帶夾層結(jié)構(gòu)輕鋼大跨結(jié)構(gòu)抗震性能數(shù)值分析

王占江 周雪暉

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)廠房的日益復(fù)雜化，在一個(gè)廠區(qū)內(nèi)往往會將生產(chǎn)線和辦公區(qū)，甚至生活設(shè)施等都集中在一起，廠房向大型化、多功能化發(fā)展。這些辦公和生活設(shè)施層高較低，很少會達(dá)到廠房高度，就形成了輕鋼廠房內(nèi)部的夾層結(jié)構(gòu)。當(dāng)夾層結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)不是完全分離的，那么在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析過程中就要考慮夾層對廠房主體結(jié)構(gòu)受力性能的影響。此外，由于廠房主體結(jié)構(gòu)一般為輕鋼結(jié)構(gòu)，而夾層結(jié)構(gòu)通常為采用組合樓板的普通鋼結(jié)構(gòu)。

目前常見的帶夾層輕鋼結(jié)構(gòu)主要包括以下幾類:立體庫工程[4，5]，貨場庫房[6]，汽車展廳[7，8]，輕鋼平臺結(jié)構(gòu)[9]等等。在設(shè)計(jì)過程中，往往存在下列問題[10，11]:1)設(shè)計(jì)過程中構(gòu)件計(jì)算長度取值的問題;2)夾層結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)之間連接節(jié)點(diǎn)問題;3)結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)規(guī)范選用問題;4)高低跨連接部位以及抗風(fēng)柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)造處理。為了選擇合理的結(jié)構(gòu)布置方案，在結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)階段可以參考以下幾點(diǎn)[12]:1)夾層縱橫向鋼梁與鋼柱均為剛接，夾層梁與廠房鋼柱在縱橫向也剛接;2)為了避免框架體系對排架體系的影響，盡量采用剛接連接，提高結(jié)構(gòu)整體剛度，減小節(jié)點(diǎn)位移。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，除了按照常規(guī)的平面剛架分析計(jì)算外，最好采用兩種以上的分析程序來對結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析[11]，而且當(dāng)前單獨(dú)的規(guī)范規(guī)程[1-3]尚無法完全滿足設(shè)計(jì)工作需要。

本文以某汽車展廳結(jié)構(gòu)為例，通過對主體結(jié)構(gòu)中幾榀有代表性的剛架進(jìn)行分析，計(jì)算了帶夾層輕型門式剛架在地震作用下的受力規(guī)律，從而探討帶夾層輕鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過程中的相關(guān)問題。

1 工程背景

此工程實(shí)例為一汽車展廳，其結(jié)構(gòu)形式為輕型門式剛架，廠房總長度72 m，柱距6 m，門式剛架跨度30 m，屋面坡度1∶9。展廳平面分為三部分，一端A區(qū)為汽車展廳，中間B區(qū)為辦公用房，另一端C區(qū)為機(jī)修庫。沿長度方向在A區(qū)和C區(qū)兩側(cè)分別布置有夾層結(jié)構(gòu)，平面為非對稱布置形式。承重構(gòu)件選材用Q345B鋼;支撐、隅撐、系桿、拉條材質(zhì)為Q235B;檁條、墻梁采用Q235冷彎薄壁型鋼。屋面、墻面材料采用壓型鋼板。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g;設(shè)計(jì)地震分組為第一組。場地類別取為Ⅱ類場地，場地特征周期0.35 s。

2 夾層結(jié)構(gòu)抗震性能分析數(shù)值模型

建模過程中采用了以下幾點(diǎn)假定:1)計(jì)算模型按橫向平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算;2)結(jié)構(gòu)材料假定為理想彈性，結(jié)構(gòu)單元采用桿系單元;3)門鋼梁柱節(jié)點(diǎn)為剛性節(jié)點(diǎn)，柱腳為鉸接節(jié)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)其他連接節(jié)點(diǎn)均為鉸接節(jié)點(diǎn);4)不考慮建筑外圍壓型彩鋼板的蒙皮效應(yīng);5)對承載能力極限狀態(tài)，按荷載效應(yīng)的基本組合和偶然組合進(jìn)行設(shè)計(jì);對正常使用極限狀態(tài)按荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。

選取了結(jié)構(gòu)中有代表性的三榀門式剛架作為計(jì)算模型，模型幾何參數(shù)如圖1所示。同時(shí)，考慮夾層與門式剛架之間的采用剛接和鉸接兩種連接方式進(jìn)行計(jì)算分析。

圖1 計(jì)算模型

計(jì)算模型荷載選取如下:屋面恒載為0.3 kN/m2(不包括剛架自重);屋面活載為0.3 kN/m2;夾層部分恒載5.5 kN/m2;夾層部分活載為2.0 kN/m2;基本風(fēng)壓0.60 kN/m2，地面粗糙度C類;基本雪壓為 0.4 kN/m2。

在考慮不同荷載工況組合的情況下，通過改變地震作用(地震加速度0.1g～0.4g)和結(jié)構(gòu)層高尺寸(5 m～15 m)，來對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。計(jì)算結(jié)果選取圖1中各計(jì)算模型所示的?軸線柱頂側(cè)移比(H/V)進(jìn)行對比。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 單側(cè)布置夾層模型結(jié)果

單側(cè)布置夾層采用剛性連接見圖2a)，鉸接見圖2b)。由圖2a)可以看出，在夾層梁與主體門鋼柱采用剛接連接的情況下，隨著地震作用增加結(jié)構(gòu)側(cè)移增大較明顯，而不同層高情況下，結(jié)構(gòu)側(cè)移差異比較小。由圖2b)可以看出，當(dāng)夾層梁采用鉸接連接時(shí)，結(jié)構(gòu)側(cè)移明顯要比夾層梁采用剛接的結(jié)果大。這說明采用剛接連接節(jié)點(diǎn)對結(jié)構(gòu)整體受力有利，對結(jié)構(gòu)抗震有利。

圖2 單側(cè)布置夾層結(jié)構(gòu)側(cè)移對比

3.2 兩側(cè)對稱布置夾層結(jié)果

夾層在門式剛架兩側(cè)對稱布置計(jì)算結(jié)果見圖3。從圖3中可以看出，門式剛架兩側(cè)均布置夾層結(jié)構(gòu)時(shí)，隨著地震作用的增加，柱頂側(cè)移變化規(guī)律與單側(cè)布置夾層門鋼結(jié)構(gòu)變化規(guī)律一致。對比圖3a)和圖3b)可以發(fā)現(xiàn)，采用剛接連接節(jié)點(diǎn)時(shí)的結(jié)構(gòu)側(cè)移要小于采用鉸接節(jié)點(diǎn)時(shí)的結(jié)果。對比圖3與圖2可見，在兩側(cè)對稱布置夾層時(shí)，無論是剛接還是鉸接，在地震加速度為0.1g時(shí)，層高變化對柱頂位移比均小于相同連接方式的單側(cè)布置夾層。這說明兩側(cè)對稱布置夾層，對減小地震作用要優(yōu)于采用夾層單側(cè)布置。隨著地震加速度的增大，夾層兩側(cè)對稱布置對減小柱頂位移比的作用減小，說明在地震加速度較高的情況下，夾層布置對整體結(jié)構(gòu)的抗震性能影響不是很大。故夾層的布置形式、布置位置在不同的抗震設(shè)防區(qū)域需要區(qū)別對待，才可取得經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的效果。

圖3 夾層兩側(cè)對稱布置結(jié)構(gòu)側(cè)移對比

圖4 夾層兩側(cè)非對稱布置結(jié)構(gòu)側(cè)移對比

3.3 兩側(cè)非對稱布置夾層結(jié)果

在門式剛架兩側(cè)采用非對稱的夾層布置方案計(jì)算結(jié)果見圖4。

對比圖4a)和圖4b)可以看出，采用剛接連接的結(jié)構(gòu)側(cè)移要遠(yuǎn)小于鉸接連接的結(jié)構(gòu)側(cè)移。無論剛接與鉸接連接，采用門剛兩側(cè)非對稱布置夾層計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)側(cè)移與前兩種模型的規(guī)律一致。

4 結(jié)語

通過對某帶夾層的大跨輕鋼結(jié)構(gòu)廠房的對比分析，可以得到如下結(jié)論:

1)在相同的地震作用下，夾層不同布置形式和布置位置，對結(jié)構(gòu)側(cè)移結(jié)果隨著地震加速度的增大而減小。夾層的布置形式、布置位置在不同的抗震設(shè)防區(qū)域需要區(qū)別對待，才可取得經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的效果;

2)夾層結(jié)構(gòu)與整體門剛結(jié)構(gòu)采用剛接連接節(jié)點(diǎn)計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)側(cè)移要遠(yuǎn)小于采用鉸接連接節(jié)點(diǎn)的結(jié)果。剛接或鉸接的連接形式對帶夾層輕鋼門式剛架結(jié)構(gòu)的抗震性能有較大影響，故在設(shè)計(jì)過程中要妥善處理夾層結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)的連接關(guān)系;

3)采用剛接連接勢必會增大夾層結(jié)構(gòu)和整體結(jié)構(gòu)的受力，故在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)按照多層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)范來進(jìn)行夾層結(jié)構(gòu)的計(jì)算，建議上部結(jié)構(gòu)則仍采用門式剛架技術(shù)規(guī)程進(jìn)行設(shè)計(jì)。

[1]CECS 102∶2002，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2]GB 50018-2002，冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[S].

[3]GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]姜傳偉，周校仁，張 強(qiáng).大跨度超高輕鋼結(jié)構(gòu)在立體庫的應(yīng)用[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2009(19):80-81.

[5]周校仁，王志金，吳振波，等.輕鋼結(jié)構(gòu)自動化立體庫的設(shè)計(jì)[J].鋼結(jié)構(gòu)，2009，24(3):6-9.

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