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不同地震力作用方向下结构内力比较

2018-08-07 02:19:51 PM

1.引言           福建省海湾桥隧机械有限公司   福建省海湾桥隧机械有限公司    福建省海湾桥隧机械有限公司

近几年地震不断的出现,对人们的生活和工作带了不可扭转的破坏,地震的发生具有不确定性,是不可预见的。在地震中,地震波的扭转效应得不到有效的记录,这对地震设计及预防带来一定的难度。

到目前为止,地震的设计还没有完全做到科学、准确,那么在地震分析时要采用不同的设计分析方法,尽可能的做到合理、科学,地震力的设计不能盲目的依赖于计算,概念设计也非常重要,确定地震力最大方向也是非常重要的。

地震力沿着不同的作用方向,结构的地震反应也各不同,大小不一,那么也必然存在着某个角度使结构的地震反应最大,即结构的最不利的地震作用方向。结构的地震反应是一个关于地震的作用方向角的函数,存在着某个角度使结构的地震反应最大。对于进行地震作用分析的结构,只要求出了各振型纯X方向地震效应值Six,以及纯Y方向地震效应值Siy,便可由此得到矩阵S,得到任意q方向的地震效应组合值S(q)[1], 从而找出构件地震作用的最大方向。

地震分析中,常用的地震方法主要有静力分析法、反应谱分析法、弹性时程分析法、弹塑性时程分析法和地震试验台模拟分析法。反应谱分析法包括阵型分解反应谱法和底部剪力反应谱法。阵型反应谱法是在弹性情况下,将多个自由度分解成多个单自由度的体系进行组合,再求出单自由度体系最大地震力反应,再进行组合,从而得到多自由度体系的最大地震力反应,阵型分解反应谱法还考虑了结构构件的偏心扭转偶联,是实际工程项目中常采用的方法;底部剪力反应谱法采用等效质点体系,将结构的底部地震剪力与单质点的水平地震力等效,结构的水平地震力沿高度分布,结构在主轴方向按单自由度考虑,适用于高度不超过40m,质量和刚度分布均匀,且以剪切变形为主的结构。


2.不同地震力方向下构件的内力分析

2.1分析模型

结构在不同地震力作用下,由于地震的不同输入方向,结构的地震反应也不同,也就造成了结构地震作用效应的不同,本文采用ETABS软件,对实际模型进行模拟,地震分析采用阵型分解反应谱法,对模型按不同角度输入地震力,分别在地震力输入方向上调整底部剪力,将地震波模拟输入到模型中,找出个振型的最大力,再进行组合,得出地震标准值。地震力输入角度分别取分别为0度、15度、30度、45度和60度,得出不同模型中相同位置的梁、柱和墙的内力,并进行内力比较,找出最大内力,从而确定最大地震力效应的的输入方向。

本建筑结构为框架剪力墙结构,水平四榀框架剪力墙,柱距跨度为8m,底层框架柱尺寸为800x1400,框架梁的尺寸为600x600(宽x高),剪力墙的尺寸为400mm厚。

2.2分析结果

梁在不同角度的地震力作用下,内力变化比较明显,当地震力输入角度为0度时,梁端弯矩和剪力最大;当地震力输入角度为60度时,梁端剪力和弯矩最小,即随着地震力输入角度的增大,梁的弯矩和剪力依次减小。地震力输入角度为0度时,即地震沿着结构的主轴方向输入,梁的剪力和弯矩最大,此时梁的设计最为不利。


柱和墙的内力比较:

由图4柱的轴力图和图7墙的轴力图可知:当地震力输入角度为0度时,柱和墙的轴力最大,地震输入角度为60度时,柱和墙的轴力最大,即随着地震力输入角度的增大,柱和墙的轴力依次减小。柱和墙属于压弯构件,在一定范围内,轴力越大对压弯构件越有利,越有利于柱和墙的压弯设计,地震输入角度为0度是,柱和墙的轴力对接哦股设计有利。

柱和墙的剪力和弯矩随着地震力输入角度的增大,剪力和弯矩依次减小,当地震力输入角度为0时,墙和梁的剪力和弯矩呈现最大趋势。对于柱和墙的设计,当地震力输入角度为0度时,内力对结构的设计最为不利,设计结果最为保守。

通过梁、柱和墙的内力比较可以看出:结构的各种构件在地震输入角为0时,即沿着结构主轴方向输入地震力,结构内力最大,地震作用也越明显,对结构也越不利,在地震输入角为60度时内力最小。地震输入角度越小,结构内力越大,地震作用越明显,设计结果最为保守。

本模型采用不同地震角,得到的地震作用力也不同,结构构件的地震响应也不同。当地震力输入角度为0度,即沿着结构的刚度最大的方向正交输入地震力角,作为结构最为不利的地震作用的方向,模型结果符合《建筑抗震设计规范》5.1.1对结构构件抗震的要求。


3.规范对地震的规定

《建筑抗震设计规范》5.1.1[2]第一、二款规定:“一般情况下,应至少在结构两个主轴方向分别计算水平地震作用,各方向的水平地震作用应由该方向抗侧力构件承担;有斜交抗侧力构件的结构,当相交角度大于15°时, 应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用。”本条条文说明解释“某一方向水平地震作用主要由该方向抗侧力构件承担,如该构件带有翼缘、翼墙等,尚应包括翼缘、翼墙的抗侧力作用。考虑到地震可能来自任意方向,为此要求有斜交抗侧力构件的结构,应考虑对各构件的最不利方向的水平地震作用,明确交角大于15°时,应考虑斜向地震作用。”


4.结构的抗震措施

地震的发生具有随机性、不确定性,对于地震的模拟也不能做到绝对的安全准确,这样就对地震的预防带来一定的难度,那么对于地震设计的概念设计更为重要。建筑在结构选型上要做到有利于抗震设计,建筑尽量做到质量轻、均匀对称、结构简单;结构要设置多道抗震防线,加大结构的抗扭强度,协调好抗侧力体系中结构的刚度和延性,同时,构件之间要有良好的平衡性和连结,确保结构的整体性,形成合理的抗震体系。

结构的抗震措施除了做好结构的概念设计外,还要满足抗震规范关于抗震措施和抗震构造措施的规定。


5.结语

本文对实际建筑结构模型,输入不同方向的地震力,找出不同模型相同位置结构构件的内力,通过比较分析,得出内力最大的地震力的输入方向,即在结构分析时要在结构的主轴方向输入地震力,计算地震力作用,结构构件的内力分析沿着地震作用的最大方向最为不利。

在同一个建筑结构,可能存在不同方向的构件,那么就需要对同一模型多次输入不同地震力方向,尽量做到保证结构构件的安全。但也并不是需要输入所有方向,当构件斜向相交角度不大时,可以利用同一地震力输入方向进行设计。

对于不同建筑体系的地震反应,受到不同地震力作用方向的影响,可能不会同时让所有的构件获得最大地震力,不能简单的将最大地震力作用应用到所有的构件,对于复杂的建筑结构,要采用多个地震角度对构件进行抗震设计,以达到构件的最大抗震设计的目的。