樓層間含有大質(zhì)量結(jié)構(gòu)的動力特性分析

金麗萍

(中冶華天工程技術(shù)有限公司,安徽馬鞍山 243005)

樓層間含有大質(zhì)量結(jié)構(gòu)的動力特性分析

金麗萍

(中冶華天工程技術(shù)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(zhì)量結(jié)構(gòu)的動力特性進(jìn)行了分析,通過不同簡化設(shè)計方法的對比,給出了此類結(jié)構(gòu)行之有效的簡化設(shè)計方法,供工程設(shè)計參考。

樓層間大質(zhì)量結(jié)構(gòu); 動力特性; 地震響應(yīng)

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

1 計算模型建立

為了研究樓層間存在大質(zhì)量結(jié)構(gòu),本文設(shè)計了三組試件即 SJ1～SJ3。試件為六層工業(yè)建筑,在第 2、6層分別設(shè)有原料倉,從SJ1～SJ3倉重分別為200 t、400 t、600 t。為了進(jìn)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(zhì)量轉(zhuǎn)化為活荷載作用于樓層(以下稱:活載);(4)將料倉滿倉時質(zhì)量轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(dá)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(shè)計規(guī)范》規(guī)定“不進(jìn)行扭轉(zhuǎn)偶聯(lián)計算的結(jié)構(gòu)計算地震作用效應(yīng)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(jié)構(gòu)的前三階陣型分別為沿 X和 Y方向的平動和扭轉(zhuǎn)振動。無論是空倉時還是滿倉時或者是將倉體質(zhì)量轉(zhuǎn)化為荷載作用于樓層,結(jié)構(gòu)的陣型形狀比較接近,這是因為本文所選的結(jié)構(gòu)體系比較簡單,無論何種情況結(jié)構(gòu)的質(zhì)量集中點變化不大,因此結(jié)構(gòu)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(zhì)量變化較大,空倉和滿倉兩種狀態(tài)的自振周期變化較大,并且隨著倉重的增加兩種狀態(tài)下的自振周期差距越來越大。自振周期的不同將直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的不同,設(shè)計此類結(jié)構(gòu)時應(yīng)分滿倉和空倉兩個狀態(tài)分別計算自振周期及地震響應(yīng),取不利情況進(jìn)行設(shè)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(zhì)量轉(zhuǎn)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(zhì)量貢獻(xiàn)的不同取值,導(dǎo)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(tài)周期之間,并且轉(zhuǎn)化為恒載簡化方法的各階周期與滿倉狀態(tài)的周期十分接近,分析此類結(jié)構(gòu)時可以以此種方法計算的周期代替滿倉狀態(tài)下的周期。轉(zhuǎn)化為活載簡化方法的各階周期與空倉狀態(tài)周期比較接近,但仍有一定差距,對于空倉狀態(tài)下的自振周期其簡化計算可以采取與滿倉狀態(tài)相同的方法,將空倉時倉重的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為恒載作用于樓層。經(jīng)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(yīng)分析

樓層間存在大質(zhì)量結(jié)構(gòu)的周期在滿倉和空倉狀態(tài)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(dǎo)致結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的不同。為了考察結(jié)構(gòu)在不同狀態(tài)下的地震響應(yīng),本文采用陣型分解反應(yīng)譜法對結(jié)構(gòu)X、Y方向的地震響應(yīng)進(jìn)行了分析。分析時設(shè)防烈度為 8度,場地類別為Ⅱ類,設(shè)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(jié)構(gòu),兩個方向的地震響應(yīng)比較接近,因此只給出結(jié)構(gòu)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(tài)下結(jié)構(gòu)樓層間質(zhì)量變化較大,致使空倉與滿倉狀態(tài)下結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)除了結(jié)構(gòu)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(yuǎn)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(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時可只考慮滿倉狀態(tài)而不必考慮空倉狀態(tài)下的地震反力。

從表 4可以看出將滿倉時質(zhì)量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)計會不安全。將滿倉時質(zhì)量轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計不但十分接近實際情況還偏于安全。對此類結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時可以采用將滿倉質(zhì)量轉(zhuǎn)化為恒載的簡化方法,此簡化方法,不但便于實現(xiàn),而且其簡化結(jié)果與實際情況十分接近,是一種行之有效的方法。

4 結(jié)束語

樓層間存在大質(zhì)量結(jié)構(gòu)在滿倉和空倉狀態(tài)下結(jié)構(gòu)自振周期存在較大差異,分析此類結(jié)構(gòu)動力特性時應(yīng)分空倉和滿倉兩種狀態(tài)分別計算。分析樓層間存在大質(zhì)量結(jié)構(gòu)時可以將樓層間質(zhì)量轉(zhuǎn)化為恒荷載作用于樓層,然后按普通結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算,此種簡化方法計算所得結(jié)構(gòu)自振周期、陣型、地震響應(yīng)與結(jié)構(gòu)實際周期、陣型、地震響應(yīng)十分接近,操作簡便且滿足工程設(shè)計要求。

[1] GB 50011-2001建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S]

[2] 張政,丁潔民,王忠平,等.雙塔連體復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)的超限分析及抗震性能評價[J].建筑結(jié)構(gòu),2008,38(9):52-57

[3] 段振亞,譚蔚,聶清德,等.框架塔動力特性的有限單元法研究[J].化工機械,2004,31(5):272-275

TU312+.1

A

2010-02-24

金麗萍(1982～),女,滿族,學(xué)士,從事結(jié)構(gòu)設(shè)計和研究工作。