地震模擬振動臺實驗室結(jié)構(gòu)設(shè)計淺析

桑永良 張雪蓮

（江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 214153）

1 工程概況

擬建工程場地位于蘇州高新區(qū)濱河路西側(cè)、何山路南側(cè)，蘇州科技學(xué)院江楓校區(qū)內(nèi)，±0.000對應(yīng)的八五高程為2.900m。本工程為地震模擬振動臺的實驗室，建筑總面積約4201.69平方米。其中三層附屬用房高度為10.5米，平面尺寸為60.0米×7.4米，橫向為7.5米×8跨，與實驗大廳連為一體；一層試驗大廳高度為23.9米、平面尺寸為75.2米×36.0米，縱向為10跨，兩端跨為7.6米，中間跨為7.5米，排架柱在附房樓層標(biāo)高處、15.4米處及屋面處由框架梁連接；橫向即為排架方向，中間跨柱在屋面由鋼梁連接，同時在15.4米處設(shè)置牛腿，上有吊車梁，承載兩臺吊車，分別為75噸和30噸；兩端抗風(fēng)柱在附房樓層標(biāo)高、15.4米處及屋面處由框架梁連接，另有一層配電房高度4.8米，與實驗室主體脫開。實驗室內(nèi)部為震動臺，設(shè)置在地下-5.770米標(biāo)高處，四周由隔振溝將震動臺與周邊土體隔開。下圖是建筑的平面和剖面圖：

結(jié)構(gòu)二層平面布置圖

框排架計算簡圖

2 設(shè)計過程及計算結(jié)果

該項目位于蘇州市高新區(qū)，本地區(qū)抗震設(shè)防烈度為 6度，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，主體設(shè)計使用年限為 50年，根據(jù)《建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》[4]（GB 50223-2008），建筑抗震設(shè)防類別按丙類，設(shè)計基本地震加速度值為 0.05g，設(shè)計地震分組是第一組，建筑場地類別為Ⅲ類，特征周期0.45s。由于內(nèi)部有地震模擬振動臺，工作時產(chǎn)生的振動效應(yīng)會對建筑本身及周邊建筑造成影響，故該建筑的設(shè)防要求需慎重考慮，根據(jù)《液壓振動臺基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》(GB 50699-2011)及同濟(jì)大學(xué)、東南大學(xué)專家組的意見，本工程宜按 8度抗震設(shè)防設(shè)計；依據(jù)試驗大廳使用特點按如下條件進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計：(1) 參數(shù)方面（總信息、周期、位移），本實驗大廳建筑抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為7度，地震影響系數(shù)αmax=0.08，特征周期0.45s。其中混凝土框架和排架柱抗震等級為（提高至）二級；鋼梁抗震等級為（提高至）三級）；(2) 結(jié)構(gòu)配筋方面，考慮實驗大廳使用特點，抗震設(shè)防烈度為 7度，地震影響系數(shù) αmax=0.23，特征周期0.45s，即按7度中震彈性性能化設(shè)計；(3)本實驗大廳為較規(guī)則的輕鋼屋面框排架結(jié)構(gòu)，排架部分按平面排架設(shè)計；采用參數(shù),抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計地震分組為第一組，特征周期0.45s，考慮水平和豎向地震作用；其中混凝土框架和排架柱抗震等級為二級；鋼梁抗震等級為三級復(fù)核位移及配筋。

設(shè)計時為減小設(shè)計工作量，施工圖前期對兩種抗震情況進(jìn)行比較，因為 8度小震不屈服的地震影響系數(shù)為0.16，而7度中震彈性的地震影響系數(shù)為0.23，所以預(yù)估7度中震彈性的計算結(jié)果較大，而后整體建模進(jìn)行試算。

從計算結(jié)果看出，7度中震彈性時二層③軸、④軸上梁在?端負(fù)彎矩處配筋計算值為分別為16和25，而8度小震在對應(yīng)梁兩個位置12和18，比較其它位置及其余層均有7度中震彈性計算結(jié)果大于8度小震的結(jié)果，與預(yù)判一致，所以在施工圖期間采用前者計算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計，這樣減小了工作量又保證了結(jié)構(gòu)的安全可靠的性能。

在結(jié)構(gòu)形式包絡(luò)設(shè)計上，考慮到該工程結(jié)構(gòu)空曠，跨度大，在樓層中間無結(jié)構(gòu)聯(lián)接，屋面又是鋼結(jié)構(gòu)連接較為薄弱，所以結(jié)構(gòu)整體性較差，故對實驗室整個設(shè)計過程分為兩個步驟：第一步按照排架結(jié)構(gòu)（PK）計算，其中包括：1、對實驗大廳單獨排架建模計算，2、對附房單獨排架建模計算，3、對實驗大廳及附屬用房聯(lián)合建模計算，比較以上三個排架模型的計算結(jié)果取大值。第二步對整個框排架結(jié)構(gòu)，按照空間模型建模(SATWE)計算，得出縱向框架梁及抗風(fēng)柱間的混凝土梁進(jìn)行配筋。根據(jù)以上排架和框架兩種計算結(jié)果包絡(luò)設(shè)計。

在第一步設(shè)計時，由于橫向跨度較大，為控制排架柱頂?shù)奈灰疲鑼⒅龃螅@樣會增大結(jié)構(gòu)自重及材料費用，對結(jié)構(gòu)合理性及經(jīng)濟(jì)性都不好，故將排架柱設(shè)計成雙柱，中間用混凝土梁連接，這樣即減輕了結(jié)構(gòu)的自重又增大了排架柱的側(cè)移剛度，且在兩柱間空隙可以設(shè)置平臺用作走道檢修。現(xiàn)將第一步的三個排架的計算結(jié)果表述如下：實驗大廳排架外側(cè)柱底配筋最大值為 1928mm2，附房排架模型外側(cè)柱底配筋為1786mm2，大廳與附房聯(lián)合排架模型外側(cè)柱底配筋為1574mm2，從以上計算結(jié)果看出，大廳與附房聯(lián)合時柱底計算配筋均小于兩個分開的模型，這是由于聯(lián)合模型增加了結(jié)構(gòu)的贅余度，同時也增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體效應(yīng)，柱底計算彎矩結(jié)果小于單個模型結(jié)果，配筋值也相應(yīng)減小。因此，如果按照整體建模則不能發(fā)現(xiàn)單個模型的問題，故按照上面三種情況先對PK模型進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性。而后按照整體空間模型，用SATWE計算，結(jié)果顯示，中間榀柱單邊配筋為 1700 mm2，小于排架包絡(luò)的計算結(jié)果，建筑端榀柱單邊配筋為 3300 mm2，大于排架包絡(luò)的計算結(jié)果，按照包絡(luò)設(shè)計思想，對中間榀柱單邊按照PK計算結(jié)果，對端榀柱單邊按照SATWE計算結(jié)果。

在雙柱中間設(shè)置的框架梁由于會受到水平荷載作用，且該梁跨高比較小，該梁受力狀態(tài)已不能完全按照一般框架梁配筋，需對該梁配置斜向鋼筋，具體如下詳圖；在計算時，由于抗風(fēng)柱截面較寬（第一層為900mm，以上各層為800mm寬），梁寬為 250mm，梁邊與柱外邊齊，梁偏心超出柱寬的四分之一，所以需對梁與柱交界處進(jìn)行加腋處理，而中間橫梁處需要斜向鋼筋加強(qiáng)，以保證橫梁的安全性。

3 結(jié)論和建議

1、設(shè)計工作中所遇到各種情況，在沒有針對性理論和直接解決辦法時，可采取包絡(luò)設(shè)計的方法，既對工程的各種情況逐一考慮，既考慮到局部連接失效的情況，又考慮到整體連接有效的情況，保證建筑物在各種情況下都具有抵抗地震的能力和足夠的安全儲備；

2、對于工作中對建筑物本身產(chǎn)生地震影響的情況，建議邀請該方面的專家組對抗震烈度及相關(guān)措施給出建議，保證建筑的結(jié)構(gòu)的安全性、合理性和經(jīng)濟(jì)性。