大型轻质屋盖面内刚度对整体框排架结构的影响分析

魏现昊

(北京市市政工程设计研究总院有限公司 100082)

引言

鼓风机房是再生水厂中常见的建筑物,鼓风机房按功能分区一般由鼓风机间、进风廊道、进风塔构成,由于不同功能分区对空间的需求不同,鼓风机房的各个分区往往采用不同的结构形式组合在一起。鼓风机间跨度较大一般采用排架结构和大型轻质屋面板,进风廊道和进风塔作为附属结构采用框架结构和现浇屋面板,二者侧向连接组合在一起为框排架结构。根据《建筑抗震设计规范(2016年版)》(GB50011 -2010)[1]第3.4.3 节结构规则性分析表明,鼓风机房的结构横向凹进尺寸大于投影方向总尺寸的30%,属于平面不规则(凹凸不规则)。结构边榀为框架结构,中榀为排架结构,且进风塔布置于结构平面纵向两端,以框架结构形式附着于主体结构边榀,增加了整体结构两端的质量和刚度,导致质量和刚度沿结构平面分布不均匀,结构平动-扭转耦联效应[2,3]明显。对此类不规则框排架结构,屋盖系统是平面内约束协调框架和排架结构的重要构件,其平面内刚度必然对整体结构的动力响应特性产生重要影响。

刘大海等[4]对多层厂房差异平移-扭转耦联振动的地震反应进行了分析,得出不同刚度的楼盖在考虑其水平变形时,中间框架的地震内力约为刚性楼盖假定计算结果的120% ～190%。王立军[5]采用空间模型分析了框排架结构的地震反应,认为该类结构的空间作用调整系数较大,不能单纯采用平面结构分析。燕建平[6]根据唐山地震中单层厂房的主要震害经验,认为屋盖的刚度是提高厂房整体抗震能力的关键,在框排架体系中更为明显。从现有资料看,存在许多问题需进行大量分析研究。

因此,结合工程实例建立多种模型,专门研究采用大型轻质屋盖的框排架结构的屋盖面内刚度对整体结构抗震性能的影响具有十分重要的意义。

1 工程概况

以北京地区某再生水厂框排架结构鼓风机房为研究对象,见图1 所示。其建筑平面尺寸45.5m×17.6m,建筑面积800.80m2,建筑高度13.35m,功能分区由鼓风机间、进风廊道和进风塔组成。安全等级二级,设计使用年限50年,抗震设防烈度8 度(0.2g,第二组),抗震设防类别丙类,场地类别Ⅲ类,结构抗震等级二级。

图1 首层平面示意Fig.1 First plan layout

鼓风机间由于工艺设备布置要求纵向无法设置柱间支撑,结构形式为横向边榀框架+横向中榀排架+纵向框架结构,屋面为装配式大型轻质屋面板(无檩屋盖),柱距7.5m,跨度12m,顶标高10.55m; 进风塔为框架结构,现浇混凝土屋面板,附着于主体结构边榀,顶标高10.55m;风道为框架结构,现浇混凝土屋面板,屋面梁与排架柱拉结,顶标高4.60m。

2 相关规定

《建筑抗震设计规范(2016年版)》(GB50011 -2010)附录H.1 对钢筋混凝土框排架结构厂房的计算、构造作了相应规定。H.1.1 要求“当本节未作规定时,其抗震设计应按本规范第6 章和9.1 节的有关规定执行”,即钢筋混凝土框排架结构厂房仍应满足第6 章“多层和高层钢筋混凝土房屋”和第9.1 节“单层钢筋混凝土柱厂房”的相关规定。

《建筑抗震设计规范(2016年版)》(GB50011-2010)附录H.1.8 同时要求“侧向框排架结构的结构布置、地震作用效应调整和抗震验算,以及无檩屋盖和有檩屋盖的支撑布置,应分别符合现行国家标准《构筑物抗震设计规范》(GB50191-2012)[7]的有关规定”。《构筑物抗震设计规范》(GB50191 -2012)第6.5.2 条对无檩屋盖的支撑布置作了详细要求。

3 模型建立

屋面为装配式大型轻质屋面板(无檩屋盖),其面内刚度取决于屋盖横向水平支撑的设置。采用PKPM 结构设计软件(2010 - V4)进行计算分析,按照《构筑物抗震设计规范》(GB50191 -2012)表6.5.2 条对无檩屋盖的支撑布置要求,屋面构件布置如图2 所示。将屋面上弦横向水平支撑布置在纵向两端第一开间建立模型一,屋面上弦横向水平支撑布置在中部两开间建立模型二,全屋面布置上弦横向水平支撑建立模型三,屋盖各构件截面尺寸见表1。

图2 屋盖构件布置简图Fig.2 Roof components layout diagram

表1 构件截面尺寸Tab.1 Section dimensions of components

通过三种模型的对比,分析屋盖系统面内刚度对整体结构的周期、位移、内力响应特性,探究采用大型轻质屋面的屋盖系统平面内刚度差异性对整体结构的影响。

4 计算分析

4.1 考虑屋盖系统结构周期分析

表2 ～表4 为三种模型前12 个振型的周期及振型特征,图3 为三种模型周期对比。

由表2 ～表4 及图3 对比分析表明： (1)由于结构的不规则性以及质量、刚度沿平面分布不均匀,结构平动-扭转耦联效应明显,三种模型前12 个振型中扭转为主的振型数量均占到总振型数量的83%以上。(2)当仅在屋盖局部布置横向水平支撑时(模型一、模型二),结构第二振型即出现扭转振型,周期比分别为0.89、0.88; 当全屋面布置屋盖横向水平支撑时(模型三),扭转振型为第三振型,周期比为0.83。通过全屋面布置屋盖横向水平支撑增强屋面平面内刚度,能显著限制结构的扭转耦联效应,保证前2 个主振型为平动振型。

表2 模型一振型及周期Tab.2 Vibration mode and cycle fo model 1

表3 模型二振型及周期Tab.3 Vibration mode and cycle fo model 2

表4 模型三振型及周期Tab.4 Vibration mode and cycle fo model 3

图3 模型周期对比Fig.3 Cycle contrast of various models

由图3 可知,通过全屋面布置屋盖横向水平支撑增强屋面平面内刚度,能显著降低结构周期,提高结构整体刚度。但应注意结构整体刚度亦不能过大,保证第一振型周期小于场地特征周期0.55s,使地震影响系数位于曲线下降段,不至于因刚度过大导致地震作用增大。且当全屋面布置屋盖横向水平支撑时(模型三),结构前3 振型周期值远大于后续高阶振型周期值,地震作用下有效质量系数集中于低阶平动振型,抑制了结构的扭转效应。

4.2 考虑屋盖系统位移响应分析

表5 为三种模型A 轴7 根柱在Y向地震工况下的柱顶位移,图4 为柱顶位移对比。

表5 柱顶位移表Tab.5 Displacement at column top of various models

图4 柱顶位移对比Fig.5 Contrast of displacement at column top of various models

由表5、图4 分析表明： (1)当仅屋盖局部开间布置横向水平支撑时(模型一、模型二),在多遇地震作用下,柱顶位移数值出现较大离散性,模型一统计数值标准差为9.34,模型二统计数值标准差为9.83。柱顶最大位移位于中柱,最小位于边柱。结构变形呈现明显的“边榀小,中榀大”的特点。(2)当全屋面布置屋盖横向水平支撑时(模型三),在多遇地震作用下,柱顶位移数值趋于一致,统计数值标准差为1.66,远低于前两种模型。结构变形呈现明显的整体平动变形,屋盖的平面内刚度,有效增强了结构的整体性,边榀与中榀体现出较好的协同工作性。

4.3 考虑屋盖系统内力响应分析

表6 为三种模型A 轴7 根柱在Y向地震工况下的柱根内力,图5 为柱根内力对比。

表6 柱根内力表Tab.6 Internal force of column roots of various models

图5 柱根内力对比Fig.5 Stress contrast of column roots of various models

由表6、图5 分析表明： (1)当仅在屋盖局部开间布置屋盖横向水平支撑时(模型一、模型二),在多遇地震作用下,柱根内力数值出现较大离散性,柱根最大内力位于中柱,最小内力位于边柱。结构内力呈现明显的“边榀小,中榀大”的特点。(2)当全屋面布置屋盖横向水平支撑时(模型三),在多遇地震作用下,柱根内力数值趋于一致,内力统计数值的离散性远低于模型一。结构内力呈现明显的整体一致性,屋盖平面内刚度的增大,有效增强了结构的整体性,边榀与中榀体现出较好的协同工作性。

5 结论

1.屋盖系统平面内刚度的增强能降低结构周期,提高结构整体刚度。但应注意结构整体刚度亦不能过大,宜使第一振型周期小于场地特征周期值,使地震影响系数位于曲线下降段,防止刚度过大导致地震作用增强。改善屋盖系统平面内刚度后,地震作用下振型有效质量系数集中于前3 个低阶平动振型,抑制了高阶扭转振型的激励,降低了结构的扭转耦联效应。

2.通过改善屋盖系统平面内刚度,侧向荷载作用下结构变形呈现明显的整体平动变形,面内各构件水平位移数值趋于一致。

3.通过改善屋盖系统平面内刚度,结构内力呈现明显的整体一致性,有效增强了结构的整体性,使框排架结构的边榀与中榀体现出较好的协同工作性。