架2中支撑部位在单位载荷作用下的侧向位移。
其中，向钢框架2所施加的单位载荷的大小可设置为1000KN，且与塔器1的单位载荷的施力方向相反的水平力。另外，当利用有限元分析法获取钢框架2的侧向位移时，钢框架2采用梁单元模拟，建模中考虑钢框架2上设备的重量，可将该设备以集中力的形式作用在梁节点上，以提高模拟精度。
另外，钢框架2在单位载荷作用下的侧向位移的倒数为钢框架2的刚度。
步骤d3、根据塔器1的侧向位移与钢框架2的侧向位移，并利用以下计算公式获得最大阻尼力：
F＝H/((Δ1+Δ2)×500)
式中：
F—粘滞阻尼器3的最大阻尼力，KN；
H—钢框架2的高度，m；
Δ1—塔器1中被支撑部位在单位载荷作用下的侧向位移，m；
Δ2—钢框架2中支撑部位在单位载荷作用下的侧向位移，m。
在应用时，为了确保所获取的粘滞阻尼器3的最大阻尼力的准确性，可设参考值，若粘滞阻尼器3的最大阻尼力大于这个参考值，则表明塔器1与钢框架2的建模过程不准确。其中，该参考值的获取过程为：根据钢框架2的高度、塔器1的最大允许位移，并利用有限元分析法，获取塔器1所需要的最小支点反力。
通过上述方法获取粘滞阻尼器3的最大阻尼力，简化了获取过程，便于操作。
在步骤e中，获取粘滞阻尼器3的阻尼指数、塔器1与钢框架2的相对运动速度，并根据粘滞阻尼器3的阻尼指数、最大阻尼力、塔器1与钢框架2的相对运动速度，确定粘滞阻尼器3的阻尼系数。
其中，滞阻尼器的阻尼指数通过以下方法获取：若塔器1的高度小于30m，阻尼指数为1；若塔器1的高度为30m～80m，阻尼指数为0.5；若塔器1的高度大于80m，阻尼指数为0.3。
另外，塔器1与钢框架2的相对运动速度通过以下计算公式得到：
V＝2πΔL/T
式中：
V—相对运动速度，mm/s；
ΔL—塔器1的最大允许位移，mm；
T—框架塔的自振周期，s。
其中，框架塔的自振周期可通过有限元分析法获取，框架塔的钢框架2采用梁单元模拟，塔器1采用壳单元模拟。
待获取粘滞阻尼器3的最大阻尼力、阻尼指数、塔器1与钢框架2的相对运动速度后，粘滞阻尼器3的阻尼系数通过以下计算公式计算得到：
F＝C×Vα
式中：
F—粘滞阻尼器3的最大阻尼力，KN；
C—粘滞阻尼器3的阻尼系数；
α—所述粘滞阻尼器3的阻尼指数。
在应用时，可根据粘滞阻尼器3的阻尼系数、阻尼指数、最大行程，来确定粘滞阻尼器3的尺寸，举例长度、宽度。
此外，关于粘滞阻尼器3的安装位置及数量可根据塔器1的结构尺寸,以及整个侧框架塔建造的经济合理性进行确定，例如本发明实施例中钢框架2顶部的每一侧边对应连接一个粘滞阻尼器3。
在步骤f中，对塔器1、钢框架2与粘滞阻尼器3的强度、刚度、稳定性进行验算，若达不到要求，重复执行步骤a～e，直至达到要求为止。
其中，可根据钢结构设计规范GB50017与钢制塔式容器规范JB/T4710，并利用有限元分析方法对框架塔进行静力学分析、模态分析、地震响应分析，对塔器1、钢框架2与粘滞阻尼器3的强度、刚度、稳定性进行验算。若不符合要求，对钢框架2的高度、截面尺寸，以及粘滞阻尼器3的相关参数进行重新确定，特别是钢框架2的截面尺寸，以使框架塔的结构合理、用材节省以及安全可靠。
待塔器1、钢框架2与粘滞阻尼器3的强度、刚度、稳定性达到要求后，对粘滞阻尼器3与塔器1、钢框架2之间的连接强度进行设计并验证。举例来说，若粘滞阻尼器3的一端通过方形法兰与钢框架2的竖直方钢201连接，另一端通过圆形法兰与塔器1外壁连接，可从抗拉压、抗弯、抗剪和抗疲劳受力方面，并按照钢结构设计规范对方形法兰、圆形法兰的尺寸进行设计，然后利用钢结构设计规范公式或有限元分析方法对方形法兰、圆形法兰的强度进行验算，若达不到要求，对方形法兰、圆形法兰的尺寸重新设计，直到符合要求为止。
之后，确定对粘滞阻尼器3的使用年限、检验内容、方法和评定标准，具体为：粘滞阻尼器3的使用年限设计为50年；按照JC/T209-202标准对粘滞阻尼器3的外观、材料以及性能进行检验。其中，材料包括：粘滞阻尼器3材料、钢材以及密封材料；性能包括:力学性能、耐久性、加载频率相关性能、温度相关性能、耐火性，耐火性能应满足烃类火灾下1.5小时的耐火极限要求。
下面以某大型煤化工厂的解析塔为例，就其对应的钢框架、粘滞阻尼器的参数设计进行说明：
其中，该解析塔的总高为101.4m，塔体壳直线段高为89.35m，内径为6.4m，壁厚为0.024m～0.05m，上封头高度为1.6m，裙座高为10m，高径比为15.8。
首先，对钢框架2的参数进行设计。其中，钢框架2的高度取64.3m(小于101.4×2/3＝67.6m)；钢框架2的截面长度与宽度均假设为12m。
其次，对粘滞阻尼器3的参数进行设计。
(1)利用有限元分析方法计算塔器1在单位载荷作用下的侧向位移为220mm，刚度为1/220；钢框架2在单位载荷作用下的侧向位移为123mm，刚度为1/123，则塔器1与钢框架2的刚度比为123/220＝0.56,大于0.45，那么粘滞阻尼器3的最大行程取100mm(64300/643)。
(2)最大阻尼力F＝H/((Δ1+Δ2)×500)＝128.6/(123+220)X1000＝375KN，取最大阻尼力F＝400KN。
(3)由于塔器1的高度大于80m，则粘滞阻尼器3的阻尼指数为0.3；框架塔的自振周期经有限元分析方法计算得到2.271s,则塔器1与钢框架2的相对运动速度V＝2πΔ/T＝2π×128.6mm/2.217s＝364mm/s。
进一步地，粘滞阻尼器3的阻尼系数C＝542KN/(m/s)0.3。
根据钢结构设计规范与钢制塔器设计规范，并利用有限元分析方法对框架塔进行静力学分析、模态分析、地震响应分析，钢框架2与粘滞阻尼器3的强度、刚度、稳定性进行验算，均符合要求。
其中，极限风作用下的不同结构类型的框架塔的塔器侧移有限元分析结果见图4，现有技术提供的框架塔的塔器的最大侧移达到800mm且不断增大(参见曲线1),其中侧框架的最大允许侧移为256mm，则说明塔器对钢框架的振动耦合撞击作用影响非常大；钢框架与塔器通过刚性连杆连接的侧框塔的塔器的最大侧移也达到400mm且不断增大(参见曲线2),远远超出侧框架的最大允许侧移是256mm，对侧框架塔的振动耦合作用影响很大，有可能造成框架结构的损伤破坏；钢框架与塔器通过弹簧连接的侧框塔的塔器的最大侧移也达到400mm且不断增大(参见曲线4)；而本发明实施中的侧框塔的塔器的最大侧移仅为200mm(参见曲线3),小于侧框架的最大允许侧移是256mm，且随着时间持续塔的侧移不断减小趋于稳定，取得了较好的减振效果。
另外，按照《结构抗震设计规范》GB50011的要求选定了三种地震波(El Centro波，Taft波，人工波)，并根据环境条件对地震波进行调幅，采用时程分析的方法计算大型侧框架塔在三种不同地震波下的位移和应力时程响应，并比较了不同连接下塔顶挠度的变化；且给定的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g，设计地震分组为第二组，设计特征周期为0.40s，场地土类别为第Ⅱ类。按调幅后的地震波数据计算，塔器和钢框架在地震波作用下应力和位移响应均满足要求，为了充分了解该组合结构的抗震效果，计算了塔器和钢框架组合结构在完整的El Centro地震波作用下的动力学响应，结果如图5所示。由图5可以看出，现有技术提供的框架塔在El Centro地震波作用下，塔顶的最大挠度可以达到0.806m(参见曲线5)；当在塔器与钢框架之间连接阻尼系数为2000的粘滞阻尼器后(即本发明实施例提供的框架塔)，塔顶位移明显减小，最大位移为0.367m(参见曲线6)，仅为现有技术提供的塔顶的最大挠度的45.5％；当塔器与钢框架之间采用刚性连杆，塔顶位移也有明显的改善，最大位移为0.479m(参见曲线7)，为现有技术提供的塔顶的最大挠度的59.4％。三者比较说明粘滞阻尼器连接能够使框架塔的动力性能得到很好的改善，明显减小了框架塔的晃动，有效的降低了框架塔的塔顶的最大的侧向位移。
本发明实施例提供的框架塔，通过在塔器1与钢框架2之间设置粘滞阻尼器3，可吸收和消耗地震、极限风等对塔器1的冲击能量，具有良好的减震效果，可克服钢框架2与塔器1之间产生振荡接触，而在塔体局部区域产生应力集中和应力幅值极速变化的缺陷；且不改变整个框架塔的侧向刚度，避免由于粘滞阻尼器3参数选取不精确而造成塔器1与钢框架2之间的耦合撞击。
上述所有可选技术方案，可以采用任意结合形成本公开的可选实施例，在此不再一一赘述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种框架塔的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：
a、获取塔器(1)的高度、直径、物理参数以及钢框架(2)的物理参数，并根据所述塔器(1)的高度，获得所述钢框架(2)的高度，以及根据所述塔器(1)的物理参数中的材质参数，确定所述塔器(1)中被支撑部位在支撑状态下的最大允许位移；
b、根据所述最大允许位移，确定所述钢框架(2)中支撑部位在支撑状态下的最大侧移量以及粘滞阻尼器(3)的最大行程；
c、根据所述塔器(1)的直径，假设所述钢框架(2)的截面尺寸；
d、根据所述塔器(1)的高度、直径、物理参数以及所述钢框架(2)的高度、截面尺寸、物理参数，确定所述粘滞阻尼器(3)的最大阻尼力；
e、获取所述粘滞阻尼器(3)的阻尼指数、所述塔器(1)与所述钢框架(2)的相对运动速度，并根据所述最大阻尼力，确定所述粘滞阻尼器(3)的阻尼系数；
f、对所述塔器(1)、所述钢框架(2)与所述粘滞阻尼器(3)的强度、刚度、稳定性进行验算，若达不到要求，重复执行步骤a～e，直至达到所述要求为止。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述根据所述塔器(1)的物理参数中的材质参数，确定所述塔器(1)中被支撑部位在支撑状态下的最大允许位移，包括：
若所述塔器(1)的材质为高合金钢或镍基材料，所述最大允许位移为20mm～40mm；
若所述塔器(1)的材质为低合金钢，且在罕遇地震工况下，所述最大允许位移与所述钢框架(2)的高度比为1：100；
若所述塔器(1)的材质为低合金钢，且在极限风工况下，所述最大允许位移与所述钢框架(2)的高度比为1：250；
若所述塔器(1)的材质为低合金钢，且在正常工况下，所述最大允许位移与所述钢框架(2)的高度比为1：500～1000。
3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述钢框架(2)的最大侧移量小于或等于所述塔器(1)的最大允许位移。
4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，若所述塔器(1)与所述钢框架(2)的刚度比小于或等于0.45，所述粘滞阻尼器(3)的最大行程为所述最大允许位移的1.2倍；
若所述塔器(1)与所述钢框架(2)的刚度比为1.0，所述粘滞阻尼器(3)的最大行程与所述最大允许位移相同；
若所述塔器(1)与所述钢框架(2)的刚度比大于0.45且小于1，所述粘滞阻尼器(3)的最大行程与所述钢框架(2)的高度比为1：500～1000。
5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述根据所述塔器(1)的高度、直径、物理参数以及所述钢框架(2)的高度、截面尺寸、物理参数，确定所述粘滞阻尼器(3)的最大阻尼力，包括：
根据所述塔器(1)的高度、直径、物理参数，利用有限元分析法，获得所述塔器(1)中被支撑部位在单位载荷作用下的侧向位移；
根据所述钢框架(2)的高度、直径、物理参数，利用有限元分析法，获得所述钢框架(2)中支撑部位在单位载荷作用下的侧向位移；
根据所述塔器(1)的侧向位移与所述钢框架(2)的侧向位移，并利用以下计算公式获得所述最大阻尼力：
F＝H/((Δ1+Δ2)×500)
式中：
F—所述粘滞阻尼器(3)的最大阻尼力，KN；
H—所述钢框架(2)的高度，m；
Δ1—所述塔器(1)中被支撑部位在单位载荷作用下的侧向位移，m；
Δ2—所述钢框架(2)中支撑部位在单位载荷作用下的侧向位移，m。
6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述粘滞阻尼器(3)的阻尼指数通过以下方法获取：
若所述塔器(1)的高度小于30m，所述阻尼指数为1；
若所述塔器(1)的高度为30m～80m，所述阻尼指数为0.5；
若所述塔器(1)的高度大于80m，所述阻尼指数为0.3。
7.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述塔器(1)与所述钢框架(2)的相对运动速度通过以下计算公式得到：
V＝2πΔL/T
式中：
V—所述相对运动速度，mm/s；
ΔL—所述塔器(1)的最大允许位移，mm；
T—所述框架塔的自振周期，s。
8.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于，所述粘滞阻尼器(3)的阻尼系数通过以下计算公式计算得到：
F＝C×Vα
式中：
F—所述粘滞阻尼器(3)的最大阻尼力，KN；
C—所述粘滞阻尼器(3)的阻尼系数；
α—所述粘滞阻尼器(3)的阻尼指数。
9.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述框架塔，包括：同轴设置的塔器(1)、钢框架(2)；
所述钢框架(2)套装在所述塔器(1)的外部，顶部用于支撑所述塔器(1)；
所述框架塔还包括：多个粘滞阻尼器(3)；
所述粘滞阻尼器(3)的两端分别与所述塔器(1)的外壁、所述钢框架(2)的顶部连接；
且，多个所述粘滞阻尼器(3)沿所述塔器(1)的周向均匀分布。
10.根据权利要求9所述的设计方法，其特征在于，所述钢框架(2)与所述塔器(1)的高度比为2:3。
11.根据权利要求9所述的设计方法，其特征在于，所述钢框架(2)的水平截面为方形结构。
12.根据权利要求11所述的设计方法，其特征在于，所述钢框架(2)顶部的每一侧边对应连接一个所述粘滞阻尼器(3)。
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