建筑工程框架结构设计的地震响应分析

建筑工程框架结构设计的地震响应分析

1案例建筑框架结构设计的基础和原则结构节点的设计应明确结构的安全等级、抗疲劳防滑标准和耐火性，并根据国家有关标准确定框架的设计标准。1.1钢板和现浇混凝土框架结构案例工程为4层的框架结构住宅楼,工程拟设计的抗震设防烈度为6度,其中框架梁和框架柱以Q235钢作为主材料,楼屋面则以钢板和现浇混凝土形成层高3m、平均跨度6.4m的组织框架结构。据设计图纸资料显示,该建筑框架结构至少能够承受0.5kN/m2的风压和雪压,楼层结构的活荷载标准设计值为2.0kN/m2。工程借助结构设计软件,在平面建模基础上,计算出框架结构的强度计算应力、平面内外稳定应力、上翼缘受拉时截面最大应力、下翼缘受拉时截面最大应力、剪应力等。1.2现场设计准备工作基于案例工程基本概况,工程根据实际确定了框架结构设计的依据内容,大致为:1)规范文件。框架结构设计以国家规范、现场勘察资料、业主提供设计意向书为规范文件,设计单位不得脱离这些规范文件基本要求范围,并综合工程现场的实际条件,结合现场情况展开设计工作。2)抗震条件。框架结构的设计,抗震等级、抗震设防烈度、场地情况等,将结构划分为四级抗震等级的结构类型,其中一级抗震等级要求最为严格,是框架结构设计的核心内容。3)场地条件。其中包括施工现场土体的类型和等级,以及是否存在地下水和地基土冻结深度等。案例工程以此在地基处理方案中明确了持力层和地耐力特征值,并对结构混凝土的材料等级、强度等级和耐久性等做出了一系列的标准性规定。4)其他注意事项。影响框架结构设计的因素,除了以上几方面的设计依据内容,材料性能水平高低、施工流程顺畅与否、专业配合默契程度、施工质量验收等,都是设计时需要兼顾的注意事项,在设计工作开展时候,都需要加以考虑。1.3烈度8度剪力墙的设计案例工程框架结构设计,基本原则可概括为计算性、全面性、预防性几方面的基本原则,具体内容为:1)计算性原则。由于框架结构设计涉及到抗震设防各种数据,无论是楼盖的布置,还是场地土的改善,都需要对框架结构相关的刚性数据、柔性数据等进行计算,譬如在设计抗震设防烈度8度剪力墙的时候,双向梁柱刚接体系需要重点考虑垂直地震作用,因此从震害的视角分析,要通过缜密计算得出垂直作用力相关的数据,方可保证剪力墙满足既定的抗震设防要求。2)全面性原则。框架结构设计具有复杂性的特征,涉及到框架梁、框架柱等设计内容,因此在设计时需要对相对独立的设计项进行统筹兼顾,譬如在设置大跨度雨棚时候,要根据梁中心线位置的负弯矩和跨度,考虑如何提高抗扭的水平,另外在设置框架梁和框架柱的时候,要根据梁截面的大小,对相应构建的配筋率进行计算。3)预防性原则。框架结构设计的最终目的是提高结构的稳定性,预防地震等对结构的破坏,为此在设计框架结构的时候,要考虑各种可能影响结构刚度的因素,譬如电梯梯井设置刚度较大的混凝土墙,但其他位置不设置剪力墙,为满足伸缩缝的要求,需要通过配筋率加大、架空层铺设等方式,做出结构预防性的合理布局。2框架结构设计方法基于对案例工程框架结构设计依据和原则的了解,笔者认为该工程框架结构设计,需要在进行缜密计算的基础上,掌握结构设计的基本数据,然后基于计算结果设计钢筋混凝土的框架结构,并利用复形状法对框架结构设计的结果进行优化,具体建议措施如下。2.1框架结构验算。针对现代资工程框架结构设计的计算,借助PKPM,TAM,SATWE软件,计算框架结构梁和结构柱的强度、稳定性、刚度等,计算内容如下:1)框架结构抗弯强度计算。在明确同个截面位置两轴弯矩的基础上,根据轴线净截面的模量、截面塑性发展系数、结构抗弯强度设计值,计算出结构的抗弯强度。2)框架结构抗剪强度计算。根据截面沿腹板平面作用的剪力、中和轴面积矩、毛截面惯性矩、腹板厚度、抗剪强度设计值,计算出结构的抗剪强度。3)框架结构局部承压力计算。根据局部集中荷载、集中荷载增大系数、集中荷载假定分布长度,计算出局部承压力。4)框架结构折算应力计算。根据腹板同时产生的正应力、压应力、剪应力,以及折算应力强度设计值的增大系数等,计算出结构的折算应力。5)框架结构局部稳定计算。一方面根据结构构件翼缘板自由外伸宽度、厚度、屈服强度,计算出翼缘板的宽厚比,另一方面在配置加劲肋情况下,为维持腹板的稳定性,可在不设置约束条件的前提下,对局部稳定计算的结果进行优化。6)框架结构刚度计算。在不兼顾荷载分项与动力系数的情况下,根据结构荷载的标准值和框架结构梁的容许挠度值,计算出框架结构的刚度,但在计算过程中,需要根据结构力学的方法,以及借助力学软件。2.2结构设计工艺要求钢筋混凝土结构是框架结构的主要模式之一,以刚接方式,将框架结构梁连接在一起,形成具有相当承重能力的建筑结构体系。关于钢筋混凝土框架结构的设计,具体方法为:1)为保证结构设计的效果符合预期需求,在设计之前,需要对设计图纸文件进行全面了解,以规范设计工作流程的细节性内容,形成具有较强可行性的设计方案。在了解设计方案意图的时候,除了需要掌握图纸每项设计内容的细节,还要根据图纸的要求,以会审的方式解决相关的设计问题,避免这些问题对结构设计效果的影响。2)由于承重体系是直接连接每一层的楼盖和屋盖,从而形成具有整体性功能的结构体系,因此水平承重体系和竖向承重体系的形成,必须根据施工组织设计规程,根据楼盖和屋盖所传递的各种方向荷载,并掌握荷载对地基基础的影响状态。期间在对框架结构设计交底的时候,一方面需要对施工工艺流程进行熟悉,尤其是新技术、新工艺和新材料,另一方面是结合各种施工工艺的技术指标,在设计方案当中融入工艺技术的质量标准和检验方法,以便作为后期施工的参考依据。3)案例工程的框架梁和框架柱采用现浇钢筋混凝土的结构模式,在设计结构体系的时候,要以整体性和抗震性作为结构的功能目标,但出于对现浇钢筋混凝土工程量因素的考虑,框架结构所需的梁柱和楼板,均在施工现场进行预制装配,即在施工现场对钢筋混凝土的框架结构进行焊接和拼装,而某些特殊构件可按照相关的标准委托工厂生产,以此作为框架结构设计的主要方式,不仅能够提高框架结构的整体性能和抗震性能,而且能提高施工效率。2.3主体结构的设计复形法主要针对无约束优化问题的求解,具有适用范围广、简单直接、出错率低等优点,在建筑框架结构设计中,可利用复形法对设计的结果进行优化,主要分为主体优化设计和分部优化设计两级:1)框架结构主体设计优化。首先是框架结构梁截面和结构柱截面特性关系的建立,利用统计归纳的方法,在确定截面惯性矩、抵抗矩、截面面积的基础上,根据截面惯性矩分析框架结构的内部应力分布情况,以及根据抵抗矩和截面面积确定框架结构的应力大小,因此在设计框架主体结构的时候,可通过对截面惯性矩、抵抗矩、截面面积的调整,合理控制框架结构梁和结构柱的应力。其次是钢架结构模式的优化,涉及到的因素包括设计变量、目标函数、约束条件、计算模型,其中设计变量与框架结构梁和结构柱的惯性矩有关,由框架结构梁和结构柱的数量决定,而目标函数则根据梁跨度、柱高度等已知的定值,用于表示框架结构的重量函数,但同时需要考虑强度、刚度、界限、水平位移等因素,以此构建的框架结构计算模型。最后是结构梁柱截面惯性矩的优化设计,可借助之前构建的计算模型,利用复形法编制的分析程序,确定最优的截面惯性矩。2)框架结构分部设计优化。框架结构分部设计的优化,相关参数为待优化截面组成的惯性矩、主体结构优化后的结果、惯性矩正常浮动范围内的内力重新分布容许值,以此构建优化计算模型。首先是结构梁优化计算模型,即根据翼缘截面、宽度、厚度和腹板高度、厚度,对截面形式进行描述,然后根据梁的抗剪强度条件、稳定性条件、界限约束等约束条件,设置目标函数。其次是结构柱优化计算模型,即根据截面翼缘宽度、厚度和腹板高度、厚度,确定需要优化的设计变量,以及根据结构柱的局部稳定性、界限约束等约束条件,设置优化的目标函数。通过以上的优化设计,就能够得出分部框架结构梁和结构柱的数字模型,并合理编制出优化的分析程序,是目前建筑框架结构设计的常见方式之一,值得进一步推广应用。3针对优化框架结构的原则出于对建筑框架结构安全等级、抗震设防等级、耐火等级等的考虑,