能量法在鐵路組合車庫縱向地震驗算中的應用

靳鵬

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京100055)

能量法在鐵路組合車庫縱向地震驗算中的應用

靳鵬

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京100055)

利用能量法對屋面荷載較大的組合車庫鋼結(jié)構(gòu)廠房進行縱向抗震驗算。計算過程中對模型進行合理的假定，并且通過與風荷載作用的對比，確定柱間支撐最后的荷載控制工況，使結(jié)構(gòu)縱向地震的計算簡單便捷，做到了安全實用、經(jīng)濟合理。

能量法；組合車庫；縱向地震；鋼結(jié)構(gòu)

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.05.008

1　引言

組合車庫是對鐵路貨車車體及配件進行檢修的鋼結(jié)構(gòu)廠房，常采用帶吊車的單層門式剛架結(jié)構(gòu)體系，即橫向為剛接的門式剛架，所有鋼梁與鋼柱剛接；縱向為鉸接排架，采用水平系桿及柱間支撐與柱鉸接。剛架橫向方向的地震驗算通過軟件自身進行，但對于縱向方向的地震驗算，由于存在吊車層，還沒有特別好的軟件對其縱向地震更好的模擬。本文提出采用能量法計算結(jié)構(gòu)縱向地震的自振周期，從而得出縱向地震的水平地震影響系數(shù)，并與風荷載進行簡單比較，得出一些結(jié)論，希望對此類廠房提供設計參考。

2　工程實例

2.1組合車庫的組成

新建山西中南部鐵路工程日照南組合車庫是由修車庫、鉤緩間、制動檢修間、配件檢修中心及鉚焊間、轉(zhuǎn)向架間、輪對加修間等車間組合而成，建筑面積24259.5m2，檐口高度14.5m，單層廠房，其中車間設有10t、5t、3t等17臺吊車。由于甲方對屋面及墻面的耐久性要求比較高，故屋面及墻面采用鋼骨架混凝土輕型板材(自重約0.7kN/m3)，屋面采用常規(guī)的保溫及防水做法，導致屋面荷載比較大，屋面自重產(chǎn)生的重力荷載代表值要比常規(guī)壓型鋼板屋面大得多，因此，縱向地震的計算顯得尤為重要。組合車庫的平面及縱向剖面圖見圖1和圖2。

圖1　組合車庫平面圖

圖2　組合車庫縱向剖面圖

2.2組合車庫的計算參數(shù)

組合車庫的基本計算參數(shù)如表1所示。

表1　組合車庫的主要技術(shù)參數(shù)[1]

3　能量法的理論及計算假定

3.1能量法的計算理論

能量法是根據(jù)體系在振動過程的能量守恒原理導出的，適用于求解結(jié)構(gòu)的基本周期，示意圖見圖3。設體系作自由振動，任一質(zhì)點i的位移：

速度為：

圖3　能量法示意圖

當體系振動達到平衡位置時，體系變形位能為零，體系動能達到最大值Tmax：

當體系振動達到振幅最大值時，體系動能為零，位能達到最大值Umax：

根據(jù)能量守恒定律：Tmax＝Umax

一般假定：將結(jié)構(gòu)各質(zhì)點的重力荷載代表值當成水平荷載作用于質(zhì)點上，計算上下支撐各自的相對位移，進而求出結(jié)構(gòu)的自振周期。

3.2組合車庫縱向周期的計算假定

組合車庫中設有吊車，把廠房分成吊車梁頂標高處質(zhì)點即7.2m處質(zhì)點和屋頂標高處質(zhì)點即12.2m處質(zhì)點，因此計算時可以簡化為二質(zhì)點體系，G1為12.2m處質(zhì)點的重力荷載代表值，G2為7.2m處質(zhì)點的重力荷載代表值。因為廠房吊車梁頂標高較高，且屋面荷載比較大，相應的柱間支撐系統(tǒng)較強，為方便計算假設鋼柱縱向方向的剛度貢獻為零，縱向地震作用全部由柱間支撐來承擔。本組合車庫中設上柱支撐為5道，下柱支撐為3道，柱間支撐局部立面布置圖見圖4。

圖4　柱間支撐立面布置圖

4　能量法的應用

采用能量法進行組合車庫縱向自振周期的計算，首先需要計算重力荷載代表值G1和G2。G1和G2的重力荷載代表值主要組成如下:

G1=屋蓋荷載+屋面梁自重+上柱自重1/2+上柱圍墻墻重1/2+屋面雪荷載+上柱部分山墻重+上柱部分抗風柱重。

G2=吊車梁自重+下柱部分自重+下柱部分圍墻墻重+吊車橋架重+下柱部分山墻重+下柱部分抗風柱重。

根據(jù)以上計算所得的G1和G2重力荷載代表值，作為水平荷載施加在屋頂標高和吊車梁頂表處為各節(jié)點處的相對位移[2]，根據(jù)式(2)，計算各處的相對位移：

圖5　重力代表值作用示意圖

根據(jù)式（1），可得出組合車庫縱向地震下的自振周期T。

5　地震作用與風荷載比較

對于常規(guī)門式剛架結(jié)構(gòu)來說，地震作用一般不占控制作用，但是由于本組合車庫的屋面采用輕型屋面板且屋面有保溫及防水的荷載，導致其屋面自重荷載比壓型鋼板屋面要大得多，必須對其進行縱向地震作用的計算，同時還需和風載下的縱向作用進行比較，來確定柱間支撐何種作用占控制地位。

6　結(jié)語

由于普通門式剛架屋面采用壓型鋼板，屋面的自重很小，導致縱向地震比較小。但是，當屋面荷載采用比較重的屋面形式時，就必須對其縱向地震進行詳細的分析。本文采用能量法對帶有吊車的廠房進行二質(zhì)點單元抗震的計算，簡化了計算模型，使縱向地震的計算變得相對簡單實用，同時簡述了通過地震與風荷載的對比來確定柱間支撐的最終受力作用。

【1】GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

【2】龍馭球,包世華.結(jié)構(gòu)力學教程(Ⅰ)[M].北京:高等教育出版社,2000.

【3】GB 50011—2010建筑抗震設計規(guī)范[S].

Application of Energy Methodin the Longitudinal Seismic Checking Calculation of Combined Garage for Railway

JIN Peng
(China Railway Engineering Consulting Group Co.Ltd.,Beijing 100055，China)

Energy method for the longitudinal seismic design of the combined garage steel structure with large roof load.Calculation process in the model is a reasonable assumption,and through comparison and the wind load,determine the inter column bracing the last load control condition,the vertical structural seismic calculation is simple and convenient,make the safe and practical,economic and reasonable.

energy method；combined garage；longitudinal seismic；steel structure

TU352;TU391

A

1007-9467（2016）05-0041-03

靳鵬（1981～），男，河北保定人，工程師，從事結(jié)構(gòu)工程設計與研究，（電子信箱）jin64919@163.com。

2016-01-28