摘要:地震作用是建筑抗震設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)之一,是確定所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是否滿足最低抗震設(shè)防安全要求的關(guān)鍵步驟。本文主要研究電廠主廠房框架結(jié)構(gòu)的縱向抗震。
關(guān)鍵詞:電廠主廠房框架結(jié)構(gòu)縱向抗震
1. 縱向抗震分析的特點(diǎn)
從我國(guó)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的演變,可以看出GB50011-2001規(guī)范突出了廠房整體抗震能力的提高,考慮了屋蓋變形對(duì)廠房地震作用的影響,采用了空間力學(xué)計(jì)算模型,提出了廠房縱向柱列地震作用的計(jì)算原則與方法。在火力電廠主廠房中框排架結(jié)構(gòu)體系是主要的結(jié)構(gòu)形式。這種框排架結(jié)構(gòu)體系常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式如圖1。這種結(jié)構(gòu)橫向受力性能很好,但在縱向受力特別是縱向水平地震作用時(shí),存在如下問(wèn)題:
(1)由于縱向側(cè)移剛度分布不均勻,以及存在高低跨柱,在縱向地面平動(dòng)分量作用下,不僅存在縱向平動(dòng),也將出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。
1)通過(guò)分析比較得出,在排架廠房縱向整體分析中,屋蓋變形的因素比扭轉(zhuǎn)的因素更重要,考慮到排架上柱為抗震之薄弱環(huán)節(jié),故在計(jì)算排架柱之抗震作用時(shí),在上柱應(yīng)考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。
2)現(xiàn)行抗震規(guī)范中,對(duì)框架結(jié)構(gòu)平動(dòng)扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)不對(duì)稱結(jié)構(gòu)地震作用力的計(jì)算,給出了考慮扭轉(zhuǎn)的地震作用效應(yīng)公式。框排架結(jié)構(gòu)體系中,可按整體計(jì)算剛心和質(zhì)心,以求得框架柱的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)增大系數(shù)ηb。
(2)框排架結(jié)構(gòu)中,由于框架、排架共存,廠房縱向自振特性及水平地震作用在各柱列之間的分布變得復(fù)雜起來(lái)。通過(guò)具體分析其縱向抗側(cè)力構(gòu)件,可以找出其共同點(diǎn):
1)排架結(jié)構(gòu)縱向分析中,柱列雖由柱、柱間支撐和圍護(hù)墻組成,但支撐和墻的剛度占柱列剛度的90%以上,它們均是剪切型構(gòu)件,柱列可按剪切桿對(duì)待。故其縱向變形以剪切變形為主。
2)對(duì)于框架結(jié)構(gòu)廠房,由于樓面荷載大、層數(shù)較少、梁的截面尺寸相對(duì)較大。因而多屬“強(qiáng)粱弱柱型”框架,其變形大多呈剪切變形�？梢园凑占羟袠�(gòu)件的方式來(lái)確定框架的樓層側(cè)移剛度系數(shù)。
(3)根據(jù)現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB50011-2001中“抗震概念設(shè)計(jì)”的原理,對(duì)于不同結(jié)構(gòu)類型相連之結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜,各部位的動(dòng)力特征不一致,應(yīng)考慮其相互影響,故框排架結(jié)構(gòu)中的各構(gòu)件特別是中柱,應(yīng)考慮框排架結(jié)構(gòu)的相互影響,以η表示。
綜合以上分析以及現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范,框排架結(jié)構(gòu)縱向地震作用之計(jì)算簡(jiǎn)圖應(yīng)為“串并聯(lián)多質(zhì)點(diǎn)體系”。由于縱向水平地震作用在各柱列之間的分布復(fù)雜,采用較簡(jiǎn)單的“修正柱列法”或“修正剛度法”都不能逼近空間分析結(jié)果。然而“能量原理”的適用面很廣,即恰當(dāng)?shù)卮_定作用于各柱列的有效質(zhì)量,運(yùn)用能量法的原理,可近似地求得廠房的基本周期和地震作用。然后,用能量法公式確定整個(gè)廠房的振動(dòng)周期,并單按獨(dú)柱列分別計(jì)算出各個(gè)柱列的水平地震作用。同時(shí)考慮排架、框架本身的扭轉(zhuǎn)及兩種結(jié)構(gòu)之相互影響。
2. 縱向剪扭振動(dòng)分析的擬能量法
(1)質(zhì)量集中
1)排架邊柱列:把質(zhì)量全部集小到柱頂。
Gl=0.5G0十0.5Gwt十0.7Gwl十1.0(Gf十0.5Gsn。十0.5Gd)
式中G0、Gwt、Gwl、Gb、Gf、Gsn、Gd分別為柱、山墻、縱墻(底層窗間墻半高以上)、吊車梁、屋蓋、雪、屋面積灰的重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值。
2)框架柱:整個(gè)廠房分層集中到各層樓蓋高度處的重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值,并進(jìn)行高度修正。
在排架屋面高度處,中柱列應(yīng)加排架屋面重力荷載。
(2)計(jì)算柱列側(cè)移剛度
1)排架邊柱列:為縱向磚墻、鋼柱間支撐、鋼筋混凝土柱之側(cè)移剛度之和
K=Kb十Kw十Kc=1.1Kb十ηwKw
式中:Kb、Kw分別為柱間支撐和磚墻之側(cè)移剛度;
ηw:有效剛度系數(shù),7度、8度、9度分別為0.6、0.4、0.2。
根據(jù)機(jī)械工業(yè)部設(shè)計(jì)研究總院及機(jī)械工業(yè)部第一設(shè)計(jì)研究院有關(guān)單層廠房的整體抗震性能的試驗(yàn)研究,得出縱向柱列剛度為1.1Kb。
2)框架柱列:框架梁、柱之縱向側(cè)移剛度之和。
由于框架廠房(低層)多為“強(qiáng)梁弱柱體系”,梁的彎曲變形很小。節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)層間側(cè)移的影響很小,故框架側(cè)移剛度可僅為框架柱之縱向側(cè)移剛度之和。
(3)根據(jù)能量平衡原理,求得廠房縱向基本周期公式
式中:i為總質(zhì)點(diǎn)序號(hào);
ΨT是擬能量法周期修正系數(shù),7度、8度時(shí)取0.85;9度時(shí)取0.9:Gi為第i質(zhì)點(diǎn)的重量(修正后)。
(4)求得柱列之水平地震作用
1)排架邊柱列之水平地震作用
式中α1是相應(yīng)于結(jié)構(gòu)基本周期下的水平地震影響系數(shù)α值(見(jiàn)規(guī)范);
ηy:結(jié)構(gòu)影響系數(shù),取1.1。
上柱水平地震作用乘以1.1,以考慮排架屋蓋之扭轉(zhuǎn)影響。
2)框架柱列之水平地震作用
式中:
δn是根據(jù)規(guī)范取值(多質(zhì)點(diǎn)的頂點(diǎn)附加地震作用系數(shù));
ηt為扭轉(zhuǎn)效應(yīng)增大系數(shù);
ηy為結(jié)構(gòu)影響系數(shù),中柱取1.3,邊柱取1.2。
從唐山地震中單層廠房的主要震害經(jīng)驗(yàn)可知,屋蓋的整體剛度是提高廠房整體抗震能力的關(guān)鍵。在框排架結(jié)構(gòu)中更為明顯。因此,在框排架結(jié)構(gòu)體系中,排架部分采用空間性能較好的屋蓋體系如網(wǎng)架屋蓋,對(duì)提高結(jié)構(gòu)整體抗震能力很有意義。
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