双向地震作用下夹层刚架结构的设计

双向地震作用下夹层刚架结构的设计

近年来，经过多年的发展，带有框架的多层门的结构具有很高的内部空间利用率，便于为工业配套生产带来好处。但对于这种结构,相应规范并没有给出对应的条文,设计中仍存在很多困难。笔者通过具体工程实例,分别对该种结构在双向地震作用下扭转振动效应的考虑、夹层柱柱间支撑的设置以及抗风柱的设计这几个关键点进行分析,以供同类工程参考。1钢结构及夹层该工业生产车间建筑总面积约1500m2,整个主结构由8榀刚架组成,每榀刚架纵向间距为5m,纵向总长35m,刚架共两跨,跨度分别为23.8,5.8m,横向总长29.6m,屋檐高13m,坡度角为6°。该结构所在场地类别为Ⅲ类,抗震设防烈度7度(0.1g),地面粗糙度B类,基本风压0.55kN/m2。结构整体模型如图1所示,各榀刚架梁截面均为H650×200×10×16,各榀刚架的主钢柱除中柱截面为H500×300×10×16,其余各柱截面均为H500×200×10×16,柱间支撑采用└140×14,屋面支撑采用张紧的ue78820圆钢,屋面檩条及墙梁的截面均采用C250×75×20×2.5型钢。为满足生产需求,厂房内部设置的夹层较多,仅对几个荷载较大的主要夹层进行介绍。如图2所示,该层为设备层,楼面恒载为7.5kN/m2,活载为5.0kN/m2。由于该夹层荷载较大,采用是混凝土板,其余各夹层楼面均采用普通钢板。如图3所示,标高7.800m有一个工作平台,该层楼面恒载为1.0kN/m2,活载5.0kN/m2;该厂房还有其他几处夹层以及钢梯,由于其荷载较小,对主结构影响不大,此处略去,但在计算模型中均已经考虑。2结构平面内刚度大且局部不连续的考虑对这类有夹层的门式刚架,STS和3D3S软件均有相应计算模块。软件默认情况下,认为局部夹层相对于门式刚架主结构只是附属体,不起控制作用,所以只对单榀门式刚架及相应夹层进行平面内计算,不考虑双向地震的扭转效应;但若将该厂房视为2层框架结构,5.200m标高处平台为第2层楼面,由于该层荷载较大,且混凝土板厚250mm,则结构平面内刚度较大且局部不连续。根据GB50011—2010《建筑抗震设计规范》,应计入双向地震扭转效应。为确切地反映该类结构的扭转效应是否明显,本文利用SAP2000有限元软件建立整个结构模型,采用振型分解反应谱法进行地震效应的计算。计算发现,部分主钢柱扭转振动效应较大,尤其是第1、4、8榀刚架柱最为明显(轴线(1)、(4)、(8)对应的刚架),局部柱分别在两种地震作用下的弯矩比较见表1。Y向和X向分别为单榀门式刚架的平面内和平面外,由于门式刚架柱的剪力一般不起控制作用,所以只列出了弯矩的变化。由表1可知,主钢柱中受双向地震影响最大为端榀刚架柱(第1榀和第8榀),尤其是柱1F,其弯矩是只考虑单向地震的1.27倍,双向地震扭转振动效应较大,必须进行双向地震作用计算;对于中间区段的刚架柱,只有第4榀双向地震下的扭转效应较为明显,柱4?的弯矩约为仅单向地震作用的1.21倍。其原因是由于该处夹层平台荷载较大、开洞较多导致平面内刚度发生突变造成的。所以对这类夹层平台的支承主钢柱进行设计时,只进行平面内计算偏不安全,还应进行空间建模计算,并计入双向地震的作用。3柱间支撑的生成在标高5.200m处的夹层楼面,放置了大量的重型设备,整个楼面的恒载和活载非常大,重力荷载代表值相应较大,当整个结构受到地震作用时,该处夹层对主结构横向作用非常明显。为了限制内部夹层的侧向作用,本工程对5.200m处平台的左侧和右侧以及纵向柱间设置了十字交叉支撑,支撑截面为等边角钢└100×8。图4中为标高5.200m处平台(图2)右侧靠近轴线(4)的柱间支撑示意。为了解夹层柱柱间支撑的作用,利用通用有限元软件分别对设置支撑前、后的整体结构模型进行抗震计算,发现各主钢柱的轴力与剪力区别不大,但弯矩却有显著的差别。图5为第2榀刚架(轴线(2)所对应的刚架)各主钢柱在设置支撑前与设置支撑后的弯矩图。各柱号与相应轴线号对应,例如柱E与轴线?对应。由图5可以看出,有支撑作用的各主钢柱在夹层顶面标高5.200m以上区域的弯矩略小于无支撑时的情况,支撑有一定效果但不明显;但从标高5.200m向下开始,有支撑的各主钢柱弯矩明显逐渐减小,而无支撑下的各主钢柱弯矩仍保持一定增大趋势,至柱脚时,柱A和柱E在有支撑下的弯矩为无支撑时的1/8左右,支撑效果显著。另外,由图5a和图5b可见,有支撑作用时,柱A和柱E的弯矩图在标高5.200m处出现尖点,随后弯矩沿标高向下逐渐减小。当有地震作用时,夹层柱柱间支撑的设置不仅限制了内部夹层平台对主刚架的侧向作用,还使得内部夹层成为了整个主刚架的侧向支撑。由此可见,当门式刚架内部设有荷载较大的夹层平台时,在其夹层柱柱间设置支撑效果良好,建议采用。4抗风柱设计4.1层平台支撑该结构的抗风柱比较特别,如图2所示,(1)轴上门式刚架抗风柱不仅承担风荷载,而且还作为夹层平台的柱子来提供支撑。值得注意的是,标高5.200m处的平台荷载较大,抗风柱所承受的轴力达到了616kN,由于抗风柱在平面外受到了内部夹层梁的支撑,风荷载作用下的最大弯矩设计值只有35kN·m左右,可见抗风柱1?、1?、1?主要充当了内部夹层平台的框架柱。4.2抗风柱的截面尺寸通过分析可知,抗风柱主要功能不是承受风荷载,而是作为内部夹层平台主要受力构件,建议将其柱脚节点做成刚接,因为柱脚刚接不仅能够提高抗风柱自身的侧向刚度,还能有效提高整个内部夹层平台的侧向刚度,保证整个结构的整体稳定性。但文献中提到柱脚刚接会使基础受到较大的偏心弯矩,基础底面尺寸要做得很大才能防止其外边缘和地基脱开。为避免这种情况,将内部夹层梁与抗风柱的连接节点铰接,避免夹层梁对抗风柱产生较大弯矩,保证抗风柱主要受轴力作用。经验算,柱B在最不利荷载组合下偏心距最大,其轴力N、弯矩M和剪力V的值依次为328kN、58kN·m和17kN,偏心距e=(M+Vh)/N=0.218m,h为基础高度。根据GB50007—2002《地基基础设计规范》,只要基础长边尺寸不小于6e(约1.31m),就能使其底面不与地基脱开。本工程地基承载力特征值fa为150kPa,当基础仅受轴力作用时,其底面尺寸已达到1.5m×1.5m,此时基础底面边缘不会与地基脱开,而考虑了偏心弯矩,最终满足承载力要求的基础底面尺寸为1.5m×2.0m,并没有造成大的浪费。以上是偏心距最大的抗风柱,另外两个柱的弯矩影响会更小,对于这种有重型夹层平台作用的抗风柱,采用柱脚刚接来增加内部夹层的侧向刚度是可行的。但需注意,内部夹层梁与抗风柱的连接节点尽量采用铰接形式,可让抗风柱主要承受内部夹层的轴向作用,达到减小柱脚偏心距的目的。4.3抗风柱顶竖向约束考虑到门式刚架屋面变形的协调性,且抗风柱顶的竖向约束对抗风柱本身的受力性能影响很小,所以抗风柱顶与门式刚架梁仍采用传统的弹簧板连接形式。5夹层对振动的控制1)对于内部夹层荷载较大且夹层板平面内刚度差异明显的门式刚架,其端部主刚架受双向地震扭转振动效应影响较大,必须考虑双向地震作用进行单榀刚架的计算;中间区段支承夹层平台的局部主钢柱双向地震作用下的扭转振动效应也很明显,也应进行空间建模计算,计入双向地震的作用。2)当门式刚架内部设有荷载较