某错层钢筋混凝土框排架结构地震反应分析及简化计算方法研究.pdf

某错层钢筋混凝土框排架结构 地震反应分析及简化计算方法研究 许 良梅 ( 巢 湖 建 设工程 质 量监 督站 居巢 分站， 安徽 巢湖 2 3 8 0 0 0 ) 0 前言 框排架结构体系由于质量、 刚度分布较不均匀 ， 其在地震作用下易发生 破坏， 国内对此问题进行了研究 ， 发现该类结构主要的薄弱环节在横向框排 架结构体系。 由于该类结构的复杂性，目前该类结构设计计算主要采用平面计算模 型。本文重点研究框排架结构平面计算模型与空间计算的差别， 采用对边跨 框排架乘以剪力增大系数的方法考虑空间扭转作用， 以保证该结构的安全。 1 计算模型的建立 1 1平面模型 实际厂房结构的平面及立面布置见图 1 ， 详细尺寸及配筋见文献 3 。 其 中 1 2轴框排架在 B C轴有错层， 而3 8 轴则没有。 分别取 1 轴和 8 轴建立 平面框排架模型。1 轴框排架简称为类型结构 ， 8轴简称为类型 2结构。 8 0 Ox 1 4 0 0 卜 通 _ _ 固 仅 1 2 里 7 0 0 x1 8 0 0 坞 三II 二 幽 哺 图 1 主厂房 结构平立面图 1 2空间模型 考虑到结构形式的复杂性， 将原型结构进行适当的简化。考虑屋架对 整体结构的动力反应影响较小 ， 将屋架部分简化为一轴力杆件， 并认为屋架 与排架理想铰结； 将实际结构中的结构构件简化为空间杆或壳单元， 即梁 柱简化为三维空间杆单元； 楼板和剪力墙简化为各向同性的三维矩形板 、 壳 单元。将离散化的杆壳单元通过梁、 柱、 楼板、 剪力墙程序 自动形成的节点进 行连接 ，从而生成考虑楼板平面内和平面外变形的结构整体三维有限元空 间计算模型。 1 3输入地震波的选取 按照 建筑结构抗震设计规范 ( G B 5 0 0 1 1 - 2 0 0 1 ) 对地震波输入的规定。 考虑到该类型结构广泛应用于全国各地 ， 地震波 选取考虑各类场地条件，选择有代表性的三个地 震波E L - C e n t r o 、 T a f t 、 o j m a ，输入的地震波持续时 间为 l O s ，峰值加速度按保持波形不变等比缩至 5 O g a l ， 地震波输入方向为横向输入。 2 平面结构 的动力反应 2 1 位移反应 类型 1 、 2框排架结构的层位移包络图及层 位移角见图2 。 根据图2可以看出： 在峰值加速 度 5 0 列 的 E L - C e n t r o 、 m 、 O j m地震波 的作用 下，类型 1 框排架的顶点位移分别为 3 3 | 2 m m、 3 6 2 3 m m和 4 4 8 8 m m，最大位移角为 1 9 7 6在结 构的第三层， 各层位移角也都满足 建筑抗震设 计规 范对框架类结构弹性层间位移角【 0 e =1 5 5 0 的要求； 类型 2 框排架由于高度小于类 型 1 结构， 并且刚度大于类型 1 ， 相应的顶点位移 分别为 2 2 1 2 m m、 2 3 0 4 m m和 3 2 O O m m， 最大位移 角为 1 9 6 0在第二层，各层位移角也都满足规范 的要求。 2 - 2地震作用 在最大输入加速度 5 0 列 地震波作用下， 结 构的剪力沿高度分布见图3 。 虽然， 类型 1 结构自 振周期长于类型 2结构， 类型 1 框排架的总剪力 大于类型 2 结构。在地震波作用下， 类型 1 、 2结 构的总剪力分别为 1 2 0 2 k N和 1 0 6 3 k N 。两类结构 的最大层剪力都在煤斗层， 主要是该层刚度比周 围楼层大的多， 易引起较大的地震作用。 图4为类型 1 、 2框排架结构在 5 0 g a 1 地震作 用下的加速度反应图。根据图5可以得出： 类 型 l 、 2框排架结构加速度随高度增加而加大， 类 型 1 框排架上部加速度的增加快于下部 ， 表明上 部结构的动力反应较显著， 类型 2结构加速度随 高度增加基本线性增长； 类型 1 结构的顶层最 大加速度与输入加速度的比值为 ： E L - C e n t r o 波 为 2 9 5 、 R波为 3 6 9 、 O j m a波为 4 0 5 。而类型 2 结构的顶层最大加速度与输入加速度的比值为： E L - C e n t r o波为 2 8 1 、 T a f t 波为 3 1 O 、 o j m a波 为 二 ! ! ! ! 一 _ 卜 _ EI 一 一T a f l oj ma ( a ) 类型 1 结构的空间调 整系数 ( b ) 类型 2结构的空间调整 系数 图 7 框排架结构 空间作用调整 系数 3 4简化分析方法的验证 考虑该类结构“ 强梁弱柱” 的特点， 根据结构的配筋 及尺寸情况， 按照规范两端柱铰计算模型， 可求得楼层屈 服系数沿高度分布情况，具体见图 8 。不同地震波作用 下， 结构的楼层屈服系数相差较大， 在 E L C e n o 地震波 作用下各层的楼层剪力屈服系数基本都大于 0 7 ， 表明在 该地震波作用下结构具有良好的抗震性能，而在其他地 震波作用下，顶层和 5层两处楼层缩进处的楼层屈服系 数明显小于其他楼层。 这一结论与文献 3 中空间非线性 分析的结果基本一致，表明结构的弹性地震反应与塑性 变形有稳定的对应关系，对于框排架结构可采用规范建 议的简化计算方法进行该类结构薄弱层验算。 4 结论与建议 该厂房横向框排架结构可满足 5 O 地震作用而 “ 小震不坏” 。 错层造成错层处名义剪应力过高，为保证结构构 件的变形能力， 在设计中应避免错层等抗震不利构件。 对于类型 1 框排架的边跨层剪力增大系数边跨层 。苎 5 鐾 作 要 坌 三 ： 以 系 数 瑟 凳 构 的 弹 性 地 震 反 应 与 塑 性 变 形 有 稳 定 妻 竺 呈 苎 曼 的 对 三 jj 集 用 范 的 蔷 化 计 苎 兰 兰 苎 苎 蹙 ， 异 层 算 。 。 型 点 兰 竺 环 节 ，该 处 应 在 设 计 中 予 以 重 视 。 一 ； 质 量 0 分 布 不 均 匀 ， 宜 采 用 空 3 -s 要 篓 奠 苎 芝 景 一 一 、 。 。 间 计 进 设 计 。 根 据 平 面 计 算 模 型 与 空 间 计 算 模 型 的 层 剪 力 不 同 ，可计算出考 一 一一 。 妻 系14 过2 一一 朋 安 全 可 将 该 类 结 构 的 边 跨 层 剪 力 增 大 系 数 定 为 。 类 型结 构 的 边 ， 、 一 一 比较基坑开挖完毕后桩体轴线 上各点 的水平位移可见 ， 桩 的变形模式相同， 最大弯曲点都发生在桩的中点附近， 但挠度 差别 很大 ，普通桩挠度达 到 4 0 9 e m，而组合 劲性桩 只有 1 9 7 c m， 挠度减小了5 1 8 ， 见图6 。 劲性混凝土桩与钢筋混凝土桩支护体系下桩后土体的水 平位移的比较， 可以看出， 土体内部最大水平位移的发生部位 随着离开桩的距离的增大而变浅， 桩后 2 m处最大水平位移出 现在 3 0 m深处， 采用劲性混凝土桩 一锚体系支护 ， 土体内水平 位移明显小于钢筋混凝土桩 一锚体系， 中上部土体内的水平位 移差别更明显， 深部土体位移的差别较小， 见图7 。 上述比较显示， 在完全相同条件下， 劲性混凝土桩 一锚体 系的桩体自身变形和桩后土体位移均小于钢筋混凝土桩 一锚 体系。可见， 劲性混凝土桩 一锚体系的工作性状优于传统钢筋 混凝土桩 一锚体系， 对基坑变形控制的效果也更为显著。 3 结语 通过数值模拟分析， 可见组合劲性混凝土桩的承载力和刚 度都优于钢筋混凝土桩， 其与锚杆组成的半刚性桩锚支护体系 在实际工程中的变形控制能力和工作性状也显著优于传统钢 筋混凝土桩锚支护体系。 另外， 通过大型室内 1： 1 杆件延性试 验，结果是劲性混凝土桩的延性系数 远远大于钢筋混凝土 桩 。 参考文献 1 高大钊深基坑工程【 M 】 一 E 京： 机械工业出版社， 1 9 9 9 2 龚晓南， 高有潮 深基坑工程设计施工手册【 M 】 北京： 中国建筑工 业出版社 。 1 9 9 8 3 4 刘建航， 候学渊 坑工程手册【 M 京： 中国建筑工业出版社， 1 9 9 7 黄运习 深基坑工程实用技术【 M】 北京 ： 兵器工业 出版社 ， 1 9 9 6