框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的自振周期折減系數(shù)探討

郭志峰

摘 要：周期折減系數(shù)是框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中十分重要的問題，它的取值會(huì)直接影響到在地震作用下框架的反應(yīng)情況，影響地震作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形程度，因此必須合理確定周期折減系數(shù)。該文在分析國內(nèi)研究成果的基礎(chǔ)上，通過框架結(jié)構(gòu)的自振周期折減系數(shù)模型分析，指出一些現(xiàn)行的規(guī)范關(guān)于周期折減系數(shù)取值對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果的影響以及缺陷，分析對(duì)折減系數(shù)取值的影響因素，并且對(duì)折減系數(shù)合理取值提出一些合理化建議，合理總結(jié)分析的結(jié)論，以便更好地為抗震工程設(shè)計(jì)提供一些可靠參考。

關(guān)鍵詞：框架結(jié)構(gòu) 抗震設(shè)計(jì) 周期折減系數(shù) 影響因素

中圖分類號(hào)：TU973.31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）11（a）-0060-01

在計(jì)算機(jī)模型簡(jiǎn)化以及非結(jié)構(gòu)性的因素作用下，在彈性階段計(jì)算的框架結(jié)構(gòu)的自振周期會(huì)比其真實(shí)的自振周期長(zhǎng)一些。因此在計(jì)算結(jié)構(gòu)的周期值的時(shí)候，要根據(jù)具體的實(shí)施情況，對(duì)周期折減系數(shù)進(jìn)行一定的修正，以使其更加接近真實(shí)值，以公式設(shè)計(jì)周期=計(jì)算周期*周期折減系數(shù)來計(jì)算。根據(jù)規(guī)定，對(duì)于以砌體為非承重墻體的框架結(jié)構(gòu)，會(huì)考慮到非承重墻體的剛度對(duì)自振周期以0.6～0.7的系數(shù)進(jìn)行折減，而對(duì)于其他結(jié)構(gòu)體系目前還沒有具體的數(shù)值來計(jì)算，因此還存在著很大的爭(zhēng)議。然而折減系數(shù)取值在很大程度上會(huì)影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，輕則造成資源的浪費(fèi)，重則會(huì)產(chǎn)生一定的安全隱患。因此折減系數(shù)是框架結(jié)構(gòu)所面臨的一個(gè)極其重要而亟待解決的問題。

1 框架結(jié)構(gòu)自振折減的提出及缺陷

在地震作用下，第一自振周期對(duì)結(jié)構(gòu)的影響是最大的，也是本文要考慮的最主要因素，周期折減系數(shù)=設(shè)計(jì)周期/計(jì)算周期。規(guī)范中出于對(duì)填充墻剛度的考慮，規(guī)定了一個(gè)系數(shù)。規(guī)定中折減系數(shù)有意的放大了地震力，在一定程度上使結(jié)構(gòu)更加安全，然而這種觀點(diǎn)的基礎(chǔ)并不一定成立，它是以填充墻剛度存在影響結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上來考慮的。而實(shí)際上，填充墻剛度所增加的地震力并不一定會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)面影響。而且，規(guī)范僅僅考慮了填充墻對(duì)折減系數(shù)的影響，而沒有能夠考慮其他非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的因素以及影響結(jié)構(gòu)自振周期的其他影響因素。這樣的狀況很可能會(huì)影響結(jié)構(gòu)的資源浪費(fèi)以及安全性上的設(shè)計(jì)。

2 周期折減系數(shù)的影響因素

由周期折減系數(shù)的計(jì)算公式我們可以看出，要分析影響因素，就要全面的考慮影響結(jié)構(gòu)真實(shí)自振周期、計(jì)算的自振周期以及它們之間差異的因素。計(jì)算周期與真實(shí)周期之間的差異很大程度上會(huì)受到模型簡(jiǎn)化的影響，簡(jiǎn)化模型與真實(shí)模型之間的接近程度是最關(guān)鍵的信息，在實(shí)際計(jì)算中，有很多因素是難以測(cè)量、難以定量計(jì)算的，這就使得自振周期的真實(shí)值與計(jì)算值之間產(chǎn)生很大的差異。

2.1 非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響

第一，填充墻剛度的影響。在實(shí)際工程中，填充墻都是與框架在共同作用下支撐的，而且會(huì)產(chǎn)生很大的剛度，而在建模中，并沒有考慮填充墻剛度的因素，這樣的結(jié)果就會(huì)很大的影響到測(cè)量的自振周期，使其產(chǎn)生很大的偏差。填充墻的材料、以及其與框架結(jié)構(gòu)的連接方式都在很大程度上產(chǎn)生影響。填充墻與框架連接的越緊密，越會(huì)產(chǎn)生很大的剛度，墻體結(jié)構(gòu)的完整、墻體數(shù)量的增多、單片墻體長(zhǎng)度都會(huì)是剛度增大。粘土磚填充墻相對(duì)于輕質(zhì)填充墻會(huì)對(duì)剛度產(chǎn)生更大的影響。

第二，地坪以及填土的影響。在計(jì)算模型中，鋼混框架結(jié)構(gòu)一般都要做混凝土剛性地坪，底層柱的計(jì)算高度都會(huì)取基層頂端到樓蓋頂端之間的距離。這樣的方式會(huì)改變結(jié)構(gòu)側(cè)移的約束，改變底層柱的計(jì)算高度，進(jìn)而使結(jié)構(gòu)剛度變大。在基礎(chǔ)埋深大、填土緊密時(shí)，混凝土剛度的加大會(huì)引起計(jì)算周期的結(jié)果偏長(zhǎng)一些。

第三，現(xiàn)澆樓板剛度影響。在模型分析中，通常采用鋼混框架結(jié)構(gòu)，而且會(huì)用現(xiàn)澆樓板對(duì)樓面梁剛度的增大來體現(xiàn)現(xiàn)澆樓板對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響。用一個(gè)系數(shù)來表明這種對(duì)剛度的貢獻(xiàn)，而實(shí)際上，這并不能真實(shí)的測(cè)量現(xiàn)澆板的影響，很多時(shí)候，計(jì)算中不能做到真正精確的都要根據(jù)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)來判斷，這樣難免會(huì)產(chǎn)生一定的偏差，增大系數(shù)的取值大了，所確定的剛度就會(huì)偏大，以至于計(jì)算周期會(huì)產(chǎn)生偏短的現(xiàn)象。

2.2 計(jì)算荷載不能準(zhǔn)確評(píng)估結(jié)構(gòu)的真實(shí)質(zhì)量

大多是情況下，計(jì)算荷載都會(huì)或多或少地高估結(jié)構(gòu)的真實(shí)質(zhì)量。對(duì)于恒載的情況，在一般設(shè)計(jì)下，計(jì)算值總會(huì)比真實(shí)值大，活荷載狀況下，一般會(huì)簡(jiǎn)化質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量，很難達(dá)到估計(jì)的50%均布荷載的狀況。因此在這樣兩種情況下，都會(huì)誰計(jì)算所得大于實(shí)際的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，這樣所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)就是是計(jì)算周期偏大。

2.3 填充墻空間分布情況

在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)盡可能的使填充墻能夠均布，分布不夠均勻，再加上數(shù)量的不足，會(huì)使得剛度分布不均，導(dǎo)致過大的地震力附在相連的框架柱上，而且周期折減系數(shù)越小會(huì)使這種現(xiàn)象愈發(fā)明顯，使計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生很大的差異。填充墻上的空洞缺失也會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)上的薄弱環(huán)節(jié)，會(huì)使結(jié)構(gòu)剛度產(chǎn)生很大的變化，不利于穩(wěn)定。而實(shí)際計(jì)算中并不能有效地反應(yīng)這些剛度的變化以及填充墻產(chǎn)生的這些影響。填充墻頂層少會(huì)使周期降幅最大，均勻分布對(duì)周期計(jì)算的影響會(huì)小一些。

3 建議

規(guī)范規(guī)定的周期折減系數(shù)是針對(duì)實(shí)心粘土磚墻的，目前這種墻已經(jīng)很少用，而在實(shí)際施工中加氣混凝土填充墻、輕骨料混凝土填充墻得到了極其廣泛的應(yīng)用，這些種類的墻體材料可以以實(shí)心磚填充墻的處理方式為基礎(chǔ)，間接確定周期折減系數(shù)。在填充墻中存在缺失的薄弱環(huán)節(jié)下，建議在模型中加入一些等效單元來進(jìn)行計(jì)算。

4 結(jié)語

第一，結(jié)構(gòu)自振周期會(huì)受到很多因素的影響，雖然用周期折減系數(shù)來增加地震力的設(shè)計(jì)是很有必要的，但是它一定要在設(shè)計(jì)原則的范圍內(nèi)取值，要注意結(jié)構(gòu)自身的規(guī)則，要注意剛度、質(zhì)量、非結(jié)構(gòu)性構(gòu)件在豎向以及平面上的分布。

第二，填充墻對(duì)周期折減系數(shù)有很大的貢獻(xiàn)，但是我們更應(yīng)該注意綜合材料、分布、開洞情況等方面的影響，全面的考慮其對(duì)結(jié)構(gòu)多方面的影響以及系數(shù)的折減。填充墻與框架結(jié)構(gòu)是共同起作用的，因此要綜合考慮它們相互聯(lián)系的多方面因素，對(duì)分布不均的地方要進(jìn)行等效單元替代來解決。

第三，在對(duì)自振周期折減系數(shù)進(jìn)行研究的模型分析時(shí)，要綜合、全面地考慮多方面的因素，充分考慮非承重構(gòu)件的一些信息，在最大程度上減少模型分析的誤差。

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