雙向地震作用下夾層剛架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

雙向地震作用下夾層剛架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

近年來，經(jīng)過多年的發(fā)展，帶有框架的多層門的結(jié)構(gòu)具有很高的內(nèi)部空間利用率，便于為工業(yè)配套生產(chǎn)帶來好處。但對(duì)于這種結(jié)構(gòu),相應(yīng)規(guī)范并沒有給出對(duì)應(yīng)的條文,設(shè)計(jì)中仍存在很多困難。筆者通過具體工程實(shí)例,分別對(duì)該種結(jié)構(gòu)在雙向地震作用下扭轉(zhuǎn)振動(dòng)效應(yīng)的考慮、夾層柱柱間支撐的設(shè)置以及抗風(fēng)柱的設(shè)計(jì)這幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行分析,以供同類工程參考。1鋼結(jié)構(gòu)及夾層該工業(yè)生產(chǎn)車間建筑總面積約1500m2,整個(gè)主結(jié)構(gòu)由8榀剛架組成,每榀剛架縱向間距為5m,縱向總長(zhǎng)35m,剛架共兩跨,跨度分別為23.8,5.8m,橫向總長(zhǎng)29.6m,屋檐高13m,坡度角為6°。該結(jié)構(gòu)所在場(chǎng)地類別為Ⅲ類,抗震設(shè)防烈度7度(0.1g),地面粗糙度B類,基本風(fēng)壓0.55kN/m2。結(jié)構(gòu)整體模型如圖1所示,各榀剛架梁截面均為H650×200×10×16,各榀剛架的主鋼柱除中柱截面為H500×300×10×16,其余各柱截面均為H500×200×10×16,柱間支撐采用└140×14,屋面支撐采用張緊的ue78820圓鋼,屋面檁條及墻梁的截面均采用C250×75×20×2.5型鋼。為滿足生產(chǎn)需求,廠房?jī)?nèi)部設(shè)置的夾層較多,僅對(duì)幾個(gè)荷載較大的主要夾層進(jìn)行介紹。如圖2所示,該層為設(shè)備層,樓面恒載為7.5kN/m2,活載為5.0kN/m2。由于該夾層荷載較大,采用是混凝土板,其余各夾層樓面均采用普通鋼板。如圖3所示,標(biāo)高7.800m有一個(gè)工作平臺(tái),該層樓面恒載為1.0kN/m2,活載5.0kN/m2;該廠房還有其他幾處夾層以及鋼梯,由于其荷載較小,對(duì)主結(jié)構(gòu)影響不大,此處略去,但在計(jì)算模型中均已經(jīng)考慮。2結(jié)構(gòu)平面內(nèi)剛度大且局部不連續(xù)的考慮對(duì)這類有夾層的門式剛架,STS和3D3S軟件均有相應(yīng)計(jì)算模塊。軟件默認(rèn)情況下,認(rèn)為局部夾層相對(duì)于門式剛架主結(jié)構(gòu)只是附屬體,不起控制作用,所以只對(duì)單榀門式剛架及相應(yīng)夾層進(jìn)行平面內(nèi)計(jì)算,不考慮雙向地震的扭轉(zhuǎn)效應(yīng);但若將該廠房視為2層框架結(jié)構(gòu),5.200m標(biāo)高處平臺(tái)為第2層樓面,由于該層荷載較大,且混凝土板厚250mm,則結(jié)構(gòu)平面內(nèi)剛度較大且局部不連續(xù)。根據(jù)GB50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》,應(yīng)計(jì)入雙向地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。為確切地反映該類結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)是否明顯,本文利用SAP2000有限元軟件建立整個(gè)結(jié)構(gòu)模型,采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行地震效應(yīng)的計(jì)算。計(jì)算發(fā)現(xiàn),部分主鋼柱扭轉(zhuǎn)振動(dòng)效應(yīng)較大,尤其是第1、4、8榀剛架柱最為明顯(軸線(1)、(4)、(8)對(duì)應(yīng)的剛架),局部柱分別在兩種地震作用下的彎矩比較見表1。Y向和X向分別為單榀門式剛架的平面內(nèi)和平面外,由于門式剛架柱的剪力一般不起控制作用,所以只列出了彎矩的變化。由表1可知,主鋼柱中受雙向地震影響最大為端榀剛架柱(第1榀和第8榀),尤其是柱1F,其彎矩是只考慮單向地震的1.27倍,雙向地震扭轉(zhuǎn)振動(dòng)效應(yīng)較大,必須進(jìn)行雙向地震作用計(jì)算;對(duì)于中間區(qū)段的剛架柱,只有第4榀雙向地震下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較為明顯,柱4?的彎矩約為僅單向地震作用的1.21倍。其原因是由于該處夾層平臺(tái)荷載較大、開洞較多導(dǎo)致平面內(nèi)剛度發(fā)生突變?cè)斐傻?。所以?duì)這類夾層平臺(tái)的支承主鋼柱進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),只進(jìn)行平面內(nèi)計(jì)算偏不安全,還應(yīng)進(jìn)行空間建模計(jì)算,并計(jì)入雙向地震的作用。3柱間支撐的生成在標(biāo)高5.200m處的夾層樓面,放置了大量的重型設(shè)備,整個(gè)樓面的恒載和活載非常大,重力荷載代表值相應(yīng)較大,當(dāng)整個(gè)結(jié)構(gòu)受到地震作用時(shí),該處夾層對(duì)主結(jié)構(gòu)橫向作用非常明顯。為了限制內(nèi)部夾層的側(cè)向作用,本工程對(duì)5.200m處平臺(tái)的左側(cè)和右側(cè)以及縱向柱間設(shè)置了十字交叉支撐,支撐截面為等邊角鋼└100×8。圖4中為標(biāo)高5.200m處平臺(tái)(圖2)右側(cè)靠近軸線(4)的柱間支撐示意。為了解夾層柱柱間支撐的作用,利用通用有限元軟件分別對(duì)設(shè)置支撐前、后的整體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行抗震計(jì)算,發(fā)現(xiàn)各主鋼柱的軸力與剪力區(qū)別不大,但彎矩卻有顯著的差別。圖5為第2榀剛架(軸線(2)所對(duì)應(yīng)的剛架)各主鋼柱在設(shè)置支撐前與設(shè)置支撐后的彎矩圖。各柱號(hào)與相應(yīng)軸線號(hào)對(duì)應(yīng),例如柱E與軸線?對(duì)應(yīng)。由圖5可以看出,有支撐作用的各主鋼柱在夾層頂面標(biāo)高5.200m以上區(qū)域的彎矩略小于無支撐時(shí)的情況,支撐有一定效果但不明顯;但從標(biāo)高5.200m向下開始,有支撐的各主鋼柱彎矩明顯逐漸減小,而無支撐下的各主鋼柱彎矩仍保持一定增大趨勢(shì),至柱腳時(shí),柱A和柱E在有支撐下的彎矩為無支撐時(shí)的1/8左右,支撐效果顯著。另外,由圖5a和圖5b可見,有支撐作用時(shí),柱A和柱E的彎矩圖在標(biāo)高5.200m處出現(xiàn)尖點(diǎn),隨后彎矩沿標(biāo)高向下逐漸減小。當(dāng)有地震作用時(shí),夾層柱柱間支撐的設(shè)置不僅限制了內(nèi)部夾層平臺(tái)對(duì)主剛架的側(cè)向作用,還使得內(nèi)部夾層成為了整個(gè)主剛架的側(cè)向支撐。由此可見,當(dāng)門式剛架內(nèi)部設(shè)有荷載較大的夾層平臺(tái)時(shí),在其夾層柱柱間設(shè)置支撐效果良好,建議采用。4抗風(fēng)柱設(shè)計(jì)4.1層平臺(tái)支撐該結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)柱比較特別,如圖2所示,(1)軸上門式剛架抗風(fēng)柱不僅承擔(dān)風(fēng)荷載,而且還作為夾層平臺(tái)的柱子來提供支撐。值得注意的是,標(biāo)高5.200m處的平臺(tái)荷載較大,抗風(fēng)柱所承受的軸力達(dá)到了616kN,由于抗風(fēng)柱在平面外受到了內(nèi)部夾層梁的支撐,風(fēng)荷載作用下的最大彎矩設(shè)計(jì)值只有35kN·m左右,可見抗風(fēng)柱1?、1?、1?主要充當(dāng)了內(nèi)部夾層平臺(tái)的框架柱。4.2抗風(fēng)柱的截面尺寸通過分析可知,抗風(fēng)柱主要功能不是承受風(fēng)荷載,而是作為內(nèi)部夾層平臺(tái)主要受力構(gòu)件,建議將其柱腳節(jié)點(diǎn)做成剛接,因?yàn)橹_剛接不僅能夠提高抗風(fēng)柱自身的側(cè)向剛度,還能有效提高整個(gè)內(nèi)部夾層平臺(tái)的側(cè)向剛度,保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。但文獻(xiàn)中提到柱腳剛接會(huì)使基礎(chǔ)受到較大的偏心彎矩,基礎(chǔ)底面尺寸要做得很大才能防止其外邊緣和地基脫開。為避免這種情況,將內(nèi)部夾層梁與抗風(fēng)柱的連接節(jié)點(diǎn)鉸接,避免夾層梁對(duì)抗風(fēng)柱產(chǎn)生較大彎矩,保證抗風(fēng)柱主要受軸力作用。經(jīng)驗(yàn)算,柱B在最不利荷載組合下偏心距最大,其軸力N、彎矩M和剪力V的值依次為328kN、58kN·m和17kN,偏心距e=(M+Vh)/N=0.218m,h為基礎(chǔ)高度。根據(jù)GB50007—2002《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》,只要基礎(chǔ)長(zhǎng)邊尺寸不小于6e(約1.31m),就能使其底面不與地基脫開。本工程地基承載力特征值fa為150kPa,當(dāng)基礎(chǔ)僅受軸力作用時(shí),其底面尺寸已達(dá)到1.5m×1.5m,此時(shí)基礎(chǔ)底面邊緣不會(huì)與地基脫開,而考慮了偏心彎矩,最終滿足承載力要求的基礎(chǔ)底面尺寸為1.5m×2.0m,并沒有造成大的浪費(fèi)。以上是偏心距最大的抗風(fēng)柱,另外兩個(gè)柱的彎矩影響會(huì)更小,對(duì)于這種有重型夾層平臺(tái)作用的抗風(fēng)柱,采用柱腳剛接來增加內(nèi)部夾層的側(cè)向剛度是可行的。但需注意,內(nèi)部夾層梁與抗風(fēng)柱的連接節(jié)點(diǎn)盡量采用鉸接形式,可讓抗風(fēng)柱主要承受內(nèi)部夾層的軸向作用,達(dá)到減小柱腳偏心距的目的。4.3抗風(fēng)柱頂豎向約束考慮到門式剛架屋面變形的協(xié)調(diào)性,且抗風(fēng)柱頂?shù)呢Q向約束對(duì)抗風(fēng)柱本身的受力性能影響很小,所以抗風(fēng)柱頂與門式剛架梁仍采用傳統(tǒng)的彈簧板連接形式。5夾層對(duì)振動(dòng)的控制1)對(duì)于內(nèi)部夾層荷載較大且夾層板平面內(nèi)剛度差異明顯的門式剛架,其端部主剛架受雙向地震扭轉(zhuǎn)振動(dòng)效應(yīng)影響較大,必須考慮雙向地震作用進(jìn)行單榀剛架的計(jì)算;中間區(qū)段支承夾層平臺(tái)的局部主鋼柱雙向地震作用下的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)效應(yīng)也很明顯,也應(yīng)進(jìn)行空間建模計(jì)算,計(jì)入雙向地震的作用。2)當(dāng)門式剛架內(nèi)部設(shè)有荷載較