建筑工程框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的地震響應(yīng)分析

建筑工程框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的地震響應(yīng)分析

1案例建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和原則結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)應(yīng)明確結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)、抗疲勞防滑標(biāo)準(zhǔn)和耐火性，并根據(jù)國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定框架的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。1.1鋼板和現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)案例工程為4層的框架結(jié)構(gòu)住宅樓,工程擬設(shè)計(jì)的抗震設(shè)防烈度為6度,其中框架梁和框架柱以Q235鋼作為主材料,樓屋面則以鋼板和現(xiàn)澆混凝土形成層高3m、平均跨度6.4m的組織框架結(jié)構(gòu)。據(jù)設(shè)計(jì)圖紙資料顯示,該建筑框架結(jié)構(gòu)至少能夠承受0.5kN/m2的風(fēng)壓和雪壓,樓層結(jié)構(gòu)的活荷載標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)值為2.0kN/m2。工程借助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件,在平面建模基礎(chǔ)上,計(jì)算出框架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力、平面內(nèi)外穩(wěn)定應(yīng)力、上翼緣受拉時(shí)截面最大應(yīng)力、下翼緣受拉時(shí)截面最大應(yīng)力、剪應(yīng)力等。1.2現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)備工作基于案例工程基本概況,工程根據(jù)實(shí)際確定了框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)內(nèi)容,大致為:1)規(guī)范文件?？蚣芙Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以國(guó)家規(guī)范、現(xiàn)場(chǎng)勘察資料、業(yè)主提供設(shè)計(jì)意向書(shū)為規(guī)范文件,設(shè)計(jì)單位不得脫離這些規(guī)范文件基本要求范圍,并綜合工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際條件,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況展開(kāi)設(shè)計(jì)工作。2)抗震條件?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),抗震等級(jí)、抗震設(shè)防烈度、場(chǎng)地情況等,將結(jié)構(gòu)劃分為四級(jí)抗震等級(jí)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型,其中一級(jí)抗震等級(jí)要求最為嚴(yán)格,是框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。3)場(chǎng)地條件。其中包括施工現(xiàn)場(chǎng)土體的類(lèi)型和等級(jí),以及是否存在地下水和地基土凍結(jié)深度等。案例工程以此在地基處理方案中明確了持力層和地耐力特征值,并對(duì)結(jié)構(gòu)混凝土的材料等級(jí)、強(qiáng)度等級(jí)和耐久性等做出了一系列的標(biāo)準(zhǔn)性規(guī)定。4)其他注意事項(xiàng)。影響框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的因素,除了以上幾方面的設(shè)計(jì)依據(jù)內(nèi)容,材料性能水平高低、施工流程順暢與否、專(zhuān)業(yè)配合默契程度、施工質(zhì)量驗(yàn)收等,都是設(shè)計(jì)時(shí)需要兼顧的注意事項(xiàng),在設(shè)計(jì)工作開(kāi)展時(shí)候,都需要加以考慮。1.3烈度8度剪力墻的設(shè)計(jì)案例工程框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),基本原則可概括為計(jì)算性、全面性、預(yù)防性幾方面的基本原則,具體內(nèi)容為:1)計(jì)算性原則。由于框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及到抗震設(shè)防各種數(shù)據(jù),無(wú)論是樓蓋的布置,還是場(chǎng)地土的改善,都需要對(duì)框架結(jié)構(gòu)相關(guān)的剛性數(shù)據(jù)、柔性數(shù)據(jù)等進(jìn)行計(jì)算,譬如在設(shè)計(jì)抗震設(shè)防烈度8度剪力墻的時(shí)候,雙向梁柱剛接體系需要重點(diǎn)考慮垂直地震作用,因此從震害的視角分析,要通過(guò)縝密計(jì)算得出垂直作用力相關(guān)的數(shù)據(jù),方可保證剪力墻滿(mǎn)足既定的抗震設(shè)防要求。2)全面性原則。框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有復(fù)雜性的特征,涉及到框架梁、框架柱等設(shè)計(jì)內(nèi)容,因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)相對(duì)獨(dú)立的設(shè)計(jì)項(xiàng)進(jìn)行統(tǒng)籌兼顧,譬如在設(shè)置大跨度雨棚時(shí)候,要根據(jù)梁中心線位置的負(fù)彎矩和跨度,考慮如何提高抗扭的水平,另外在設(shè)置框架梁和框架柱的時(shí)候,要根據(jù)梁截面的大小,對(duì)相應(yīng)構(gòu)建的配筋率進(jìn)行計(jì)算。3)預(yù)防性原則?？蚣芙Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最終目的是提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,預(yù)防地震等對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞,為此在設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)的時(shí)候,要考慮各種可能影響結(jié)構(gòu)剛度的因素,譬如電梯梯井設(shè)置剛度較大的混凝土墻,但其他位置不設(shè)置剪力墻,為滿(mǎn)足伸縮縫的要求,需要通過(guò)配筋率加大、架空層鋪設(shè)等方式,做出結(jié)構(gòu)預(yù)防性的合理布局。2框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法基于對(duì)案例工程框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)和原則的了解,筆者認(rèn)為該工程框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),需要在進(jìn)行縝密計(jì)算的基礎(chǔ)上,掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本數(shù)據(jù),然后基于計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)鋼筋混凝土的框架結(jié)構(gòu),并利用復(fù)形狀法對(duì)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化,具體建議措施如下。2.1框架結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。針對(duì)現(xiàn)代資工程框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算,借助PKPM,TAM,SATWE軟件,計(jì)算框架結(jié)構(gòu)梁和結(jié)構(gòu)柱的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、剛度等,計(jì)算內(nèi)容如下:1)框架結(jié)構(gòu)抗彎強(qiáng)度計(jì)算。在明確同個(gè)截面位置兩軸彎矩的基礎(chǔ)上,根據(jù)軸線凈截面的模量、截面塑性發(fā)展系數(shù)、結(jié)構(gòu)抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,計(jì)算出結(jié)構(gòu)的抗彎強(qiáng)度。2)框架結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度計(jì)算。根據(jù)截面沿腹板平面作用的剪力、中和軸面積矩、毛截面慣性矩、腹板厚度、抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,計(jì)算出結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度。3)框架結(jié)構(gòu)局部承壓力計(jì)算。根據(jù)局部集中荷載、集中荷載增大系數(shù)、集中荷載假定分布長(zhǎng)度,計(jì)算出局部承壓力。4)框架結(jié)構(gòu)折算應(yīng)力計(jì)算。根據(jù)腹板同時(shí)產(chǎn)生的正應(yīng)力、壓應(yīng)力、剪應(yīng)力,以及折算應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的增大系數(shù)等,計(jì)算出結(jié)構(gòu)的折算應(yīng)力。5)框架結(jié)構(gòu)局部穩(wěn)定計(jì)算。一方面根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件翼緣板自由外伸寬度、厚度、屈服強(qiáng)度,計(jì)算出翼緣板的寬厚比,另一方面在配置加勁肋情況下,為維持腹板的穩(wěn)定性,可在不設(shè)置約束條件的前提下,對(duì)局部穩(wěn)定計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。6)框架結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算。在不兼顧荷載分項(xiàng)與動(dòng)力系數(shù)的情況下,根據(jù)結(jié)構(gòu)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值和框架結(jié)構(gòu)梁的容許撓度值,計(jì)算出框架結(jié)構(gòu)的剛度,但在計(jì)算過(guò)程中,需要根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法,以及借助力學(xué)軟件。2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工藝要求鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是框架結(jié)構(gòu)的主要模式之一,以剛接方式,將框架結(jié)構(gòu)梁連接在一起,形成具有相當(dāng)承重能力的建筑結(jié)構(gòu)體系。關(guān)于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),具體方法為:1)為保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效果符合預(yù)期需求,在設(shè)計(jì)之前,需要對(duì)設(shè)計(jì)圖紙文件進(jìn)行全面了解,以規(guī)范設(shè)計(jì)工作流程的細(xì)節(jié)性?xún)?nèi)容,形成具有較強(qiáng)可行性的設(shè)計(jì)方案。在了解設(shè)計(jì)方案意圖的時(shí)候,除了需要掌握?qǐng)D紙每項(xiàng)設(shè)計(jì)內(nèi)容的細(xì)節(jié),還要根據(jù)圖紙的要求,以會(huì)審的方式解決相關(guān)的設(shè)計(jì)問(wèn)題,避免這些問(wèn)題對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果的影響。2)由于承重體系是直接連接每一層的樓蓋和屋蓋,從而形成具有整體性功能的結(jié)構(gòu)體系,因此水平承重體系和豎向承重體系的形成,必須根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)規(guī)程,根據(jù)樓蓋和屋蓋所傳遞的各種方向荷載,并掌握荷載對(duì)地基基礎(chǔ)的影響狀態(tài)。期間在對(duì)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)交底的時(shí)候,一方面需要對(duì)施工工藝流程進(jìn)行熟悉,尤其是新技術(shù)、新工藝和新材料,另一方面是結(jié)合各種施工工藝的技術(shù)指標(biāo),在設(shè)計(jì)方案當(dāng)中融入工藝技術(shù)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和檢驗(yàn)方法,以便作為后期施工的參考依據(jù)。3)案例工程的框架梁和框架柱采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)模式,在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)體系的時(shí)候,要以整體性和抗震性作為結(jié)構(gòu)的功能目標(biāo),但出于對(duì)現(xiàn)澆鋼筋混凝土工程量因素的考慮,框架結(jié)構(gòu)所需的梁柱和樓板,均在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行預(yù)制裝配,即在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鋼筋混凝土的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接和拼裝,而某些特殊構(gòu)件可按照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)委托工廠生產(chǎn),以此作為框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要方式,不僅能夠提高框架結(jié)構(gòu)的整體性能和抗震性能,而且能提高施工效率。2.3主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)復(fù)形法主要針對(duì)無(wú)約束優(yōu)化問(wèn)題的求解,具有適用范圍廣、簡(jiǎn)單直接、出錯(cuò)率低等優(yōu)點(diǎn),在建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,可利用復(fù)形法對(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化,主要分為主體優(yōu)化設(shè)計(jì)和分部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)兩級(jí):1)框架結(jié)構(gòu)主體設(shè)計(jì)優(yōu)化。首先是框架結(jié)構(gòu)梁截面和結(jié)構(gòu)柱截面特性關(guān)系的建立,利用統(tǒng)計(jì)歸納的方法,在確定截面慣性矩、抵抗矩、截面面積的基礎(chǔ)上,根據(jù)截面慣性矩分析框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)力分布情況,以及根據(jù)抵抗矩和截面面積確定框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力大小,因此在設(shè)計(jì)框架主體結(jié)構(gòu)的時(shí)候,可通過(guò)對(duì)截面慣性矩、抵抗矩、截面面積的調(diào)整,合理控制框架結(jié)構(gòu)梁和結(jié)構(gòu)柱的應(yīng)力。其次是鋼架結(jié)構(gòu)模式的優(yōu)化,涉及到的因素包括設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)、約束條件、計(jì)算模型,其中設(shè)計(jì)變量與框架結(jié)構(gòu)梁和結(jié)構(gòu)柱的慣性矩有關(guān),由框架結(jié)構(gòu)梁和結(jié)構(gòu)柱的數(shù)量決定,而目標(biāo)函數(shù)則根據(jù)梁跨度、柱高度等已知的定值,用于表示框架結(jié)構(gòu)的重量函數(shù),但同時(shí)需要考慮強(qiáng)度、剛度、界限、水平位移等因素,以此構(gòu)建的框架結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。最后是結(jié)構(gòu)梁柱截面慣性矩的優(yōu)化設(shè)計(jì),可借助之前構(gòu)建的計(jì)算模型,利用復(fù)形法編制的分析程序,確定最優(yōu)的截面慣性矩。2)框架結(jié)構(gòu)分部設(shè)計(jì)優(yōu)化。框架結(jié)構(gòu)分部設(shè)計(jì)的優(yōu)化,相關(guān)參數(shù)為待優(yōu)化截面組成的慣性矩、主體結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的結(jié)果、慣性矩正常浮動(dòng)范圍內(nèi)的內(nèi)力重新分布容許值,以此構(gòu)建優(yōu)化計(jì)算模型。首先是結(jié)構(gòu)梁優(yōu)化計(jì)算模型,即根據(jù)翼緣截面、寬度、厚度和腹板高度、厚度,對(duì)截面形式進(jìn)行描述,然后根據(jù)梁的抗剪強(qiáng)度條件、穩(wěn)定性條件、界限約束等約束條件,設(shè)置目標(biāo)函數(shù)。其次是結(jié)構(gòu)柱優(yōu)化計(jì)算模型,即根據(jù)截面翼緣寬度、厚度和腹板高度、厚度,確定需要優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量,以及根據(jù)結(jié)構(gòu)柱的局部穩(wěn)定性、界限約束等約束條件,設(shè)置優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。通過(guò)以上的優(yōu)化設(shè)計(jì),就能夠得出分部框架結(jié)構(gòu)梁和結(jié)構(gòu)柱的數(shù)字模型,并合理編制出優(yōu)化的分析程序,是目前建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的常見(jiàn)方式之一,值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。3針對(duì)優(yōu)化框架結(jié)構(gòu)的原則出于對(duì)建筑框架結(jié)構(gòu)安全等級(jí)、抗震設(shè)防等級(jí)、耐火等級(jí)等的考慮,