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工業(yè)建筑和現(xiàn)代物流倉儲建筑時常會出現(xiàn)底部混凝土框架結(jié)構(gòu)（或鋼框架）-上部門式剛架的結(jié)構(gòu)體系，這種結(jié)構(gòu)體系在現(xiàn)行國家規(guī)范中沒有相應(yīng)的規(guī)定，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，在結(jié)構(gòu)體系分析、指標控制及抗震措施等方面沒有相應(yīng)的規(guī)范依據(jù)，往往需要進行專項研究和論證。下文僅針對這種結(jié)構(gòu)體系的特點，對其整體性能和鞭梢效應(yīng)的影響大小進行探討。

1 底框門剛結(jié)構(gòu)體系與其他常用結(jié)構(gòu)體系的對比

兩層工業(yè)及倉儲物流建筑通常采用如下八種結(jié)構(gòu)體系：

（1）體系1：單層門式剛架，柱腳鉸接。

（2）體系2：單層門式剛架，柱腳剛接。

（3）體系3：一層為鋼框架結(jié)構(gòu)，二層為門式剛架結(jié)構(gòu)，門式剛架柱腳鉸接。

（5）體系5：一層為混凝土框架結(jié)構(gòu)，二層為門式剛架結(jié)構(gòu)，門式剛架柱腳鉸接。

（6）體系6：一層為混凝土框架結(jié)構(gòu)，二層為門式剛架結(jié)構(gòu)，門式剛架柱腳剛接。

（7）體系7：一層為混凝土框架-支撐結(jié)構(gòu)，二層為門式剛架結(jié)構(gòu)，門式剛架柱腳鉸接。

（8）體系8：一層為混凝土框架-支撐結(jié)構(gòu)，二層為門式剛架結(jié)構(gòu)，門式剛架柱腳剛接。

本文將針對一棟24 m×47 m的兩層倉儲庫房建筑，采用不同結(jié)構(gòu)體系進行對比分析。

場地條件：7度（0.10 g），地震分組第三組，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.45 s，基本風(fēng)壓為0.3 kPa。建筑各層平面布置圖見圖1~圖3：

圖1 一層0.000標高平面布置圖

圖2 二層11.000標高平面布置圖

圖3 屋面23.000標高平面布置圖

上述建筑采用小震彈性進行分析，各個體系層間位移角應(yīng)力比見表1、表2。

表1 柱腳鉸接情況各結(jié)構(gòu)體系柱腳鉸接時的層間位移角及應(yīng)力比

表2 各結(jié)構(gòu)體系柱腳剛接時的層間位移角及應(yīng)力比

從上述各體系的對比表格可以看出：

到2016年，全市一級河道Ⅴ類以上水體達到60%，二級河道Ⅴ類以上水體達到50%，顯著提升水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。2014年清水河道行動計劃實施七大類1311項工程。截至6月27日,完工433項,完工率33.8%,開工在建388項。

（1） 當(dāng)門式剛架柱腳鉸接時，在風(fēng)荷載工況下，剛架位移及剛架應(yīng)力比基本一致；在地震工況下，底部框架-上部門式剛架結(jié)構(gòu)體系中的上部門式剛架的側(cè)向位移明顯大于單層門式剛架，上部門式剛架的鞭梢效應(yīng)明顯，但門式剛架柱和剛架梁的應(yīng)力比相差不大。

（2） 當(dāng)門式剛架柱腳剛接時，在風(fēng)荷載工況下，底部框架-上部門式剛架結(jié)構(gòu)體系中的上部門式剛架的側(cè)向位移略大于單層門式剛架，隨著底部框架剛度的增加，上部門式剛架的側(cè)向位移稍有減少；在地震工況下，底部框架-上部門式剛架結(jié)構(gòu)體系中的上部門式剛架的側(cè)向位移大于單層門式剛架，上部門式剛架的鞭梢效應(yīng)明顯，門式剛架柱和剛架梁的應(yīng)力比比單層門式剛架增加了約10%。

2 橫向荷載作用下結(jié)構(gòu)的鞭梢效應(yīng)與下部結(jié)構(gòu)剛度的關(guān)系

從上面的試算可以看出：對于兩層的倉儲類結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載產(chǎn)生的鞭梢效應(yīng)并不明顯，但在地震作用下，隨著下部結(jié)構(gòu)體系剛度的變化，上部門式剛架的鞭梢效應(yīng)出現(xiàn)了明顯的變化。為了明確下部結(jié)構(gòu)剛度與上部門式剛架鞭梢效應(yīng)的關(guān)系，本文針對不同的下部結(jié)構(gòu)剛度進行了進一步的對比，同時增加了體系9~體系21的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，以增大統(tǒng)計樣本。對比結(jié)果見表3：

表3 各結(jié)構(gòu)體系柱腳剛接時的層間位移角及應(yīng)力比

從表3可以看出： 第二層門式剛架的自振周期為0.5149 s，場地的特征周期為0.45 s。門式剛架的最大側(cè)向位移出現(xiàn)在下部結(jié)構(gòu)自振周期介于0.5149 s和0.45 s之間時。初步判斷，當(dāng)二層門式剛架的自振周期與下部結(jié)構(gòu)自振周期接近，以及下部門式剛架的自振周期與場地的特征周期接近時，都會產(chǎn)生明顯的鞭梢效應(yīng)。

由于表3中的示例，二層門式剛架的自振周期與場地的特征周期相近，無法判斷哪個因素對鞭梢效應(yīng)的影響更大。本文再將門式剛架柱腳設(shè)置為鉸接，增大二層門式剛架的自振周期進行進一步分析，見表4。

表4 各結(jié)構(gòu)體系柱腳鉸接且下部結(jié)構(gòu)剛度變化時的周期及層間位移角

從表4可以看出：第二層門式剛架的自振周期為0.9444 s，場地的特征周期為0.45 s，當(dāng)門式剛架柱腳鉸接時，基本規(guī)律與表3柱腳剛接一致。二層門式剛架的最大位移出現(xiàn)在下部結(jié)構(gòu)自振周期為0.9037 s時，可以判斷：當(dāng)二層門式剛架的自振周期與下部結(jié)構(gòu)自振周期接近時，對鞭梢效應(yīng)的增大作用更明顯。

同時對比表3、表4，鉸接柱腳的門式剛架的鞭梢效應(yīng)沒有剛接柱腳的門式剛架對下部結(jié)構(gòu)剛度變化敏感，但是由于其本身剛度較低，側(cè)向位移較大。剛度越大，門式剛架的鞭梢效應(yīng)越明顯。

3 門式剛架結(jié)構(gòu)的控制工況

本文中結(jié)構(gòu)基本風(fēng)壓為0.3 kPa，該風(fēng)荷載為偏小的風(fēng)壓值，本文逐漸提高地震荷載，研究主要情況下，二層門式剛架結(jié)構(gòu)的控制荷載。柱腳鉸接情況見表5，柱腳剛接情況見表6。

表5 各結(jié)構(gòu)體系柱腳鉸接時不同地震烈度情況下的二層層間位移角

表6 各結(jié)構(gòu)體系柱腳剛接時不同地震烈度情況下的二層層間位移角

從表5可以看出，門式剛架柱腳鉸接情況下：單層門式剛架，風(fēng)荷載為控制工況；二層結(jié)構(gòu)，除下部結(jié)構(gòu)自振周期與場地特征周期相近的情況外，其他情況下，風(fēng)荷載基本為控制工況。

從表6可以看出，門式剛架柱腳剛接情況下：單層門式剛架，風(fēng)荷載基本為控制工況；二層結(jié)構(gòu)，地震烈度為7度及以下時，風(fēng)荷載為控制工況；在高烈度時，上部門式剛架的鞭稍效應(yīng)逐漸明顯，控制作用逐漸由風(fēng)荷載作用變?yōu)榈卣鸷奢d作用；地震烈度為9度時，地震荷載基本為控制工況。

4 結(jié)語

（1）此類結(jié)構(gòu)體系在現(xiàn)行國家規(guī)范中沒有相應(yīng)規(guī)定，但是在實際工程中卻時常運用，這就要求設(shè)計人員在工程設(shè)計中應(yīng)特別注意這種結(jié)構(gòu)體系的特殊性，特別是上部和下部兩種不同結(jié)構(gòu)體系間的相互影響和力學(xué)假定的區(qū)別。下部框架結(jié)構(gòu)一般為混凝土屋面符合剛性樓板假定，但是二層門式剛架大部分情況是輕鋼屋面，不能很好地實現(xiàn)剛性樓板假定，因此，建議此類結(jié)構(gòu)采用三維空間計算和單榀排架計算包絡(luò)設(shè)計。

（2）兩層門式剛架結(jié)構(gòu)，其下部結(jié)構(gòu)的自振周期直接影響二層門式剛架的最大側(cè)移。二層門式剛架的最大側(cè)移發(fā)生在下部結(jié)構(gòu)自振周期介于場地自振周期和二層門式剛架自振周期之間。當(dāng)下部結(jié)構(gòu)的自振周期與二層門式剛架自振周期接近時，結(jié)構(gòu)的鞭梢效應(yīng)最顯著。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)自振周期遠離二層門式剛架的自振周期和場地的特征周期。

（3）二層門式剛架的剛度越大，鞭梢效應(yīng)越明顯，構(gòu)件的應(yīng)力比越大。在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)建筑不同的使用功能和結(jié)構(gòu)工況，選擇合適的結(jié)構(gòu)體系，而不是單純的選擇剛度大的結(jié)構(gòu)或剛度小的結(jié)構(gòu)。

（4）結(jié)構(gòu)的鞭梢效應(yīng)隨著二層門式剛架剛度的增加以及地震烈度的增加而增加。在中低烈度區(qū)，二層門式剛架控制工況基本為風(fēng)荷載工況。在高烈度區(qū)進行兩層門式剛架設(shè)計時，則應(yīng)特別注意結(jié)構(gòu)的鞭梢效應(yīng)。