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        某高烈度地區(qū)基礎(chǔ)隔震醫(yī)院建筑鋼結(jié)構(gòu)屋架分析與設(shè)計

        2022-06-08 00:54:02張興楊京華陰偉華崔宇強
        關(guān)鍵詞:屋架醫(yī)技桿件

        張興 楊京華 陰偉華 崔宇強

        中國中元國際工程有限公司 北京 100089

        1 工程概況

        某高烈度地區(qū)采用隔震設(shè)計的醫(yī)院建筑異地新建項目位于甘肅省蘭州市,建筑面積144544m2,主要建設(shè)內(nèi)容為門診醫(yī)技樓、綜合病房樓等。

        建筑方案通過南北貫通的主街,方正的庭院單元,高低錯落的建筑體量,體現(xiàn)設(shè)計理念,見圖1建筑效果圖。

        圖1 建筑效果圖

        其中,綜合病房樓地上14層,采用框架-抗震墻結(jié)構(gòu);門診醫(yī)技樓地上4層,采用框架結(jié)構(gòu)。

        2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

        2.1 整體分析

        根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標準》(GB 50223-2008),本工程為重點設(shè)防類防災(zāi)救災(zāi)建筑。根據(jù)甘肅省住建設(shè)廳關(guān)于轉(zhuǎn)發(fā)《住房城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于房屋建筑工程推廣應(yīng)用減隔震技術(shù)的若干意見(暫行)》、《進一步做好我省減震隔震技術(shù)推廣應(yīng)用工作的通知》(甘建設(shè)〔2014〕260號),對抗震設(shè)防烈度8度及以上的地震高烈度地區(qū)及地震災(zāi)后重建的4至12層學校教學樓、學生宿舍、醫(yī)院醫(yī)療用房、幼兒園等人員密集公共建筑,要求必須采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)進行設(shè)計,以提高此類建筑的抗大震能力,減少人員損失和提高抗震應(yīng)急水平。

        根據(jù)《工程場地地震安全性評價報告》,本工程抗震設(shè)防參數(shù)見 表1抗震設(shè)防參數(shù)。

        表1 抗震設(shè)防參數(shù)

        經(jīng)分析,按抗震設(shè)防烈度為8度,設(shè)計地震分組為第三組,場地類別為Ⅱ類進行設(shè)計。門診醫(yī)技樓采用基礎(chǔ)隔震技術(shù),自隔震層樓板頂計算結(jié)構(gòu)高度18.6+2.19=20.79m,寬96.6m,高寬比0.21。

        鋼結(jié)構(gòu)屋架主要位于門診醫(yī)技樓屋頂,長度約116m,典型寬度17.3m,最大寬度46.9m;入口立柱之間無支撐跨度27.3m,門診大廳處無支撐跨度19.2m。鋼屋架平面、立面示意圖,見圖2鋼屋架平面示意圖、圖3鋼屋架立面示意圖。

        圖2 鋼屋架平面示意圖

        圖3 鋼屋架立面示意圖

        根據(jù)建筑造型要求,鋼結(jié)構(gòu)屋架呈飄帶狀,將門診醫(yī)技樓醫(yī)療主街采光頂與入口雨棚連為整體。為展現(xiàn)輕盈、完整的建筑效果,結(jié)構(gòu)采用平板網(wǎng)殼形式,同時,為節(jié)省造價、降低施工難度,桿件采用熱軋或焊接H型鋼。

        根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010)(2016年版)、《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ7-2010) 及《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》(GB50017-2017)等要求,空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)分析時應(yīng)考慮網(wǎng)格結(jié)構(gòu)與下部支承結(jié)構(gòu)的相互影響。初步分析時,采用YJK結(jié)構(gòu)計算軟件建立整體三維模型進行彈性分析,鋼結(jié)構(gòu)屋架與下部混凝土結(jié)構(gòu)的連接采用鉸支座連接,僅約束3個方向平動自由度,釋放節(jié)點的轉(zhuǎn)動自由度,便于控制連接桿件的截面尺寸,更有利于減小鋼結(jié)構(gòu)屋架對主體結(jié)構(gòu)的影響,見圖4結(jié)構(gòu)yjk三維模型示意圖[1][3]。

        圖4 結(jié)構(gòu)yjk三維模型示意圖

        圖5 第二階振型(Y方向)示意圖

        圖6 第七階振型(Y方向)示意圖模型建立

        通過合理布置隔震支座,隔震后的上部結(jié)構(gòu)自振周期(前3階振型)是隔震前的約3.3倍。由此可見,結(jié)構(gòu)設(shè)置隔震層,可有效降低地震發(fā)生時上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。根據(jù)《抗規(guī)》第12.2.5條,確定隔震后水平地震影響系數(shù)最大值αmax1 =βαmax/ψ= 0.201*0.21/0.85=0.0497。按“降一度”的目標進行設(shè)計,綜合確定隔震后上部結(jié)構(gòu)采用的水平地震影響系數(shù)最大值αmax= 0.105。隔震層以上結(jié)構(gòu),隔震前、后的層間剪力比值的平均值最大值為0.201,結(jié)構(gòu)整體振動周期及振型情況,如表2隔震前、后周期對比所示[2]。

        表2 隔震前、后周期對比

        由于結(jié)構(gòu)下部設(shè)置了隔震層,其層間剪切剛度小于上部結(jié)構(gòu);并且,鋼結(jié)構(gòu)屋架整體質(zhì)量遠小于一般樓層(Mgi/Mgi-1=0.06,Mqi/Mqi-1=0.09),結(jié)構(gòu)前3階振型整體表現(xiàn)為“平、平、扭”,自第7階振型開始,鋼屋架產(chǎn)生局部振動。在地震作用下,鋼結(jié)構(gòu)屋架與主體結(jié)構(gòu)之間的相互影響較小,主要用于評估結(jié)構(gòu)整體的地震響應(yīng)及鋼屋架對下部混凝土結(jié)構(gòu)的影響。為較為準確的計算分析鋼結(jié)構(gòu)屋架,采用其他軟件建立獨立的鋼結(jié)構(gòu)模型進行對比分析。

        2.2 鋼屋架計算分析

        采用3D3S、SAUSAGE進行補充分析。比較YJK、3D3S和Sausage計算的結(jié)構(gòu)質(zhì)量及跨中A點位移,見下表所示。位移值與網(wǎng)殼的最大跨度比為1/466,滿足《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ7-2010中1/400的要求。結(jié)構(gòu)質(zhì)量及位移差值均<5%,表明結(jié)構(gòu)模型中荷載及相關(guān)計算條件的是基本一致。

        表3 YJK、3D3S、sausage質(zhì)量、位移對比

        圖7 YJK整體模型樓層質(zhì)量比與樓層剪切剛度比

        圖8 不同軟件位移計算結(jié)果

        2.3 設(shè)計驗算結(jié)果

        根據(jù)計算分析模型,進行規(guī)范檢驗,檢驗結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)能夠滿足承載力計算要求,應(yīng)力比最大值小于0.90。

        圖9 桿件“應(yīng)力比”三維示意圖

        圖10 桿件“應(yīng)力比”分布圖

        根據(jù)計算結(jié)果,鋼結(jié)構(gòu)屋架頂面與正立面相交位置節(jié)點應(yīng)力比較大(0.90),選取其進行有限元分析。

        圖11 節(jié)點位置頂面示意圖

        圖12 節(jié)點位置立面示意圖

        2.4 節(jié)點分析

        采用ABAQUS驗算鋼結(jié)構(gòu)屋面中的典型節(jié)點。根據(jù)3D3S計算結(jié)果,鋼結(jié)構(gòu)屋架頂面與正立面相交位置節(jié)點應(yīng)力比較大,故選取其進行有限元分析,見下圖,其中鋼梁為H型鋼,鋼柱為圓形鋼管。鋼材均采用Q355B。

        最大荷載組合下,節(jié)點應(yīng)力分布圖如下各圖。最大應(yīng)力均小于Q355鋼材的屈服應(yīng)力。最大荷載組合下,鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點區(qū)域均處于彈性工作狀態(tài),滿足設(shè)計要求。最大荷載組合作用下,節(jié)點區(qū)域應(yīng)力最大值為248MPa,小于Q355鋼材的屈服應(yīng)力。

        圖13 典型節(jié)點有限元分析及結(jié)果

        2.5 整體穩(wěn)定性分析

        在重力荷載代表值組合下(1.0恒+0.5活),僅考慮構(gòu)件初始缺陷的情況,Sausage計算得到的屈曲因子ηcr為37.06>安全系數(shù)K=4.2,滿足《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》4.3.4中的相關(guān)規(guī)定。

        根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》中公式5.1.6-2,二階效應(yīng)系數(shù)為0.027<0.1,滿足規(guī)范要求,即可對鋼屋架采用一階彈性分析方法進行計算[4]。

        圖14 整體穩(wěn)定性分析計算結(jié)果

        選取重力加載工況(1.0恒+1.0活)豎向位移最大位置166號節(jié)點,顯示荷載位移曲線,荷載與初始荷載的比值約為8>安全系數(shù)K=2,滿足《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》4.3.4中的相關(guān)規(guī)定[5]。

        2.6 抗連續(xù)倒塌設(shè)計

        圖15 支撐構(gòu)件立面示意圖

        對于鋼屋架中與主體結(jié)構(gòu)驗算中的關(guān)鍵桿件,考慮其可能失效對鋼結(jié)構(gòu)屋架的影響,故刪除鋼結(jié)構(gòu)屋架與主體結(jié)構(gòu)連接桿,鋼屋架在標準組合(1.0恒+1.0活)下的變形如圖 16 所示:

        圖16 刪除關(guān)鍵桿件位移與桿件應(yīng)力結(jié)果三維示意圖

        鋼屋架的豎向位移為81.78mm,位移值與網(wǎng)殼的最大跨度比為1/573,滿足《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ7-2010中1/400的要求;最大應(yīng)力比0.95<1.0,即去掉約束后結(jié)構(gòu)滿足抗連續(xù)防倒塌設(shè)計。

        3 結(jié)論

        (1)針對某高烈度地區(qū)采用隔震設(shè)計的醫(yī)院建筑門診醫(yī)技樓及鋼屋架建立整體分析模型。經(jīng)比較,由于門診醫(yī)技樓下部設(shè)置隔震層,且頂部鋼結(jié)構(gòu)屋架整體質(zhì)量遠小于一般樓層,與主體結(jié)構(gòu)之間的相互影響較小,因此建立獨立的鋼模型進行分析。

        (2)選取鋼結(jié)構(gòu)屋架頂面與正立面相交位置節(jié)點應(yīng)力比較大(0.90)位置采用ABAQUS進行有限元分析,節(jié)點區(qū)域構(gòu)件均處于彈性工作狀態(tài),滿足設(shè)計要求。

        (3)在重力荷載代表值組合下(1.0恒+0.5活),僅考慮構(gòu)件初始缺陷的情況,Sausage計算得到的屈曲因子ηcr為37.06>安全系數(shù)K=4.2,可對鋼屋架采用一階彈性分析方法進行計算。

        (4)按最低階整體屈曲模態(tài)考慮結(jié)構(gòu)整體初始幾何缺陷(L/300),荷載與初始荷載的比值為8>安全系數(shù)K=2,滿足《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》4.3.4中的相關(guān)規(guī)定。

        (5)考慮鋼屋架與主體結(jié)構(gòu)連接的關(guān)鍵桿件失效的情況,鋼屋架的豎向位移為81.78mm,1/573<1/400,滿足《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ7-2010的要求,去掉約束后結(jié)構(gòu)滿足連續(xù)防倒塌設(shè)計。

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