樓層間含有大質量結構的動力特性分析

金麗萍

(中冶華天工程技術有限公司,安徽馬鞍山 243005)

樓層間含有大質量結構的動力特性分析

金麗萍

(中冶華天工程技術有限公司,安徽馬鞍山 243005)

用有限元分析軟件SAP2000對樓層間存在大質量結構的動力特性進行了分析,通過不同簡化設計方法的對比,給出了此類結構行之有效的簡化設計方法,供工程設計參考。

樓層間大質量結構; 動力特性; 地震響應

在許多工業建筑中為了滿足工藝需要,常常需要在樓層間設置一些質量比較大的設備或原料倉(例如冶金工廠的噴煤廠房就需要在樓層間設置原煤倉和煤粉倉),由于這些設備或原料倉的存在致使這一類結構在樓層間存在大質量。目前對樓層間存在大質量結構的設計方法一般是將樓層間的質量轉化為活荷載或恒荷載施加于質量所在的樓層,然后按照樓層間不存在大質量的普通結構進行設計。這一解決方法,是否與結構實際情況接近,其精度能否滿足工程需要,目前尚未看到關于此方面的文獻。本文通過有限元分析對樓層間存在大質量結構的動力特性進行了研究,并對將質量轉化為荷載的設計方法的精度進行了分析,得出了一些有意義的結論,供設計參考。

1 計算模型建立

為了研究樓層間存在大質量結構,本文設計了三組試件即 SJ1～SJ3。試件為六層工業建筑,在第 2、6層分別設有原料倉,從SJ1～SJ3倉重分別為200 t、400 t、600 t。為了進行對比每組試件包括:(1)料倉滿倉(以下稱:滿倉);(2)料倉空倉(以下稱:空倉);(3)將料倉滿倉時質量轉化為活荷載作用于樓層(以下稱:活載);(4)將料倉滿倉時質量轉化為恒載作用于樓層(以下稱:恒載),四個試件。為了研究不同倉重對結構的影響,六組試件柱距均為 10m,層高均為 6m,梁、板、柱的截面尺寸均相同。試件材料為鋼筋混凝土。

圖1 三維模型圖

試件分析采用有限元分析軟件SAP 2000進行,分析時梁、柱用框架單元模擬,樓板用殼單元模擬,料倉空倉時倉壁用殼單元模擬,滿倉時將倉料與倉壁考慮為同一種材料用實體單元模擬,所有倉的外形尺寸均相同,通過改變材料密度達到不同倉重的目的。為了接近實際情況分析時除了倉重外在每層樓面施加了 5 kN/m2的活荷載。圖 1為試件三維模型圖。

圖2 SJ2第一振型

圖3 SJ2第二振型

圖4 SJ2第三振型

2 動力特性分析

《建筑抗震設計規范》規定“不進行扭轉偶聯計算的結構計算地震作用效應時可只取前 2～3個振型”,試件SJ2的前 3階振型見圖 2～圖 4。

從圖 2～圖 4可以看出,結構的前三階陣型分別為沿 X和 Y方向的平動和扭轉振動。無論是空倉時還是滿倉時或者是將倉體質量轉化為荷載作用于樓層,結構的陣型形狀比較接近,這是因為本文所選的結構體系比較簡單,無論何種情況結構的質量集中點變化不大,因此結構的陣型比較接近。

表 1～表3為各組試件前 10階陣型的自振周期。圖5～圖 7為各組試件前十階陣型周期變化趨勢。從表 1～表 3和圖 5～圖 7可以看出由于料倉空倉和滿倉時樓層間質量變化較大,空倉和滿倉兩種狀態的自振周期變化較大,并且隨著倉重的增加兩種狀態下的自振周期差距越來越大。自振周期的不同將直接導致結構地震響應的不同,設計此類結構時應分滿倉和空倉兩個狀態分別計算自振周期及地震響應,取不利情況進行設計。

圖5 SJ-1周期變化趨勢

圖6 SJ-2周期變化趨勢

圖7 SJ-3周期變化趨勢

將滿倉質量轉化為恒載和活載分別作用在樓層表面的簡化方法由于程序計算時對恒載和活載對質量貢獻的不同取值,導致兩種簡化方法的周期差異。兩種簡化方法各陣型周期始終位于滿倉和空倉兩種狀態周期之間,并且轉化為恒載簡化方法的各階周期與滿倉狀態的周期十分接近,分析此類結構時可以以此種方法計算的周期代替滿倉狀態下的周期。轉化為活載簡化方法的各階周期與空倉狀態周期比較接近,但仍有一定差距,對于空倉狀態下的自振周期其簡化計算可以采取與滿倉狀態相同的方法,將空倉時倉重的質量轉化為恒載作用于樓層。經過以上簡化計算方法,不但可以解決用程序計算時要建立倉的不便,還可以獲得與實際情況十分接近的自振周期。

3 地震作用響應分析

樓層間存在大質量結構的周期在滿倉和空倉狀態下以及不同的簡化計算方式下存在差異,自振周期的不同必將導致結構地震響應的不同。為了考察結構在不同狀態下的地震響應,本文采用陣型分解反應譜法對結構X、Y方向的地震響應進行了分析。分析時設防烈度為 8度,場地類別為Ⅱ類,設計地震分組為第二組,阻尼比為0.05。

由于本文所分析試件X和Y方向為對稱結構,兩個方向的地震響應比較接近,因此只給出結構在X向地震作用下的柱底反力(見表 4)。從表 4可以看出,由于滿倉和空倉兩種狀態下結構樓層間質量變化較大,致使空倉與滿倉狀態下結構地震反力存在較大差異,差距最大的SJ-3空倉時地震反力僅為滿倉時的 77%左右,因此對于此類結構除了結構在空倉時周期接近場地特征周期,滿倉時周期與場地特征周期相差較遠的特殊情況下,空倉時地震反力有可能大于滿倉時外,一般情況下空倉時地震反力均小于滿倉時,進行結構設計時可只考慮滿倉狀態而不必考慮空倉狀態下的地震反力。

從表 4可以看出將滿倉時質量轉化為活荷載作用在樓層的簡化方法,計算的地震反力較滿倉時的實際地震反力要小,并且隨著倉重的增加差距越來越大。本文SJ-3中轉化為活荷載的地震反力僅為滿倉時實際地震反力的 84%,因此如果將此地震反力用于工程設計會不安全。將滿倉時質量轉化為恒荷載作用于樓層的簡化方法算得的地震反力與滿倉時實際地震反力幾乎沒什么差別,且其值稍微大于實際值,若將此值用于結構設計不但十分接近實際情況還偏于安全。對此類結構進行設計時可以采用將滿倉質量轉化為恒載的簡化方法,此簡化方法,不但便于實現,而且其簡化結果與實際情況十分接近,是一種行之有效的方法。

4 結束語

樓層間存在大質量結構在滿倉和空倉狀態下結構自振周期存在較大差異,分析此類結構動力特性時應分空倉和滿倉兩種狀態分別計算。分析樓層間存在大質量結構時可以將樓層間質量轉化為恒荷載作用于樓層,然后按普通結構進行計算,此種簡化方法計算所得結構自振周期、陣型、地震響應與結構實際周期、陣型、地震響應十分接近,操作簡便且滿足工程設計要求。

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TU312+.1

A

2010-02-24

金麗萍(1982～),女,滿族,學士,從事結構設計和研究工作。