李永平，姚一丁

(內(nèi)蒙古電力勘測設(shè)計(jì)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

多層排架結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的靜力彈塑性分析

李永平，姚一丁

(內(nèi)蒙古電力勘測設(shè)計(jì)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

目前蘇南地區(qū)出現(xiàn)了大量的多層排架結(jié)構(gòu)廠房，然而國內(nèi)外對這類多層排架結(jié)構(gòu)的抗震性能研究卻很少，這就出現(xiàn)了對該結(jié)構(gòu)的理論研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后實(shí)際工程的情況，所以對多層排架結(jié)構(gòu)廠房在罕遇地震作用下的彈塑性反應(yīng)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文采用Pushover 分析方法，對多層排架結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)模型簡化，得出多層排架結(jié)構(gòu)的彈性及彈塑性層間位移，和在罕遇地震作用下該結(jié)構(gòu)塑性鉸的出現(xiàn)位置及順序等結(jié)果，進(jìn)而對多層排架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工提出建議。

多層排架結(jié)構(gòu)；靜力彈塑性分析；模型簡化；抗震性能。

1 概述

目前，國內(nèi)外對于多層排架結(jié)構(gòu)的抗震性能研究較少，該結(jié)構(gòu)體系所應(yīng)采用的計(jì)算方法、力學(xué)模型以及彈塑性分析等理論研究還都是處于起步階段。我們比較關(guān)心多層排架結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房在多遇地震作用下的總側(cè)移及層間位移角是否滿足彈性極限要求；在罕遇地震作用下，其彈塑性總側(cè)移、層間位移角是否超過彈塑性極限狀態(tài)，找到結(jié)構(gòu)塑性鉸出現(xiàn)的位置及薄弱部位。因此把pushover靜力彈塑性分析方法應(yīng)用到本文研究的多層排架結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房就非常合理。

2 工程實(shí)例

工程：常州市蒸發(fā)器有限公司車間，本建筑為裝配式樓蓋三層排架結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)簡圖與基本數(shù)據(jù)示于圖1。底層每跨各設(shè)15t中級工作制吊車一臺，采用馬鞍形殼板屋蓋，板型號YMB-15-3.0，荷載等級Ⅰ級。樓面板使用雙T型板，板號STB15A-1。雪荷載0.35kN/m2，柱的混凝土強(qiáng)度等級為C30，磚圍護(hù)墻厚240，柱距9m。廠房位于7度Ⅲ類場地，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.1g。計(jì)算排架的橫向地震反應(yīng)。

2.1 模型簡化與建立

本文研究的多層排架結(jié)構(gòu)，其屋面采用馬鞍板與縱向梁連接，馬鞍板與柱頂通過一些預(yù)埋的鋼筋插件連接，其他層采用雙T型板作為樓面板，它通過焊接連接到沿縱向的倒T型梁上。

當(dāng)多層排架結(jié)構(gòu)廠房各樓層的質(zhì)量和構(gòu)件側(cè)移剛度，沿廠房縱向基本上做到對稱和均勻分布時，由于各榀排架各個部位所負(fù)擔(dān)的質(zhì)量引起的水平地震作用，大致相等；各構(gòu)件的側(cè)移剛度又基本相同，地震時各榀排架的振動模式和振動幅值也就大致相同。因此，進(jìn)行廠房的橫向抗震分析時，可以將原來的空間結(jié)構(gòu)簡化為平面結(jié)構(gòu)，取其中的一榀典型排架，進(jìn)行橫向地震作用效應(yīng)計(jì)算。

由于雙T型板和馬鞍板自身的剛度很大，所以本文把雙T型板和馬鞍板視為一個剛度無限大的桿件。本文在建立多層排架結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房力學(xué)模型時，把頂層馬鞍板與柱頂?shù)倪B接視為鉸接，把除頂層之外的其他層雙T型板與柱子連接視為一個介于鉸接和剛接之間的一個連接，并通過一個彈簧來考慮；為考慮雙T型板與沿縱向的倒T型梁之間的相對滑動，本文通過端部的兩個彈簧來考慮。所以本文中的多層排架結(jié)構(gòu)廠房模型見圖1。

2.2 計(jì)算過程

根據(jù)場地類別和設(shè)計(jì)地震分組，本文求結(jié)構(gòu)等效單自由度體系的最大位移時，采用天然波EL-Centro波(時間間隔0.02s)，天津波(時間間隔0.01s)及人工波上海波(時間間隔0.01s)，并根據(jù)當(dāng)?shù)卦O(shè)防烈度7度，將這三條波的加速度峰值調(diào)整為：多遇地震35cm/s2，罕遇地震220cm/s2。用靜力彈塑性方法求解結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)結(jié)果如下。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 彈性和彈塑性層間位移角

由于本論文研究的多層排架結(jié)構(gòu)目前在規(guī)范中還沒有，所以對應(yīng)于該結(jié)構(gòu)在多遇和罕遇地震作用下變形驗(yàn)算中的彈性位移角限值和彈塑性位移角限值，依據(jù)規(guī)范內(nèi)容，本文按照規(guī)范中鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的層間位移角限值規(guī)定取值，即彈性層間位移角限值θe取1/800，彈塑性層間位移角限值取1/50。并且由于雙T型板與縱梁之間的連接線剛度的大小目前尚無實(shí)驗(yàn)結(jié)果可供參考，所以本文就假設(shè)雙T型板與縱梁之間的連接線剛度在一定的范圍內(nèi)變化。圖2、圖3是該多層排架結(jié)構(gòu)在多遇地震和罕遇地震作用下，隨著雙T型板與縱梁的線剛度變化的層間位移值。

本實(shí)例中的多層排架結(jié)構(gòu)總層高為14m，根據(jù)位移角限值可以得出該結(jié)構(gòu)在多遇地震時的最大彈性層間位移為17.5mm，在罕遇地震作用下的最大彈塑性層間位移為280mm。由圖2、圖3可以看出隨著該多層排架結(jié)構(gòu)雙T型板與縱梁連接的剛度的變化，其彈性層間位移和彈塑性層間位移也隨之發(fā)生變化，并且隨著雙T型板與縱梁連接的剛度增大，該多層排架結(jié)構(gòu)的彈性和彈塑性層間位移隨之降低；不同剛度對應(yīng)的層間位移都小于最大彈性和彈塑性層間位移限值，所以可以得出該多層排架結(jié)構(gòu)不論是在多遇地震下，還是在罕遇地震作用下，其變形均滿足規(guī)范要求。

2.3.2 結(jié)構(gòu)的塑性鉸出現(xiàn)位置和順序

通過對多層排架結(jié)構(gòu)進(jìn)行上述的力學(xué)模型簡化，得出結(jié)構(gòu)的剛度矩陣和振動參數(shù)，通過振型分解反應(yīng)譜法，求出結(jié)構(gòu)各個集中質(zhì)量處的總水平剪力，從而求得pushover分析方法中的側(cè)向荷載分布，并將結(jié)構(gòu)推覆到目標(biāo)位移或結(jié)構(gòu)成為機(jī)構(gòu)時為止。將上述過程通過MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)，可以得出在不同雙T板與縱梁連接的剛度下，該多層排架結(jié)構(gòu)的塑性鉸出現(xiàn)的位置和順序見圖4、圖5及圖6。

綜上所述：該多層排架結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的塑性鉸出現(xiàn)位置和順序隨著雙T型板與縱梁之間的連接剛度不同而有很大不同。

當(dāng)雙T型板與縱梁之間的連接剛度比較小的時候，該多層排架結(jié)構(gòu)的第二層左邊跨的各個集中質(zhì)量處依次屈服出現(xiàn)塑性鉸，隨著側(cè)向荷載的增加，一層邊跨的各個集中質(zhì)量處也逐漸屈服出現(xiàn)塑性鉸，從而使結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，這可能是該多層排架結(jié)構(gòu)高階振型作用的結(jié)果；當(dāng)雙T型板與縱梁之間的連接剛度比較大的時候，該多層排架結(jié)構(gòu)的塑性鉸就逐漸從一層邊跨開始，然后再逐漸在二層出現(xiàn)，很快又回到了一層其它跨。

3 結(jié)論

本文主要研究靜力彈性分析方法(Pushover Analysis)在多層排架結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房中的應(yīng)用，將多層排架結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)模型簡化，通過編制MATLAB程序，進(jìn)行數(shù)值分析，主要得出以下結(jié)論：

(1)多層排架結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房在多遇地震作用下的彈性層間位移角，與在罕遇地震作用下的彈塑性層間位移角均滿足彈性層間位移角限值和彈塑性層間位移角限值要求，即該結(jié)構(gòu)能滿足地震作用下的變形要求。

(2)多層排架結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的塑性鉸出現(xiàn)位置和順序隨著雙T型板與縱梁之間的連接剛度不同而有很大不同，這就給我們在結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)生產(chǎn)和加固方面提供了參考，指導(dǎo)我們在實(shí)際的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時要注意雙T板與縱向梁連接剛度對多層排架結(jié)構(gòu)屈服部位的影響。

(3)多層排架結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房中雙T型板與縱梁之間的連接剛度的大小有待進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)探究。

[1]胡錦陽，黃國勝．多層工業(yè)廠房動力特性的有限元分析[J]．國外建材科技，2005，6(26)．

[2]侯爽．結(jié)構(gòu)Pushover分析的側(cè)向分布及高階振型影響[J]．世界工程與工程振動，2004，24(3)．

[3]張培新．鋼筋混凝土抗震結(jié)構(gòu)非線性分析(第一版)[M]．北京：科學(xué)出版社，2003．

[4]劉大海，楊翠如．廠房抗震設(shè)計(jì)[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997．

[4]徐趙東，郭迎慶．MATLAB語言在建筑抗震工程中的應(yīng)用[M]．北京：科學(xué)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，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，碩士。