多层排架结构工业厂房的静力弹塑性分析

李永平，姚一丁

(内蒙古电力勘测设计院，内蒙古 呼和浩特 010020)

多层排架结构工业厂房的静力弹塑性分析

李永平，姚一丁

(内蒙古电力勘测设计院，内蒙古 呼和浩特 010020)

目前苏南地区出现了大量的多层排架结构厂房，然而国内外对这类多层排架结构的抗震性能研究却很少，这就出现了对该结构的理论研究远远落后实际工程的情况，所以对多层排架结构厂房在罕遇地震作用下的弹塑性反应研究具有重要的现实意义。本文采用Pushover 分析方法，对多层排架结构进行力学模型简化，得出多层排架结构的弹性及弹塑性层间位移，和在罕遇地震作用下该结构塑性铰的出现位置及顺序等结果，进而对多层排架结构的设计和施工提出建议。

多层排架结构；静力弹塑性分析；模型简化；抗震性能。

1 概述

目前，国内外对于多层排架结构的抗震性能研究较少，该结构体系所应采用的计算方法、力学模型以及弹塑性分析等理论研究还都是处于起步阶段。我们比较关心多层排架结构工业厂房在多遇地震作用下的总侧移及层间位移角是否满足弹性极限要求；在罕遇地震作用下，其弹塑性总侧移、层间位移角是否超过弹塑性极限状态，找到结构塑性铰出现的位置及薄弱部位。因此把pushover静力弹塑性分析方法应用到本文研究的多层排架结构工业厂房就非常合理。

2 工程实例

工程：常州市蒸发器有限公司车间，本建筑为装配式楼盖三层排架结构。其结构简图与基本数据示于图1。底层每跨各设15t中级工作制吊车一台，采用马鞍形壳板屋盖，板型号YMB-15-3.0，荷载等级Ⅰ级。楼面板使用双T型板，板号STB15A-1。雪荷载0.35kN/m2，柱的混凝土强度等级为C30，砖围护墙厚240，柱距9m。厂房位于7度Ⅲ类场地，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.1g。计算排架的横向地震反应。

2.1 模型简化与建立

本文研究的多层排架结构，其屋面采用马鞍板与纵向梁连接，马鞍板与柱顶通过一些预埋的钢筋插件连接，其他层采用双T型板作为楼面板，它通过焊接连接到沿纵向的倒T型梁上。

当多层排架结构厂房各楼层的质量和构件侧移刚度，沿厂房纵向基本上做到对称和均匀分布时，由于各榀排架各个部位所负担的质量引起的水平地震作用，大致相等；各构件的侧移刚度又基本相同，地震时各榀排架的振动模式和振动幅值也就大致相同。因此，进行厂房的横向抗震分析时，可以将原来的空间结构简化为平面结构，取其中的一榀典型排架，进行横向地震作用效应计算。

由于双T型板和马鞍板自身的刚度很大，所以本文把双T型板和马鞍板视为一个刚度无限大的杆件。本文在建立多层排架结构工业厂房力学模型时，把顶层马鞍板与柱顶的连接视为铰接，把除顶层之外的其他层双T型板与柱子连接视为一个介于铰接和刚接之间的一个连接，并通过一个弹簧来考虑；为考虑双T型板与沿纵向的倒T型梁之间的相对滑动，本文通过端部的两个弹簧来考虑。所以本文中的多层排架结构厂房模型见图1。

2.2 计算过程

根据场地类别和设计地震分组，本文求结构等效单自由度体系的最大位移时，采用天然波EL-Centro波(时间间隔0.02s)，天津波(时间间隔0.01s)及人工波上海波(时间间隔0.01s)，并根据当地设防烈度7度，将这三条波的加速度峰值调整为：多遇地震35cm/s2，罕遇地震220cm/s2。用静力弹塑性方法求解结构地震反应结果如下。

2.3 结果分析

2.3.1 弹性和弹塑性层间位移角

由于本论文研究的多层排架结构目前在规范中还没有，所以对应于该结构在多遇和罕遇地震作用下变形验算中的弹性位移角限值和弹塑性位移角限值，依据规范内容，本文按照规范中钢筋混凝土框架结构的层间位移角限值规定取值，即弹性层间位移角限值θe取1/800，弹塑性层间位移角限值取1/50。并且由于双T型板与纵梁之间的连接线刚度的大小目前尚无实验结果可供参考，所以本文就假设双T型板与纵梁之间的连接线刚度在一定的范围内变化。图2、图3是该多层排架结构在多遇地震和罕遇地震作用下，随着双T型板与纵梁的线刚度变化的层间位移值。

本实例中的多层排架结构总层高为14m，根据位移角限值可以得出该结构在多遇地震时的最大弹性层间位移为17.5mm，在罕遇地震作用下的最大弹塑性层间位移为280mm。由图2、图3可以看出随着该多层排架结构双T型板与纵梁连接的刚度的变化，其弹性层间位移和弹塑性层间位移也随之发生变化，并且随着双T型板与纵梁连接的刚度增大，该多层排架结构的弹性和弹塑性层间位移随之降低；不同刚度对应的层间位移都小于最大弹性和弹塑性层间位移限值，所以可以得出该多层排架结构不论是在多遇地震下，还是在罕遇地震作用下，其变形均满足规范要求。

2.3.2 结构的塑性铰出现位置和顺序

通过对多层排架结构进行上述的力学模型简化，得出结构的刚度矩阵和振动参数，通过振型分解反应谱法，求出结构各个集中质量处的总水平剪力，从而求得pushover分析方法中的侧向荷载分布，并将结构推覆到目标位移或结构成为机构时为止。将上述过程通过MATLAB程序实现，可以得出在不同双T板与纵梁连接的刚度下，该多层排架结构的塑性铰出现的位置和顺序见图4、图5及图6。

综上所述：该多层排架结构在罕遇地震作用下，结构的塑性铰出现位置和顺序随着双T型板与纵梁之间的连接刚度不同而有很大不同。

当双T型板与纵梁之间的连接刚度比较小的时候，该多层排架结构的第二层左边跨的各个集中质量处依次屈服出现塑性铰，随着侧向荷载的增加，一层边跨的各个集中质量处也逐渐屈服出现塑性铰，从而使结构发生破坏，这可能是该多层排架结构高阶振型作用的结果；当双T型板与纵梁之间的连接刚度比较大的时候，该多层排架结构的塑性铰就逐渐从一层边跨开始，然后再逐渐在二层出现，很快又回到了一层其它跨。

3 结论

本文主要研究静力弹性分析方法(Pushover Analysis)在多层排架结构工业厂房中的应用，将多层排架结构进行力学模型简化，通过编制MATLAB程序，进行数值分析，主要得出以下结论：

(1)多层排架结构工业厂房在多遇地震作用下的弹性层间位移角，与在罕遇地震作用下的弹塑性层间位移角均满足弹性层间位移角限值和弹塑性层间位移角限值要求，即该结构能满足地震作用下的变形要求。

(2)多层排架结构在罕遇地震作用下，结构的塑性铰出现位置和顺序随着双T型板与纵梁之间的连接刚度不同而有很大不同，这就给我们在结构构件的设计生产和加固方面提供了参考，指导我们在实际的结构设计时要注意双T板与纵向梁连接刚度对多层排架结构屈服部位的影响。

(3)多层排架结构工业厂房中双T型板与纵梁之间的连接刚度的大小有待进一步通过实验探究。

[1]胡锦阳，黄国胜．多层工业厂房动力特性的有限元分析[J]．国外建材科技，2005，6(26)．

[2]侯爽．结构Pushover分析的侧向分布及高阶振型影响[J]．世界工程与工程振动，2004，24(3)．

[3]张培新．钢筋混凝土抗震结构非线性分析(第一版)[M]．北京：科学出版社，2003．

[4]刘大海，杨翠如．厂房抗震设计[M]．北京：中国建筑工业出版社，1997．

[4]徐赵东，郭迎庆．MATLAB语言在建筑抗震工程中的应用[M]．北京：科学出版社，2004．

Analysis on Pushover Analysis Method for Multi-storey Bent Industrial Structure

LI Yong-ping, YAO Yi-ding
(Inner Mongolia Electrical Power Design and Explore Institute, Hhot 010020, China)

Recently there are a great mount of multi-storey industrial plants built in the south of Jiangsu province. We have done a lot of work in the single-storey industrial plant until now, but there are few theoretical achievements in this multi-storey bent structure industrial plant, the seismic behavior in especial. The theoretical research falls far behind the practical engineering. Therefore, there are great theoretical and practical signi fi cance in the analysis for the elasticplastic behavior of multi-storey industrial plants built by bent structure under the action of the rarely earthquake. In this thesis, we use the Pushover Analysis method in order to research on the seismic behavior of the multi-storey bent structure. Simplifying the mechanical model of the multi-storey bent structure to get the displacement between stories and the locations and the order of the plastic hinges for the multi-storey bent structure in order to bring forw

multi-storey bent structure; static elastic-plastic analysis; model simplifying; seismic behavior.

TU271.1

B

1671-9913(2011)03-0037-04

2011-01-28

李永平(1986- )，男，内蒙古鄂尔多斯人，硕士。