水閘副廠房框架結(jié)構(gòu)受力特性分析

唐 帥

（山東省水利勘測設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250014）

長春水閘共6孔，每孔凈寬7.5 m，閘室為開敞式寬頂堰鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在閘室右側(cè)設(shè)置副廠房，長9 m，寬7.8 m，與主廠房之間設(shè)置20 mm的伸縮縫，整體結(jié)構(gòu)坐于灰壤土上，考慮到基礎(chǔ)凍脹破壞因素，基礎(chǔ)底部均采用砂礫石進(jìn)行換基，副廠房底部為鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)，上部為三層框架結(jié)構(gòu)，每層高度為4.5 m，4.5 m，5.0 m。柱采用400 mm×400 mm截面，梁有3種截面類型，次梁截面有300 mm×500 mm，400 mm×500 mm兩種，主梁截面400 mm×600 mm，板厚200 mm，屋面為不上人屋面。

1 模型設(shè)計(jì)

該副廠房模型使用PKPM整體建模，首先設(shè)置軸線，然后設(shè)置第一層的框架結(jié)構(gòu)（梁和柱）以及生成樓板，最后添加板梁柱的恒荷載和活荷載，經(jīng)過樓層組裝，組裝成三層框架結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上補(bǔ)充設(shè)計(jì)參數(shù)。

PKPM建模設(shè)置材料的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：設(shè)置結(jié)構(gòu)體系為框架體系，墻體材料為混凝土材料，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0，結(jié)構(gòu)主材為鋼筋混凝土主材，選用HRB400鋼筋，鋼筋的保護(hù)層厚度取30 mm，混凝土容重取為25 kN/m3，鋼材容重為78 kN/m3，修正后得基本風(fēng)壓為0.65 kN/m2，地面粗糙度類別為B類，地震分組為第一組，地震烈度為6（0.05 g），場地類別為三類。設(shè)置恒荷載計(jì)算信息為：模擬施工一，風(fēng)荷載與地震荷載計(jì)算水平荷載和地震荷載，結(jié)構(gòu)所在區(qū)域設(shè)置為全國，規(guī)定水平力計(jì)算方法為樓層剪力差方法，不考慮樓梯剛度，不采用強(qiáng)制剛性樓板假定。設(shè)置恒荷載的分項(xiàng)系數(shù)（不利）為1.35，分項(xiàng)系數(shù)（有利）為1.2，活荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.4，最后求解計(jì)算。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 變形驗(yàn)算

過大的側(cè)向變形會(huì)產(chǎn)生附加彎矩進(jìn)而增大變形，這會(huì)影響建筑的正常使用，對(duì)于高度不大于150 m的框架結(jié)構(gòu)，按彈性方法計(jì)算的風(fēng)荷載或多遇地震標(biāo)準(zhǔn)值作用下的樓層層間最大水平位移與層高之比△u／h不宜大于1/550，結(jié)構(gòu)設(shè)定判斷扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的位移比為1.20，位移比的限值為1.50。在X向正偏心靜震，X向負(fù)偏心靜震，Y向正偏心靜震，Y向負(fù)偏心靜震下（規(guī)定水平力）作用下的位移比和層間位移比見圖1，以及在X向地震，Y向地震，X向風(fēng)，Y向風(fēng)作用下的最大位移和位移角見圖2。

從圖1、圖2中可以看出：在X、Y向偏心靜震（規(guī)定水平力）作用下，每層的位移比與層間位移比都小于規(guī)定的限值1.5，位移角（最大水平位移與層高之比）小于限值1/550，故該副廠房框架結(jié)構(gòu)的位移比，層間位移比，最大位移和位移角滿足規(guī)范要求。

圖1 各工況下位移比與層間位移比

圖2 各工況下最大位移和位移角

2.2 各樓層剛度比與受剪承載力

剛度比是指相鄰樓層側(cè)向剛度的比值，主要作用是保障結(jié)構(gòu)豎向布置的規(guī)則性，避免結(jié)構(gòu)剛度沿豎向突變，在某處形成薄弱層。受剪承載力是指在水平地震作用方向上，該層全部柱、剪力墻、斜撐的受剪承載力之和。本樓層與其相鄰上層樓層的側(cè)向剛度比見表1和圖3，各樓層的橫向和豎向受剪承載力，以及本層橫向和豎向受剪承載力與上層橫向和豎向受剪承載力的比值見表2和圖4。

表1 X向與Y向剛度比

表2 受剪承載力及其比值

圖3 各樓層剛度比

圖4 各樓層承載力比

對(duì)于框架結(jié)構(gòu)，樓層與其相鄰上層的側(cè)向剛度比，本層與相鄰上層的比值不宜小于0.7，B級(jí)高層建筑的樓層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間受剪承載力不應(yīng)小于其相鄰上一層受剪承載力的75%，從表2和圖3中可以看出，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度比和層間受剪承載力滿足要求，不存在結(jié)構(gòu)豎向剛度的不規(guī)則性以及薄弱層。

2.3 抗傾覆和穩(wěn)定驗(yàn)算

框架結(jié)構(gòu)在自身重力荷載下一般不會(huì)發(fā)生傾覆，但在水平荷載作用下，結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)側(cè)移，側(cè)移后結(jié)構(gòu)上會(huì)產(chǎn)生附加彎矩，附加彎矩的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致側(cè)移的進(jìn)一步增大，從而發(fā)生危險(xiǎn)。各工況下的抗傾覆力矩與傾覆力矩及其比值見表3，X向剛重比與Y向剛重比見表4。

表3 抗傾覆力矩與傾覆力矩比值

表4 X向剛重比與Y向剛重比

高寬比不大于4的高層建筑，基礎(chǔ)底面與地基之間零應(yīng)力區(qū)面積不應(yīng)超過基礎(chǔ)底面面積的15%。此副廠房高度為14 m，寬度為7.8 m，高寬比為1.79。從表3中可以看出：零應(yīng)力區(qū)為0，滿足規(guī)范要求，故此副廠房框架結(jié)構(gòu)滿足抗傾覆要求。從表4中可以看出：X向剛重比與Y向剛重比均大于10，滿足整體穩(wěn)定要求。

3 結(jié)論

本文采用PKPM建模研究了某副廠房框架結(jié)構(gòu)的特性。結(jié)果表明：該副廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和變形要求。PKPM軟件對(duì)于整體框架結(jié)構(gòu)的求解比較方便，可應(yīng)用于相似工程結(jié)構(gòu)的求解計(jì)算分析。