不同單向水平地震對(duì)框架結(jié)構(gòu)的影響

周磊 葉坤

(揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225127)

0 引言

地震是地球內(nèi)部構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物，是一種自然現(xiàn)象［1］。我國地震區(qū)域廣闊而分散，地震頻繁而強(qiáng)烈，發(fā)生于人煙稠密之處者，損失慘重［2］。對(duì)地震的深入了解是土木工程技術(shù)人員研究如何防止或減少建筑物由于地震而造成破壞的重要前提。因此研究不同單向水平地震對(duì)框架結(jié)構(gòu)的影響具有深遠(yuǎn)的意義。

本文運(yùn)用有限元分析軟件SAP2000對(duì)揚(yáng)州市某框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。通過對(duì)結(jié)構(gòu)施加單向地震力的方法來得到框架結(jié)構(gòu)位移、內(nèi)力［3］。深入認(rèn)識(shí)地震對(duì)框架結(jié)構(gòu)的影響。

1 有限元模擬單向地震作用下的框架結(jié)構(gòu)

1.1 工程概況

本文采用的模型為揚(yáng)州市某多跨6層框架結(jié)構(gòu)，柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，縱向7跨，每跨8.4 m，橫向3跨，每跨6 m。1層層高為4.2 m，2層～5層層高3.8 m，頂層層高3.2 m。②軸～⑦軸線框架梁采用統(tǒng)一截面250 mm×550 mm，其余框架梁采用統(tǒng)一截面250 mm×750 mm，次梁采用統(tǒng)一截面250 mm×500 mm，柱采用統(tǒng)一截面550 mm×550 mm，板厚為120 mm。梁、板、柱采用C30混凝土，彈性模量為3.0×104N/mm2，混凝土容重25 kN/m3。本工程抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為7度，基本地震加速度0.15g。本工程地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類。

模型平面布置圖如圖1所示，三維模型結(jié)構(gòu)圖見圖2。

圖1 模型平面布置圖

圖2 三維結(jié)構(gòu)模型圖

1.2 荷載選取

豎向荷載包括結(jié)構(gòu)自重、使用時(shí)產(chǎn)生的活荷載。其中結(jié)構(gòu)自重采用程序自動(dòng)計(jì)算，混凝土容重25 kN/m3，活載按規(guī)范商業(yè)樓面取3.5 kN/m2，上人屋面屋面活荷載取2.0 kN/m2。風(fēng)荷載，本文取基本風(fēng)壓為0.4 kN/m2，地面粗糙度為C類。輸入地震波采用El-Centro波，采用自動(dòng)地震荷載模式［4］。地震方向分別指定為全局X軸方向和全局Y軸方向。

2 地震對(duì)框架結(jié)構(gòu)的影響

X方向與Y方向地震作用下框架三維變形圖見圖3，圖4。

圖3 X方向地震作用下框架三維變形圖

圖4 Y方向地震作用下框架三維變形圖

2.1 對(duì)結(jié)構(gòu)框架變形的影響

圖5 X方向地震作用下?軸線框架變形圖

圖6 Y方向地震作用下?軸線框架變形圖

表1 X方向地震作用下?軸線框架柱x向節(jié)點(diǎn)位移 mm

由圖5，圖6可以看出，在X方向地震作用下?軸線框架在x和z方向都產(chǎn)生了變形，x方向變形更大，而Y方向地震作用下?軸線框架在x方向產(chǎn)生的變形并不明顯，但可以看出在z方向產(chǎn)生了一些變形。

表2 Y方向地震作用下?軸線框架柱y向節(jié)點(diǎn)位移 mm

由表1可以看出，隨著層數(shù)的增加，X方向地震作用下?軸線框架柱x向節(jié)點(diǎn)位移在變大，但增加的幅度在減小。同一樓層中，x向節(jié)點(diǎn)位移相差很小。Y方向地震作用下?軸線框架柱y向節(jié)點(diǎn)位移具有同樣的規(guī)律。由表1和表2相比較，可以得出:Y方向地震作用下?軸線框架柱層間節(jié)點(diǎn)位移差要大于X方向地震作用。

2.2 對(duì)柱軸力的影響分析

X方向與Y方向地震作用下?軸線框架軸力圖見圖7，圖8。

圖7 X方向地震作用下?軸線框架軸力圖

圖8 Y方向地震作用下?軸線框架軸力圖

由表3，表4數(shù)據(jù)表明，地震作用下框架柱在①軸線和⑧軸線產(chǎn)生的軸力較小，②軸線～⑦軸線軸力相差不大，變化率不超過3%。隨著樓層的增加，框架柱軸力值在減小，并且減小的幅度越來越大［5］。通過表3和表4，可以得出:X方向地震作用下?軸線框架柱軸力要大于Y方向地震作用。

表3 X方向地震作用下?軸線框架柱軸力值 kN

表4 Y方向地震作用下?軸線框架柱軸力值 kN

2.3 對(duì)梁、柱彎矩的影響分析

X方向與Y方向地震作用下?軸線框架彎矩圖見圖9，圖10。

圖9 X方向地震作用下?軸線框架彎矩圖

圖10 Y方向地震作用下?軸線框架剪力圖

表5 X方向地震作用下?軸線柱截面彎矩值 kN·m

表6 Y方向地震作用下?軸線柱截面彎矩值 kN·m

由表5，表6數(shù)據(jù)可以看出，隨著樓層的增高，X方向地震作用下框架柱柱底彎矩和框架梁彎矩大致呈減小趨勢(shì)，而在同一樓層中，①軸線框架柱彎矩較小，②軸線～⑦軸線框架柱彎矩相接近，所有框架梁彎矩相近。Y方向地震作用下?軸線所有框架梁彎矩基本相同［6］。Y方向地震作用下①軸線和⑧軸線框架柱彎矩較大，②軸線～⑦軸線框架柱彎矩很小。X方向地震對(duì)?軸線柱截面產(chǎn)生的彎矩要大于Y方向地震。

3 結(jié)語

通過軟件模擬分析可以得到以下結(jié)論:

1)沿著建筑物縱向的地震對(duì)框架結(jié)構(gòu)影響較大。

2)Y方向地震作用下框架柱層間節(jié)點(diǎn)位移差要大于X方向地震作用。

3)隨著結(jié)構(gòu)層數(shù)增加，高度越來越高，框架結(jié)構(gòu)房屋受到的地震作用和力矩就越大，位移變形就越明顯，破壞的可能性也就愈大。

4)框架柱大多在柱頂發(fā)生破壞，與梁交界處的節(jié)點(diǎn)下部更易

發(fā)生破壞，柱端形成塑性鉸，出現(xiàn)裂縫。

［1］王社良.抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.武漢:武漢理工大學(xué)出版社，2012.

［2］周 旭.水平地震作用下樓梯與框架結(jié)構(gòu)相互作用分析［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2010.

［3］胡聿賢.地震工程學(xué)［M］.北京:地震出版社，2009.

［4］閆 冬，戚春香，馮清海.SAP2000結(jié)構(gòu)工程分析及實(shí)例詳解［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［5］石 誠.考慮雙向水平地震作用的結(jié)構(gòu)抗震分析與設(shè)計(jì)若干問題研究［D］.重慶:重慶大學(xué)，2004.

［6］董 可.地震作用下鋼框架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能研究［D］.北京:中國礦業(yè)大學(xué)，2013.