多層排架結構工業廠房的靜力彈塑性分析

李永平，姚一丁

(內蒙古電力勘測設計院，內蒙古 呼和浩特 010020)

多層排架結構工業廠房的靜力彈塑性分析

李永平，姚一丁

(內蒙古電力勘測設計院，內蒙古 呼和浩特 010020)

目前蘇南地區出現了大量的多層排架結構廠房，然而國內外對這類多層排架結構的抗震性能研究卻很少，這就出現了對該結構的理論研究遠遠落后實際工程的情況，所以對多層排架結構廠房在罕遇地震作用下的彈塑性反應研究具有重要的現實意義。本文采用Pushover 分析方法，對多層排架結構進行力學模型簡化，得出多層排架結構的彈性及彈塑性層間位移，和在罕遇地震作用下該結構塑性鉸的出現位置及順序等結果，進而對多層排架結構的設計和施工提出建議。

多層排架結構；靜力彈塑性分析；模型簡化；抗震性能。

1 概述

目前，國內外對于多層排架結構的抗震性能研究較少，該結構體系所應采用的計算方法、力學模型以及彈塑性分析等理論研究還都是處于起步階段。我們比較關心多層排架結構工業廠房在多遇地震作用下的總側移及層間位移角是否滿足彈性極限要求；在罕遇地震作用下，其彈塑性總側移、層間位移角是否超過彈塑性極限狀態，找到結構塑性鉸出現的位置及薄弱部位。因此把pushover靜力彈塑性分析方法應用到本文研究的多層排架結構工業廠房就非常合理。

2 工程實例

工程：常州市蒸發器有限公司車間，本建筑為裝配式樓蓋三層排架結構。其結構簡圖與基本數據示于圖1。底層每跨各設15t中級工作制吊車一臺，采用馬鞍形殼板屋蓋，板型號YMB-15-3.0，荷載等級Ⅰ級。樓面板使用雙T型板，板號STB15A-1。雪荷載0.35kN/m2，柱的混凝土強度等級為C30，磚圍護墻厚240，柱距9m。廠房位于7度Ⅲ類場地，設計地震分組為第一組，設計基本地震加速度為0.1g。計算排架的橫向地震反應。

2.1 模型簡化與建立

本文研究的多層排架結構，其屋面采用馬鞍板與縱向梁連接，馬鞍板與柱頂通過一些預埋的鋼筋插件連接，其他層采用雙T型板作為樓面板，它通過焊接連接到沿縱向的倒T型梁上。

當多層排架結構廠房各樓層的質量和構件側移剛度，沿廠房縱向基本上做到對稱和均勻分布時，由于各榀排架各個部位所負擔的質量引起的水平地震作用，大致相等；各構件的側移剛度又基本相同，地震時各榀排架的振動模式和振動幅值也就大致相同。因此，進行廠房的橫向抗震分析時，可以將原來的空間結構簡化為平面結構，取其中的一榀典型排架，進行橫向地震作用效應計算。

由于雙T型板和馬鞍板自身的剛度很大，所以本文把雙T型板和馬鞍板視為一個剛度無限大的桿件。本文在建立多層排架結構工業廠房力學模型時，把頂層馬鞍板與柱頂的連接視為鉸接，把除頂層之外的其他層雙T型板與柱子連接視為一個介于鉸接和剛接之間的一個連接，并通過一個彈簧來考慮；為考慮雙T型板與沿縱向的倒T型梁之間的相對滑動，本文通過端部的兩個彈簧來考慮。所以本文中的多層排架結構廠房模型見圖1。

2.2 計算過程

根據場地類別和設計地震分組，本文求結構等效單自由度體系的最大位移時，采用天然波EL-Centro波(時間間隔0.02s)，天津波(時間間隔0.01s)及人工波上海波(時間間隔0.01s)，并根據當地設防烈度7度，將這三條波的加速度峰值調整為：多遇地震35cm/s2，罕遇地震220cm/s2。用靜力彈塑性方法求解結構地震反應結果如下。

2.3 結果分析

2.3.1 彈性和彈塑性層間位移角

由于本論文研究的多層排架結構目前在規范中還沒有，所以對應于該結構在多遇和罕遇地震作用下變形驗算中的彈性位移角限值和彈塑性位移角限值，依據規范內容，本文按照規范中鋼筋混凝土框架結構的層間位移角限值規定取值，即彈性層間位移角限值θe取1/800，彈塑性層間位移角限值取1/50。并且由于雙T型板與縱梁之間的連接線剛度的大小目前尚無實驗結果可供參考，所以本文就假設雙T型板與縱梁之間的連接線剛度在一定的范圍內變化。圖2、圖3是該多層排架結構在多遇地震和罕遇地震作用下，隨著雙T型板與縱梁的線剛度變化的層間位移值。

本實例中的多層排架結構總層高為14m，根據位移角限值可以得出該結構在多遇地震時的最大彈性層間位移為17.5mm，在罕遇地震作用下的最大彈塑性層間位移為280mm。由圖2、圖3可以看出隨著該多層排架結構雙T型板與縱梁連接的剛度的變化，其彈性層間位移和彈塑性層間位移也隨之發生變化，并且隨著雙T型板與縱梁連接的剛度增大，該多層排架結構的彈性和彈塑性層間位移隨之降低；不同剛度對應的層間位移都小于最大彈性和彈塑性層間位移限值，所以可以得出該多層排架結構不論是在多遇地震下，還是在罕遇地震作用下，其變形均滿足規范要求。

2.3.2 結構的塑性鉸出現位置和順序

通過對多層排架結構進行上述的力學模型簡化，得出結構的剛度矩陣和振動參數，通過振型分解反應譜法，求出結構各個集中質量處的總水平剪力，從而求得pushover分析方法中的側向荷載分布，并將結構推覆到目標位移或結構成為機構時為止。將上述過程通過MATLAB程序實現，可以得出在不同雙T板與縱梁連接的剛度下，該多層排架結構的塑性鉸出現的位置和順序見圖4、圖5及圖6。

綜上所述：該多層排架結構在罕遇地震作用下，結構的塑性鉸出現位置和順序隨著雙T型板與縱梁之間的連接剛度不同而有很大不同。

當雙T型板與縱梁之間的連接剛度比較小的時候，該多層排架結構的第二層左邊跨的各個集中質量處依次屈服出現塑性鉸，隨著側向荷載的增加，一層邊跨的各個集中質量處也逐漸屈服出現塑性鉸，從而使結構發生破壞，這可能是該多層排架結構高階振型作用的結果；當雙T型板與縱梁之間的連接剛度比較大的時候，該多層排架結構的塑性鉸就逐漸從一層邊跨開始，然后再逐漸在二層出現，很快又回到了一層其它跨。

3 結論

本文主要研究靜力彈性分析方法(Pushover Analysis)在多層排架結構工業廠房中的應用，將多層排架結構進行力學模型簡化，通過編制MATLAB程序，進行數值分析，主要得出以下結論：

(1)多層排架結構工業廠房在多遇地震作用下的彈性層間位移角，與在罕遇地震作用下的彈塑性層間位移角均滿足彈性層間位移角限值和彈塑性層間位移角限值要求，即該結構能滿足地震作用下的變形要求。

(2)多層排架結構在罕遇地震作用下，結構的塑性鉸出現位置和順序隨著雙T型板與縱梁之間的連接剛度不同而有很大不同，這就給我們在結構構件的設計生產和加固方面提供了參考，指導我們在實際的結構設計時要注意雙T板與縱向梁連接剛度對多層排架結構屈服部位的影響。

(3)多層排架結構工業廠房中雙T型板與縱梁之間的連接剛度的大小有待進一步通過實驗探究。

[1]胡錦陽，黃國勝．多層工業廠房動力特性的有限元分析[J]．國外建材科技，2005，6(26)．

[2]侯爽．結構Pushover分析的側向分布及高階振型影響[J]．世界工程與工程振動，2004，24(3)．

[3]張培新．鋼筋混凝土抗震結構非線性分析(第一版)[M]．北京：科學出版社，2003．

[4]劉大海，楊翠如．廠房抗震設計[M]．北京：中國建筑工業出版社，1997．

[4]徐趙東，郭迎慶．MATLAB語言在建筑抗震工程中的應用[M]．北京：科學出版社，2004．

Analysis on Pushover Analysis Method for Multi-storey Bent Industrial Structure

LI Yong-ping, YAO Yi-ding
(Inner Mongolia Electrical Power Design and Explore Institute, Hhot 010020, China)

Recently there are a great mount of multi-storey industrial plants built in the south of Jiangsu province. We have done a lot of work in the single-storey industrial plant until now, but there are few theoretical achievements in this multi-storey bent structure industrial plant, the seismic behavior in especial. The theoretical research falls far behind the practical engineering. Therefore, there are great theoretical and practical signi fi cance in the analysis for the elasticplastic behavior of multi-storey industrial plants built by bent structure under the action of the rarely earthquake. In this thesis, we use the Pushover Analysis method in order to research on the seismic behavior of the multi-storey bent structure. Simplifying the mechanical model of the multi-storey bent structure to get the displacement between stories and the locations and the order of the plastic hinges for the multi-storey bent structure in order to bring forw

multi-storey bent structure; static elastic-plastic analysis; model simplifying; seismic behavior.

TU271.1

B

1671-9913(2011)03-0037-04

2011-01-28

李永平(1986- )，男，內蒙古鄂爾多斯人，碩士。