摘要:地震作用是建筑抗震设计的重要环节之一,是确定所设计的结构是否满足最低抗震设防安全要求的关键步骤。本文主要研究电厂主厂房框架结构的纵向抗震。
关键词:电厂主厂房框架结构纵向抗震
1. 纵向抗震分析的特点
从我国建筑抗震设计规范的演变,可以看出GB50011-2001规范突出了厂房整体抗震能力的提高,考虑了屋盖变形对厂房地震作用的影响,采用了空间力学计算模型,提出了厂房纵向柱列地震作用的计算原则与方法。在火力电厂主厂房中框排架结构体系是主要的结构形式。这种框排架结构体系常见的结构形式如图1。这种结构横向受力性能很好,但在纵向受力特别是纵向水平地震作用时,存在如下问题:
(1)由于纵向侧移刚度分布不均匀,以及存在高低跨柱,在纵向地面平动分量作用下,不仅存在纵向平动,也将出现扭转振动。
1)通过分析比较得出,在排架厂房纵向整体分析中,屋盖变形的因素比扭转的因素更重要,考虑到排架上柱为抗震之薄弱环节,故在计算排架柱之抗震作用时,在上柱应考虑扭转效应。
2)现行抗震规范中,对框架结构平动扭转耦联不对称结构地震作用力的计算,给出了考虑扭转的地震作用效应公式。框排架结构体系中,可按整体计算刚心和质心,以求得框架柱的扭转效应增大系数ηb。
(2)框排架结构中,由于框架、排架共存,厂房纵向自振特性及水平地震作用在各柱列之间的分布变得复杂起来。通过具体分析其纵向抗侧力构件,可以找出其共同点:
1)排架结构纵向分析中,柱列虽由柱、柱间支撑和围护墙组成,但支撑和墙的刚度占柱列刚度的90%以上,它们均是剪切型构件,柱列可按剪切杆对待。故其纵向变形以剪切变形为主。
2)对于框架结构厂房,由于楼面荷载大、层数较少、梁的截面尺寸相对较大。因而多属“强粱弱柱型”框架,其变形大多呈剪切变形。可以按照剪切构件的方式来确定框架的楼层侧移刚度系数。
(3)根据现行建筑抗震设计规范GB50011-2001中“抗震概念设计”的原理,对于不同结构类型相连之结构受力复杂,各部位的动力特征不一致,应考虑其相互影响,故框排架结构中的各构件特别是中柱,应考虑框排架结构的相互影响,以η表示。
综合以上分析以及现行建筑抗震设计规范,框排架结构纵向地震作用之计算简图应为“串并联多质点体系”。由于纵向水平地震作用在各柱列之间的分布复杂,采用较简单的“修正柱列法”或“修正刚度法”都不能逼近空间分析结果。然而“能量原理”的适用面很广,即恰当地确定作用于各柱列的有效质量,运用能量法的原理,可近似地求得厂房的基本周期和地震作用。然后,用能量法公式确定整个厂房的振动周期,并单按独柱列分别计算出各个柱列的水平地震作用。同时考虑排架、框架本身的扭转及两种结构之相互影响。
2. 纵向剪扭振动分析的拟能量法
(1)质量集中
1)排架边柱列:把质量全部集小到柱顶。
Gl=0.5G0十0.5Gwt十0.7Gwl十1.0(Gf十0.5Gsn。十0.5Gd)
式中G0、Gwt、Gwl、Gb、Gf、Gsn、Gd分别为柱、山墙、纵墙(底层窗间墙半高以上)、吊车梁、屋盖、雪、屋面积灰的重力荷载标准值。
2)框架柱:整个厂房分层集中到各层楼盖高度处的重力荷载标准值,并进行高度修正。
在排架屋面高度处,中柱列应加排架屋面重力荷载。
(2)计算柱列侧移刚度
1)排架边柱列:为纵向砖墙、钢柱间支撑、钢筋混凝土柱之侧移刚度之和
K=Kb十Kw十Kc=1.1Kb十ηwKw
式中:Kb、Kw分别为柱间支撑和砖墙之侧移刚度;
ηw:有效刚度系数,7度、8度、9度分别为0.6、0.4、0.2。
根据机械工业部设计研究总院及机械工业部第一设计研究院有关单层厂房的整体抗震性能的试验研究,得出纵向柱列刚度为1.1Kb。
2)框架柱列:框架梁、柱之纵向侧移刚度之和。
由于框架厂房(低层)多为“强梁弱柱体系”,梁的弯曲变形很小。节点的转动对层间侧移的影响很小,故框架侧移刚度可仅为框架柱之纵向侧移刚度之和。
(3)根据能量平衡原理,求得厂房纵向基本周期公式
式中:i为总质点序号;
ΨT是拟能量法周期修正系数,7度、8度时取0.85;9度时取0.9:Gi为第i质点的重量(修正后)。
(4)求得柱列之水平地震作用
1)排架边柱列之水平地震作用
式中α1是相应于结构基本周期下的水平地震影响系数α值(见规范);
ηy:结构影响系数,取1.1。
上柱水平地震作用乘以1.1,以考虑排架屋盖之扭转影响。
2)框架柱列之水平地震作用
式中:
δn是根据规范取值(多质点的顶点附加地震作用系数);
ηt为扭转效应增大系数;
ηy为结构影响系数,中柱取1.3,边柱取1.2。
从唐山地震中单层厂房的主要震害经验可知,屋盖的整体刚度是提高厂房整体抗震能力的关键。在框排架结构中更为明显。因此,在框排架结构体系中,排架部分采用空间性能较好的屋盖体系如网架屋盖,对提高结构整体抗震能力很有意义。
参考文献:
[1]李红志. 某建筑物增层改造前的抗震分析[J]. 安徽建筑 , 2005,(01)
[2]王剑.上海东苑古龙城3号楼结构抗震分析[J]. 山西建筑 , 2005,(06)