中美設(shè)計規(guī)范下窯尾結(jié)構(gòu)地震作用的對比分析

潘蜀京，王安陽，申昌俊，薛廣文

中美設(shè)計規(guī)范下窯尾結(jié)構(gòu)地震作用的對比分析

潘蜀京1，王安陽2，申昌俊1，薛廣文2

以窯尾結(jié)構(gòu)工程為背景，采用SAP2000建立兩種有限元模型。通過基于中國規(guī)范和美國規(guī)范，分析這兩種模型的地震作用，比較中國規(guī)范和美國規(guī)范之間的區(qū)別。比較分析表明，兩種規(guī)范的抗震設(shè)防目標(biāo)、抗震設(shè)計原則、荷載組合和反應(yīng)譜都有較大的區(qū)別，美國規(guī)范下的地震剪力和層間位移均比中國規(guī)范的大。

窯尾結(jié)構(gòu)；地震作用；荷載組合；對比分析

1　引言

隨著各國國民經(jīng)濟的發(fā)展，水泥廠燒成窯尾車間的生產(chǎn)建設(shè)及應(yīng)用越來越受到重視，越來越多的中國施工、設(shè)計企業(yè)走出國門，承擔(dān)起越來越多的國際項目。與此同時，工程技術(shù)人員必須對國外的工程設(shè)計規(guī)范有深入的了解才能在國際市場的競爭中占據(jù)有利的位置。美國規(guī)范作為世界主流標(biāo)準(zhǔn)之一，被越來越多的涉外工程采用，熟悉美國規(guī)范及其與中國規(guī)范的異同顯得尤為重要。

本文以鋼筋混凝土窯尾為工程背景，采用通用有限元軟件SAP2000建立美國規(guī)范下和中國規(guī)范下的兩種模型，分析和比較了這兩種模型下的地震作用。

2　結(jié)構(gòu)的有限元模型

2.1工程概況

本項目研究的水泥廠窯尾工程為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)共有七層（層高：一層為7.3m，二層為12.6m，三層為14.1m，四層為17.5m，五、六層為13.1m，七層為9.9m），縱向總長度為25.5m，橫向總寬度為16m。工程位于Ⅱ類場地，地震設(shè)防烈度7度，設(shè)計地震分組為第二組，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別為乙類，按照二級抗震等級采取抗震措施。結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1。基本風(fēng)壓取值0.6kN/ m2，地面粗糙度類別為B類。樓面荷載根據(jù)工藝資料及相關(guān)規(guī)范取值，事故積灰荷載根據(jù)工藝資料圖取值，各級旋風(fēng)筒都可能發(fā)生堵塞而產(chǎn)生事故積灰荷載，但不同時發(fā)生。

2.2有限元模型

本項目采用SAP2000有限元軟件建立鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的有限元模型，采用梁單元模擬窯尾結(jié)構(gòu)的梁、柱，殼單元模擬窯尾結(jié)構(gòu)的板。在實際建模過程中，在不影響主體結(jié)構(gòu)整體受力的原則下，忽略設(shè)備自身的剛度和跨度＜3m次梁的影響，以荷載的形式加在模型結(jié)構(gòu)中；地基采用剛性地基，底部約束定義為固支剛性約束。有限元模型如圖1所示。

中美規(guī)范采用的混凝土和鋼筋的參數(shù)分別見表1、表2。

兩種模型下柱的截面尺寸如表3所示，為方便后續(xù)的計算表述，我們對窯尾結(jié)構(gòu)的各個柱子做了對應(yīng)的編號，具體的柱編號及對應(yīng)的軸線如圖2所示。

梁截面尺寸是通過SAP2000的不斷試算，得到滿足相關(guān)規(guī)范要求的合理的截面尺寸，最終結(jié)果顯示兩種規(guī)范采用的尺寸基本相同。

圖1　窯尾結(jié)構(gòu)有限元模型

表1　混凝土參數(shù)

表2　鋼筋參數(shù)

3　窯尾結(jié)構(gòu)地震作用分析

中國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）規(guī)定的設(shè)防三水準(zhǔn)：多遇地震（小震50年超越概率約為63.2%的地震烈度，重現(xiàn)期為50年）、基本烈度（中震50年內(nèi)超越概率約為10%的地震烈度，重現(xiàn)期475年）、罕遇地震（大震50年內(nèi)超越概率約為2%～3%的地震烈度，重現(xiàn)期為2 474～1 640年）。三水準(zhǔn)下的設(shè)防目標(biāo)“小震不壞，中震可修，大震不倒”，主要通過兩個階段的設(shè)計保證。

相應(yīng)的，美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10單一設(shè)防水準(zhǔn)：最大考慮地震（MCE），50年內(nèi)超越概率約為2%的地震烈度，重現(xiàn)期為2 474年。設(shè)防目標(biāo)為：對于50年超越概率為5%～ 10%的設(shè)計地震，應(yīng)使建筑在震中與震后保持預(yù)期功能，并且結(jié)構(gòu)的損傷是可修的；對于50年超越概率為2%的最大考慮地震，應(yīng)使結(jié)構(gòu)倒塌的可能性較低，與中國的第二和第三水準(zhǔn)很相近。地震作用計算分析采用彈塑性反應(yīng)譜理論，用設(shè)計地震（MCE* 2/3）進(jìn)行抗震承載力和變形驗算，允許結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性工作階段。以設(shè)計地震來計算地震作用，通過結(jié)構(gòu)反應(yīng)調(diào)整系數(shù)R將彈塑性變形下的內(nèi)力折算到彈性狀態(tài)下的內(nèi)力進(jìn)行彈性計算。

3.1反應(yīng)譜分析

SAP2000對于反應(yīng)譜分析，給出了CQC、SRSS、絕對值法、GMC、NRC10%和雙求和法六種組合方法，其中，CQC是目前不同國家和地區(qū)規(guī)范中應(yīng)用最廣泛的組合方式。此次，反應(yīng)譜分析選用的是CQC法。

表3　窯尾結(jié)構(gòu)柱截面尺寸參數(shù)，mm

圖2　窯尾結(jié)構(gòu)柱編號和定位圖

3.1.1基于中國規(guī)范的窯尾結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜分析

中國規(guī)范采用的反應(yīng)譜是基于《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50010-2010）的設(shè)計加速度反應(yīng)譜，根據(jù)要求按基本烈度7度進(jìn)行設(shè)計分析，設(shè)計基本地震加速度為0.15g， II類場地，設(shè)計地震分組為第二組。反應(yīng)譜如圖3所示。

依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，將結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震作用效應(yīng)和其他荷載效應(yīng)進(jìn)行組合，中國規(guī)范下地震作用效應(yīng)和其他荷載效應(yīng)的組合如下：

（1）1.2（恒荷載+0.5×活荷載）+ 1.3地震作用

（2）1.0（恒荷載+0.5×活荷載）+ 1.3地震作用

（3）1.2（恒荷載+0.5×活荷載）+ 1.3地震作用+0.28風(fēng)荷載

（4）1.0（恒荷載+0.5×活荷載）+ 1.3地震作用+0.28風(fēng)荷載

3.1.2基于美國規(guī)范的窯尾結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜分析

本項目要求按基本烈度7度進(jìn)行抗震設(shè)計分析。同等條件下轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10反應(yīng)譜，如圖4所示，轉(zhuǎn)換方法見參考文獻(xiàn)［5］。

圖中的Ss和S1分別是美國規(guī)范給出的地震地面運動的最大加速度等值線圖中查出的短周期和1s周期的加速度值，SDS和SD1是設(shè)計地震水準(zhǔn)下的反應(yīng)譜加速度。

從圖3和圖4對比來看，它們的反應(yīng)譜曲線具有相同的特征，都是由直線上升階段、水平段和下降段組成。但是差異也很明顯，具體表現(xiàn)在下面幾點：

（1）反應(yīng)譜最長周期。GB50011-2010抗震設(shè)計反應(yīng)譜最長周期為6s。ASCE/SEI7-05給出TL。

（2）水平段的區(qū)別。GB50011-2010水平起始周期取為定值0.1s，終止周期Tg（Tg是根據(jù)場地類別和設(shè)計地震分組確定）。ASCE/ SEI 7-10的水平段起始周期和終止周期都隨著場地系數(shù)Fa、Fv和地震動參數(shù)的取值Ss、S1的變化而變化。

（3）GB50011-2010的抗震設(shè)計反應(yīng)譜采用的是經(jīng)過調(diào)整后的相當(dāng)于小震條件下的地震影響系數(shù)曲線，而ASCE/SEI7-10的抗震設(shè)計反應(yīng)譜采用的是相當(dāng)于我們國家中震條件下的設(shè)計地震反應(yīng)譜曲線的取值。一般在中短周期，美國規(guī)范的反應(yīng)譜值會比較大。

美國規(guī)范采用的反應(yīng)譜法是基于ASCE/SEI7-10，當(dāng)有地震作用時，地震作用效應(yīng)和其他荷載效應(yīng)的組合為：

（1）1.2恒載+1.0地震作用+活載；

圖3　地震影響系數(shù)曲線

圖4　美國規(guī)范地震反應(yīng)譜曲線

（2）0.9恒載+1.0地震作用。

ASCE/SEI7-10規(guī)范只是針對設(shè)計地震（相當(dāng)于我國的中震條件）采用單一階段設(shè)計步驟實現(xiàn)其設(shè)防目標(biāo)，考慮了結(jié)構(gòu)的彈塑性性能，通過引入結(jié)構(gòu)反應(yīng)調(diào)整系數(shù)R體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的延性，該系數(shù)主要依據(jù)工程經(jīng)驗和結(jié)構(gòu)延性來選取，本模型采用系數(shù)為2.8。所以在定義地震的荷載工況的時候要對比例系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

中國和美國規(guī)范的荷載組合都是以荷載與荷載效應(yīng)有線性關(guān)系為前提的，且組合形式基本相同僅部分荷載系數(shù)有所差別。中國規(guī)范中可變荷載“荷載分項系數(shù)”均小于美國規(guī)范。中國規(guī)范中考慮地震荷載的組合，其中風(fēng)荷載的組合值系數(shù)，一般結(jié)構(gòu)取0，風(fēng)荷載起控制作用的建筑采用0.28；而美國荷載規(guī)范則明確指出地震作用和風(fēng)荷載可以不同時組合。

3.1.3兩種模型結(jié)果對比分析

（1）柱的內(nèi)力

表4中的中國規(guī)范下“考慮風(fēng)荷載組合”是嚴(yán)格按照抗震規(guī)范的，“不考慮風(fēng)荷載組合”是為了和美國的荷載組合（不考慮風(fēng)荷載）更好地對比，筆者按“考慮風(fēng)荷載組合”中的風(fēng)荷載分項系數(shù)取為0確定的。

由表4窯尾結(jié)構(gòu)柱的內(nèi)力可知，美國規(guī)范下的柱內(nèi)力和中國規(guī)范下“考慮風(fēng)荷載組合”比較差距較小，但總體上美國規(guī)范相對比較大，但是和“不考慮風(fēng)荷載組合”比較，美國規(guī)范下柱的內(nèi)力均比較大。

（2）層間位移及層間位移角

由表5中窯尾結(jié)構(gòu)層間位移及層間位移角可知，中國規(guī)范下最大層間位移角為1/1 861，美國規(guī)范下的最大層間位移角為1/1 107。在同等情況下，美國規(guī)范下的最大層間位移角比中國規(guī)范下的大。

（3）基底剪力

根據(jù)計算，在中國規(guī)范下計算得到的窯尾結(jié)構(gòu)的基底剪力為2 158kN，而使用美國規(guī)范計算的結(jié)果為3 450.73kN。顯然，美國規(guī)范下的基底剪力比同等情況下的中國規(guī)范下的基底剪力大，這與兩模型在層間位移的差距吻合。

4　結(jié)語

對窯尾結(jié)構(gòu)分別在中國規(guī)范和美國規(guī)范下建立模型，并進(jìn)行模態(tài)分析和反應(yīng)譜分析。通過比較發(fā)現(xiàn)：中國規(guī)范下“考慮風(fēng)荷載組合”（GB5011-2010規(guī)定的組合）柱的內(nèi)力和美國規(guī)范對比差距不大，總體上美國規(guī)范下柱的內(nèi)力比較大，但是在“不考慮風(fēng)荷載組合”的時候柱的內(nèi)力均比較小，差距較為明顯。美國規(guī)范下的模型層間位移角和基底剪力均比較大。總的來說，在地震作用計算時，美國規(guī)范有更為嚴(yán)格的規(guī)定。

表4　窯尾結(jié)構(gòu)柱內(nèi)力

表5　窯尾結(jié)構(gòu)層間位移及層間位移角

［1］GB5011-2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［2］GB5009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

［3］JGJ3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

［4］ASCE/SEI 7-10，Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures［S］，2010.

［5］嚴(yán)奉婷.中美抗震設(shè)計規(guī)范地震作用參數(shù)比較和轉(zhuǎn)換［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2012，（27）：84-87.

［6］管娜.中美規(guī)范荷載組合對比［J］.武漢大學(xué)學(xué)報，2012，（45）：343-346.

［7］SAP2000中文版使用指南［S］.北京：人民交通出版社，2012.■

Comparison of Earthquake Action for Kiln Tail Structure between Chinese Code and USA Code

Pan Shujing1，Wang Anyang2，Shen Changjun1，Xue Guangwen2
（1.Tianjin Cement Industry Design&Research Institute Co.，Ltd.Tianjin 300400，China；2.Hubei Key Lab of Road Bridge and Structure Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China）

Two finite element models are established by using SAP2000 software based on the project of kiln tail structure.Difference between Chinese code and USA code is compared through the analysis of earthquake action of two models according to these two codes.The analytical results indicate that seismic fortification goal，seismic design principle，load combination and response spectrum are quite different between two codes.Earthquake shear and story drift in USA code are both bigger than that in Chinese code.

kiln tail structure；earthquake action；load combination；comparison analysis

TU352.11

A

1001-6171（2015）04-0092-04

通訊地址：1天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司，天津300400；2武漢理工大學(xué)道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點實驗室，湖北武漢430070；

2014-11-07；編輯：趙蓮