魏現(xiàn)昊

(北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 100082)

引言

鼓風(fēng)機(jī)房是再生水廠中常見(jiàn)的建筑物,鼓風(fēng)機(jī)房按功能分區(qū)一般由鼓風(fēng)機(jī)間、進(jìn)風(fēng)廊道、進(jìn)風(fēng)塔構(gòu)成,由于不同功能分區(qū)對(duì)空間的需求不同,鼓風(fēng)機(jī)房的各個(gè)分區(qū)往往采用不同的結(jié)構(gòu)形式組合在一起。鼓風(fēng)機(jī)間跨度較大一般采用排架結(jié)構(gòu)和大型輕質(zhì)屋面板,進(jìn)風(fēng)廊道和進(jìn)風(fēng)塔作為附屬結(jié)構(gòu)采用框架結(jié)構(gòu)和現(xiàn)澆屋面板,二者側(cè)向連接組合在一起為框排架結(jié)構(gòu)。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2016年版)》(GB50011 -2010)[1]第3.4.3 節(jié)結(jié)構(gòu)規(guī)則性分析表明,鼓風(fēng)機(jī)房的結(jié)構(gòu)橫向凹進(jìn)尺寸大于投影方向總尺寸的30%,屬于平面不規(guī)則(凹凸不規(guī)則)。結(jié)構(gòu)邊榀為框架結(jié)構(gòu),中榀為排架結(jié)構(gòu),且進(jìn)風(fēng)塔布置于結(jié)構(gòu)平面縱向兩端,以框架結(jié)構(gòu)形式附著于主體結(jié)構(gòu)邊榀,增加了整體結(jié)構(gòu)兩端的質(zhì)量和剛度,導(dǎo)致質(zhì)量和剛度沿結(jié)構(gòu)平面分布不均勻,結(jié)構(gòu)平動(dòng)-扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)效應(yīng)[2,3]明顯。對(duì)此類(lèi)不規(guī)則框排架結(jié)構(gòu),屋蓋系統(tǒng)是平面內(nèi)約束協(xié)調(diào)框架和排架結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件,其平面內(nèi)剛度必然對(duì)整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特性產(chǎn)生重要影響。

劉大海等[4]對(duì)多層廠房差異平移-扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)振動(dòng)的地震反應(yīng)進(jìn)行了分析,得出不同剛度的樓蓋在考慮其水平變形時(shí),中間框架的地震內(nèi)力約為剛性樓蓋假定計(jì)算結(jié)果的120% ～190%。王立軍[5]采用空間模型分析了框排架結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),認(rèn)為該類(lèi)結(jié)構(gòu)的空間作用調(diào)整系數(shù)較大,不能單純采用平面結(jié)構(gòu)分析。燕建平[6]根據(jù)唐山地震中單層廠房的主要震害經(jīng)驗(yàn),認(rèn)為屋蓋的剛度是提高廠房整體抗震能力的關(guān)鍵,在框排架體系中更為明顯。從現(xiàn)有資料看,存在許多問(wèn)題需進(jìn)行大量分析研究。

因此,結(jié)合工程實(shí)例建立多種模型,專(zhuān)門(mén)研究采用大型輕質(zhì)屋蓋的框排架結(jié)構(gòu)的屋蓋面內(nèi)剛度對(duì)整體結(jié)構(gòu)抗震性能的影響具有十分重要的意義。

1 工程概況

以北京地區(qū)某再生水廠框排架結(jié)構(gòu)鼓風(fēng)機(jī)房為研究對(duì)象,見(jiàn)圖1 所示。其建筑平面尺寸45.5m×17.6m,建筑面積800.80m2,建筑高度13.35m,功能分區(qū)由鼓風(fēng)機(jī)間、進(jìn)風(fēng)廊道和進(jìn)風(fēng)塔組成。安全等級(jí)二級(jí),設(shè)計(jì)使用年限50年,抗震設(shè)防烈度8 度(0.2g,第二組),抗震設(shè)防類(lèi)別丙類(lèi),場(chǎng)地類(lèi)別Ⅲ類(lèi),結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)二級(jí)。

圖1 首層平面示意Fig.1 First plan layout

鼓風(fēng)機(jī)間由于工藝設(shè)備布置要求縱向無(wú)法設(shè)置柱間支撐,結(jié)構(gòu)形式為橫向邊榀框架+橫向中榀排架+縱向框架結(jié)構(gòu),屋面為裝配式大型輕質(zhì)屋面板(無(wú)檁屋蓋),柱距7.5m,跨度12m,頂標(biāo)高10.55m; 進(jìn)風(fēng)塔為框架結(jié)構(gòu),現(xiàn)澆混凝土屋面板,附著于主體結(jié)構(gòu)邊榀,頂標(biāo)高10.55m;風(fēng)道為框架結(jié)構(gòu),現(xiàn)澆混凝土屋面板,屋面梁與排架柱拉結(jié),頂標(biāo)高4.60m。

2 相關(guān)規(guī)定

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2016年版)》(GB50011 -2010)附錄H.1 對(duì)鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu)廠房的計(jì)算、構(gòu)造作了相應(yīng)規(guī)定。H.1.1 要求“當(dāng)本節(jié)未作規(guī)定時(shí),其抗震設(shè)計(jì)應(yīng)按本規(guī)范第6 章和9.1 節(jié)的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行”,即鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu)廠房仍應(yīng)滿足第6 章“多層和高層鋼筋混凝土房屋”和第9.1 節(jié)“單層鋼筋混凝土柱廠房”的相關(guān)規(guī)定。

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2016年版)》(GB50011-2010)附錄H.1.8 同時(shí)要求“側(cè)向框排架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)布置、地震作用效應(yīng)調(diào)整和抗震驗(yàn)算,以及無(wú)檁屋蓋和有檁屋蓋的支撐布置,應(yīng)分別符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50191-2012)[7]的有關(guān)規(guī)定”?！稑?gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50191 -2012)第6.5.2 條對(duì)無(wú)檁屋蓋的支撐布置作了詳細(xì)要求。

3 模型建立

屋面為裝配式大型輕質(zhì)屋面板(無(wú)檁屋蓋),其面內(nèi)剛度取決于屋蓋橫向水平支撐的設(shè)置。采用PKPM 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件(2010 - V4)進(jìn)行計(jì)算分析,按照《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50191 -2012)表6.5.2 條對(duì)無(wú)檁屋蓋的支撐布置要求,屋面構(gòu)件布置如圖2 所示。將屋面上弦橫向水平支撐布置在縱向兩端第一開(kāi)間建立模型一,屋面上弦橫向水平支撐布置在中部?jī)砷_(kāi)間建立模型二,全屋面布置上弦橫向水平支撐建立模型三,屋蓋各構(gòu)件截面尺寸見(jiàn)表1。

圖2 屋蓋構(gòu)件布置簡(jiǎn)圖Fig.2 Roof components layout diagram

表1 構(gòu)件截面尺寸Tab.1 Section dimensions of components

通過(guò)三種模型的對(duì)比,分析屋蓋系統(tǒng)面內(nèi)剛度對(duì)整體結(jié)構(gòu)的周期、位移、內(nèi)力響應(yīng)特性,探究采用大型輕質(zhì)屋面的屋蓋系統(tǒng)平面內(nèi)剛度差異性對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響。

4 計(jì)算分析

4.1 考慮屋蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)周期分析

表2 ～表4 為三種模型前12 個(gè)振型的周期及振型特征,圖3 為三種模型周期對(duì)比。

由表2 ～表4 及圖3 對(duì)比分析表明： (1)由于結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性以及質(zhì)量、剛度沿平面分布不均勻,結(jié)構(gòu)平動(dòng)-扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)效應(yīng)明顯,三種模型前12 個(gè)振型中扭轉(zhuǎn)為主的振型數(shù)量均占到總振型數(shù)量的83%以上。(2)當(dāng)僅在屋蓋局部布置橫向水平支撐時(shí)(模型一、模型二),結(jié)構(gòu)第二振型即出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)振型,周期比分別為0.89、0.88; 當(dāng)全屋面布置屋蓋橫向水平支撐時(shí)(模型三),扭轉(zhuǎn)振型為第三振型,周期比為0.83。通過(guò)全屋面布置屋蓋橫向水平支撐增強(qiáng)屋面平面內(nèi)剛度,能顯著限制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)效應(yīng),保證前2 個(gè)主振型為平動(dòng)振型。

表2 模型一振型及周期Tab.2 Vibration mode and cycle fo model 1

表3 模型二振型及周期Tab.3 Vibration mode and cycle fo model 2

表4 模型三振型及周期Tab.4 Vibration mode and cycle fo model 3

圖3 模型周期對(duì)比Fig.3 Cycle contrast of various models

由圖3 可知,通過(guò)全屋面布置屋蓋橫向水平支撐增強(qiáng)屋面平面內(nèi)剛度,能顯著降低結(jié)構(gòu)周期,提高結(jié)構(gòu)整體剛度。但應(yīng)注意結(jié)構(gòu)整體剛度亦不能過(guò)大,保證第一振型周期小于場(chǎng)地特征周期0.55s,使地震影響系數(shù)位于曲線下降段,不至于因剛度過(guò)大導(dǎo)致地震作用增大。且當(dāng)全屋面布置屋蓋橫向水平支撐時(shí)(模型三),結(jié)構(gòu)前3 振型周期值遠(yuǎn)大于后續(xù)高階振型周期值,地震作用下有效質(zhì)量系數(shù)集中于低階平動(dòng)振型,抑制了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

4.2 考慮屋蓋系統(tǒng)位移響應(yīng)分析

表5 為三種模型A 軸7 根柱在Y向地震工況下的柱頂位移,圖4 為柱頂位移對(duì)比。

表5 柱頂位移表Tab.5 Displacement at column top of various models

圖4 柱頂位移對(duì)比Fig.5 Contrast of displacement at column top of various models

由表5、圖4 分析表明： (1)當(dāng)僅屋蓋局部開(kāi)間布置橫向水平支撐時(shí)(模型一、模型二),在多遇地震作用下,柱頂位移數(shù)值出現(xiàn)較大離散性,模型一統(tǒng)計(jì)數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)差為9.34,模型二統(tǒng)計(jì)數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)差為9.83。柱頂最大位移位于中柱,最小位于邊柱。結(jié)構(gòu)變形呈現(xiàn)明顯的“邊榀小,中榀大”的特點(diǎn)。(2)當(dāng)全屋面布置屋蓋橫向水平支撐時(shí)(模型三),在多遇地震作用下,柱頂位移數(shù)值趨于一致,統(tǒng)計(jì)數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)差為1.66,遠(yuǎn)低于前兩種模型。結(jié)構(gòu)變形呈現(xiàn)明顯的整體平動(dòng)變形,屋蓋的平面內(nèi)剛度,有效增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性,邊榀與中榀體現(xiàn)出較好的協(xié)同工作性。

4.3 考慮屋蓋系統(tǒng)內(nèi)力響應(yīng)分析

表6 為三種模型A 軸7 根柱在Y向地震工況下的柱根內(nèi)力,圖5 為柱根內(nèi)力對(duì)比。

表6 柱根內(nèi)力表Tab.6 Internal force of column roots of various models

圖5 柱根內(nèi)力對(duì)比Fig.5 Stress contrast of column roots of various models

由表6、圖5 分析表明： (1)當(dāng)僅在屋蓋局部開(kāi)間布置屋蓋橫向水平支撐時(shí)(模型一、模型二),在多遇地震作用下,柱根內(nèi)力數(shù)值出現(xiàn)較大離散性,柱根最大內(nèi)力位于中柱,最小內(nèi)力位于邊柱。結(jié)構(gòu)內(nèi)力呈現(xiàn)明顯的“邊榀小,中榀大”的特點(diǎn)。(2)當(dāng)全屋面布置屋蓋橫向水平支撐時(shí)(模型三),在多遇地震作用下,柱根內(nèi)力數(shù)值趨于一致,內(nèi)力統(tǒng)計(jì)數(shù)值的離散性遠(yuǎn)低于模型一。結(jié)構(gòu)內(nèi)力呈現(xiàn)明顯的整體一致性,屋蓋平面內(nèi)剛度的增大,有效增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性,邊榀與中榀體現(xiàn)出較好的協(xié)同工作性。

5 結(jié)論

1.屋蓋系統(tǒng)平面內(nèi)剛度的增強(qiáng)能降低結(jié)構(gòu)周期,提高結(jié)構(gòu)整體剛度。但應(yīng)注意結(jié)構(gòu)整體剛度亦不能過(guò)大,宜使第一振型周期小于場(chǎng)地特征周期值,使地震影響系數(shù)位于曲線下降段,防止剛度過(guò)大導(dǎo)致地震作用增強(qiáng)。改善屋蓋系統(tǒng)平面內(nèi)剛度后,地震作用下振型有效質(zhì)量系數(shù)集中于前3 個(gè)低階平動(dòng)振型,抑制了高階扭轉(zhuǎn)振型的激勵(lì),降低了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)效應(yīng)。

2.通過(guò)改善屋蓋系統(tǒng)平面內(nèi)剛度,側(cè)向荷載作用下結(jié)構(gòu)變形呈現(xiàn)明顯的整體平動(dòng)變形,面內(nèi)各構(gòu)件水平位移數(shù)值趨于一致。

3.通過(guò)改善屋蓋系統(tǒng)平面內(nèi)剛度,結(jié)構(gòu)內(nèi)力呈現(xiàn)明顯的整體一致性,有效增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性,使框排架結(jié)構(gòu)的邊榀與中榀體現(xiàn)出較好的協(xié)同工作性。