王建剛 張 清 李智軍 張心玥 劉媛瑩 梅 源

(1.陜西建工第五建設(shè)集團(tuán)有限公司, 西安 710032； 2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院, 西安 710055)

工業(yè)廠房目前常見的結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[1-3]介紹了對主廠房框排架結(jié)構(gòu)進(jìn)行的彈塑性地震反應(yīng)分析，結(jié)果表明廠房結(jié)構(gòu)能夠滿足7度罕遇地震作用下的層間位移角要求，但縱向和橫向排架結(jié)構(gòu)的薄弱層出現(xiàn)位置有所不同，且框排架結(jié)構(gòu)中由于錯層、局部薄弱或加強(qiáng)，容易引起層間破壞。文獻(xiàn)[4-6]介紹了對火電廠工業(yè)廠房進(jìn)行的試驗研究和有限元模擬，研究結(jié)果表明鋼框排架有較好的延性和良好的抗震性能。但是,目前所研究的工業(yè)廠房主要是針對火電及常見的廠房結(jié)構(gòu)，對于某些廠房跨度較大(如本實例中的半導(dǎo)體工業(yè)廠房)或者荷載較大的情況，原有結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)很難滿足設(shè)計要求，故嘗試采用鋼-混混合結(jié)構(gòu)(SRC 混合結(jié)構(gòu))。本文采用有限元軟件SAP 2000對在實際工程中應(yīng)用的某一SRC混合結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房進(jìn)行了反應(yīng)譜分析和彈塑性動力時程分析，研究其在高烈度區(qū)域的抗震性能，為此類結(jié)構(gòu)形式設(shè)計提供一定的依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)模型

1.1 工程背景

該項目占地面積為106 553 m2，建筑面積為295 122 m2，建筑高度為23.9 m，建筑層數(shù)3層；結(jié)構(gòu)形式為SRC混合結(jié)構(gòu)：即現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)+預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)+鋼結(jié)構(gòu)+型鋼混凝土結(jié)構(gòu)。主廠房的平面、橫向和縱向剖面分別如圖1、圖2和圖3所示。豎向構(gòu)件包括鋼管混凝土柱、鋼筋混凝土柱、型鋼混凝土柱，水平構(gòu)件包括預(yù)制混凝土梁、預(yù)制混凝土板、鋼梁，屋面結(jié)構(gòu)為鋼桁架。廠房中部為主廠房區(qū)(即FAB區(qū))，結(jié)構(gòu)形式為CFT(鋼管混凝土柱)柱+RC(鋼筋混凝土)柱+PC(預(yù)制混凝土)柱+鋼結(jié)構(gòu)屋架；兩側(cè)為支持區(qū)，結(jié)構(gòu)形式為SRC結(jié)構(gòu)柱+鋼柱+鋼筋桁架樓承板，該結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的截面尺寸如圖4所示。鋼材牌號為Q345，柱混凝土強(qiáng)度等級均為C45，板混凝土強(qiáng)度等級為C30。

圖1 廠房結(jié)構(gòu)平面Fig.1 Structual plan of the workshop

圖2 廠房結(jié)構(gòu)A—A剖面Fig.2 Section A-A of the workshop

圖3 廠房結(jié)構(gòu)B—B剖面 mFig.3 Section B-B of the workshop

a—型鋼混凝土柱(H500×500×28×28)； b—鋼管混凝土柱； c—鋼梁(H1 000×400×20×24/H1 000×400×28×40)。圖4 主要構(gòu)件截面 mmFig.4 Cross sections of main members

設(shè)計抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本加速度為0.2g，設(shè)計地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.4 s，抗震設(shè)防類別為乙類。鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比分別為0.04和0.05，水平地震影響系數(shù)最大值為0.16g。結(jié)構(gòu)的抗震等級如表1所示。

表1 廠房結(jié)構(gòu)抗震等級Table 1 Seismic classes of the workshop structure

1.2 有限元建模

選取有限元軟件SAP 2000進(jìn)行分析，模型如圖5所示。模型中梁柱均選擇桿系單元，梁柱之間約束為不釋放彎矩，次梁與主梁之間的約束為釋放彎矩。對于FAB區(qū)的鋼桁架根據(jù)荷載等效簡化為鋼梁；為方便建模，支持區(qū)的斜屋面按平面處理；層間樓板空洞按連續(xù)處理。第1、2層樓面板恒載取1.5 kN/m2，活載取14.0 kN/m2，屋面層活載取0.5 kN/m2，主梁均布活載取9.0 kN/m2，次梁均布活載取10.0 kN/m2。樓板采用膜單元進(jìn)行模擬。

圖5 結(jié)構(gòu)模型Fig.5 The structural model

2 結(jié)構(gòu)振型分析

主廠房的整體模態(tài)分析結(jié)果如圖6所示，第一階周期為0.48 s，振動方向為沿縱向的平動；第二階周期為0.46 s，振動方向為沿橫向的平動；第三階周期為0.42 s，為扭轉(zhuǎn)振動。對比前三階周期可知：前兩階周期差別不大，扭轉(zhuǎn)第一周期和平動第一周期的比值小于0.9，滿足JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[7]對于周期比的限值，表明該模型結(jié)構(gòu)形式是合理的。

a—第一階振型(縱向平動)； b—第二階振型(橫向平動)； c—第三階振型(扭轉(zhuǎn))。圖6 廠房結(jié)構(gòu)的前三階振型Fig.6 The first three vibration modals of the workshop structure

3 振型反應(yīng)譜

結(jié)構(gòu)的阻尼比統(tǒng)一設(shè)置為0.05，周期折減系數(shù)取0.7，采用雙向地震。結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜分析的結(jié)果如圖7所示。從圖中看出：隨著樓層增加，X向和Y向的位移增大，最大水平位移為12.7 mm；層間位移角也隨著樓層增大而增大，最大層間位移角為1/1 429，滿足GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[8]中對于框架結(jié)構(gòu)最大彈性層間位移角1/550的要求，表明該復(fù)合結(jié)構(gòu)廠房在8度區(qū)有著良好的抵抗變形的能力。

a—水平位移；b—層向位移角?！猉向； —Y向。圖7 反應(yīng)譜分析結(jié)果Fig.7 Analysis results by response spectrum

4 彈性時程分析

在振型分解反應(yīng)譜分析的基礎(chǔ)上，采用時程分析法能夠更加全面和真實地研究結(jié)構(gòu)模型的抗震性能。通過設(shè)置多種工況，進(jìn)一步研究其在高烈度區(qū)的地震反應(yīng)，選取有代表性的Ⅱ類場地地震波：El Centro波、蘭州波和人工波，其峰值加速度aPGA分別為341.7 cm/s2(時間間隔0.02 s)、196.2 cm/s2(時間間隔0.02 s)、547.2 cm/s2(時間間隔0.02 s)。

振型分解反應(yīng)譜所計算得到的結(jié)果為橫、縱雙向的，因而對結(jié)構(gòu)的彈性地震時程分析也按雙向地震下進(jìn)行。表2給出了彈性地震作用下的基底剪力和頂層位移角，可以看出：該廠房結(jié)構(gòu)的彈性時程分析結(jié)果符合GB 50011—2010[8]中對于時程分析的要求，位移角均小于1/550。El Centro波的基底剪力和頂層位移角均大于蘭州波和人工波，表明El Centro波相較于蘭州波和人工波有著更加顯著的地震響應(yīng)。該對比結(jié)果同時也表明彈性時程分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，與反應(yīng)譜法互為驗證。

表2 彈性時程分析結(jié)果Table 2 Elastic time-history analysis results

5 彈塑性時程分析

5.1 位移時程

圖8、圖9給出了El Centro波、蘭州波和人工波在7度、8度和9度地震下的位移時程曲線，表3給出了SAP 2000中設(shè)置地震荷載的調(diào)整系數(shù)。從圖中可以看出：隨地震烈度的增加，結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)增大，且罕遇地震下的位移響應(yīng)比多遇地震下的大很多。對比3條地震波作用下結(jié)構(gòu)的位移時程曲線發(fā)現(xiàn)，蘭州波在多遇地震下位移響應(yīng)較大，El Centro波在罕遇地震下位移響應(yīng)較大，而人工波位移響應(yīng)介于兩者之間。結(jié)構(gòu)在3種地震波作用下出現(xiàn)的峰值位移的時間不同，通過對比各地震波本身的加速度時程曲線，發(fā)現(xiàn)位移峰值出現(xiàn)時間與加速度波峰時間一致。

5.2 加速度時程

圖10和圖11給出了結(jié)構(gòu)模型在El Centro波、括號內(nèi)數(shù)值分別用于多遇和罕遇地震下設(shè)計地震加速度分別為0.15g和0.30g的地區(qū)。

a—El Centro波； b—蘭州波； c—人工波。——7度； ……8度； -----9度。圖8 多遇地震下的位移反應(yīng)Fig.8 Displacement responses under frequent earthquakes

a—El Centro波； b—蘭州波； c—人工波?！?度； ……8度； -----9度。圖9 罕遇地震下的位移反應(yīng)Fig.9 Displacement responses under rare earthquakes

表3 時程分析所用地震加速度峰值最大值和調(diào)整系數(shù)Table 3 Ground peak acceleration and adjustment coefficients time-history analysis

a—El Centro波； b—蘭州波； c—人工波?！?度； ……8度； -----9度。圖10 多遇地震下的加速度反應(yīng)Fig.10 Acceleration response under frequent earthquakes

a—El Centro波； b—蘭州波； c—人工波?！?度； ……8度； -----9度。圖11 罕遇地震下的加速度反應(yīng)Fig.11 Acceleration response under rare earthquakes

蘭州波和人工波作用下不同烈度對應(yīng)的加速度時程曲線。隨著地震烈度的增加，結(jié)構(gòu)模型加速度呈現(xiàn)增加趨勢；El Centro波與蘭州波相比，平均加速度響應(yīng)較小，表明蘭州波作用下結(jié)構(gòu)模型的加速度響應(yīng)更為顯著。人工波在多遇地震下加速度響應(yīng)最小，而在罕遇地震下表現(xiàn)出較強(qiáng)的響應(yīng)，表明結(jié)構(gòu)在同一地震波下的響應(yīng)會隨烈度的變化而遵循本身波特性而變化。

5.3 層間位移角

a—El Centro波；b—蘭州波；c—人工波?！庇龅卣?； —多遇地震。圖12 頂層位移角Fig.12 Drift angles of the top floor

圖12給出了3種波在彈塑性時程分析下的結(jié)構(gòu)模型頂層位移角?？梢钥闯觯航Y(jié)構(gòu)模型的層間位移角均隨著地震烈度的增加而變大，多遇地震下的頂層位移角的下降速率大于罕遇地震下的下降速率，其原因在于罕遇地震下地震波的峰值加速度遠(yuǎn)大于多遇地震的峰值加速度，表明結(jié)構(gòu)在罕遇地震下很快達(dá)到甚至超過彈性層間位移角限值，進(jìn)入塑性破壞階段，隨之快速破壞，耗能階段較少。多遇地震下結(jié)構(gòu)會經(jīng)歷一個從彈性到塑性的過程，表現(xiàn)為位移角逐漸變大，變化速率由快到慢。三種波作用下結(jié)構(gòu)的彈塑性層間位移角最大值分別為1/81、1/128、1/110，小于GB 50011—2010[8]中對于框排架結(jié)構(gòu)1/30的限值，表明該廠房具有良好的抗震性能。

5.4 瞬時耗能

從SAP 2000中可直接提取到結(jié)構(gòu)的動能、勢能(應(yīng)變能)阻尼耗能，動力反應(yīng)分析中結(jié)構(gòu)能量以自身的動能為主，通過分析動能的變化可得到結(jié)構(gòu)在地震作用下能量的耗散情況。圖13和圖14所示分別為El Centro波、蘭州波和人工波在多遇和罕遇地震下的瞬時耗能情況?？梢姡核矔r耗能隨著地震烈度的增大而增加，且不論是多遇還是罕遇地震，El Centro波、蘭州波在9度地震作用下瞬時耗能為8度地震作用下的4倍左右，為7度地震作用下的20倍左右。

a—El Centro波；b—蘭州波；c—人工波?！?度； ……8度； -----9度。圖13 多遇地震下的瞬時耗能Fig.13 Instantaneous energy dissipation under frequent earthquakes

a—El Centro波；b—蘭州波；c—人工波?！?度； ……8度； -----9度。圖14 罕遇地震下的瞬時耗能Fig.14 Instantaneous energy dissipation under rave earthquakes

人工波在多遇地震下的瞬時耗能與罕遇地震相差巨大，罕遇地震下變現(xiàn)出很強(qiáng)的能量累積，這與位移和加速度響應(yīng)表現(xiàn)出的規(guī)律相一致，表明地震波能量隨著地震烈度的增大會快速上升，罕遇地震下的能量累計是多遇地震下的幾十倍以上。

El Centro波與蘭州波主要耗能時間段有所不同，但主要都是集中在峰值加速度區(qū)段，人工波耗能階段則主要集中在前期，峰值階段能量得到大幅耗散，結(jié)構(gòu)此時要承受更大的能量沖擊，位移經(jīng)過彈性階段，進(jìn)入塑性階段，結(jié)構(gòu)已經(jīng)接近破壞，同時也表明多遇地震下的抗震設(shè)防措施在罕遇地震下基本失效，但整體結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生倒塌，表明實際工程能夠滿足多遇地震作用下的抗震設(shè)防要求。

6 結(jié)束語

采用有限元軟件SAP 2000對某一實際工程中的SRC混合結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房進(jìn)行地震反應(yīng)分析，通過模態(tài)分析獲得其自振特性，并且采用反應(yīng)譜和彈塑性時程分析兩種方式研究其動力響應(yīng)，結(jié)論如下：

1)結(jié)構(gòu)的周期比滿足JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

2)振型分解反應(yīng)譜法和彈性時程分析法兩者結(jié)果較為接近，獲得結(jié)構(gòu)的最大彈性層間位移角為1/717，滿足GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》限值要求，表明該結(jié)構(gòu)有著良好的抵抗變形的能力，抗震性能較好。

3)彈塑性時程分析得到的結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/81，同樣滿足GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》對于彈塑性位移角的限值，表明該SRC混合結(jié)構(gòu)廠房能夠滿足抗震設(shè)防的要求。瞬時耗能主要集中在加速度峰值段，不同烈度、多遇或罕遇地震下的能量耗散差別很大。