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预制装配整体式混凝土(PC)框架结构基础隔震技术的研究与应用

发布时间:2019-11-04    作者:admin    点击量:

0 引言

国家的经济在不断飞速的发展,人民的生活水平也在逐渐的改善,人们对住宅的要求不再是停留于安全、适用、经济方面,而是更多的追求性能和环境方面,然而现阶段我们国家的建设方式和方法还比较保守,和西方发达国家的低碳、节能、绿色、生态和可持续发展有着很大的理念差异。所以说,我们必须对住宅建设中存在的能耗高、污染严重、巨额投资的问题给予足够的重视,着眼于这些方面,国家在2013年出台了《绿色建筑行动方案》政策。对推广适合工业化生产的预制装配整体式混凝土结构、钢结构等建筑体系进行了重点说明,进一步推动建设工程的预制和装配技术的发展,使得我们国家的建筑工业化技术集成水平得到提升。预制装配整体式框架结构适用于多层、小高层住宅体系建设,具有良好的应用前景,是推动住宅产业化的新型结构体系[1]

1 工程概况

本项目是办公楼项目。为地上六层的多层建筑,办公楼建筑占地面积 637 m2,建筑高度22.80 m。建筑物设计使用年限50年,建筑结构安全等级二级,基础设计等级丙级。建筑物抗震设防类别为标准设防类。工程所在地抗震设防烈度7度,设计基本地震加速度0.10g,设计地震分组第二组,场地类别Ⅱ类,特征周期为0.40 s,地震作用按7度计算。本工程室内地坪±0.000相当于黄海高程4.700 m。基本风压W=0.60 kN/m2,地面粗糙度类别为B类。本项目位于建筑产业化基地园区内,采用预制装配整体式混凝土框架结构形式。构件采用了叠合梁、叠合板和预制墙体等预制构件。

2 结构方案

办公楼工程项目建筑平面规整,非常适合工厂产业化建造,所以该工程宜采用预制装配整体式混凝土框架结构。经调整,结构构件截面可分别取为:框架柱800 mm×600 mm和600 mm×600 mm两种截面、主梁300 mm×650 mm、次梁250 mm× 600 mm、楼板厚150 mm(预制部分板厚70 mm、叠合板厚80 mm),本工程采用C30强度等级的混凝土,梁柱纵筋采用 HRB400级钢筋,箍筋采用HRB400级钢筋。楼面和上人屋面的活荷载标准值均取为2.0 kN/m2,走廊、门厅、餐厅和卫生间活荷载取为2.5 kN/m2。在计算永久荷载时,参照《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)[2]对构件的重度取值,钢筋混凝土构件的重度取25 kN/m2,预制混凝土墙板的重度取24 kN/m2。本项目使用高强预应力混凝土管桩基础,采用200 mm厚的混凝土预制墙板作为预制外墙板,预制内墙板则采用100 mm厚的混凝土预制墙板。

3 计算模型

有限元分析其实就是还原实际工程的数学行为特征[3-4]的过程,这种分析是以物理原型为基础建立的数学模型。通常情况下,一个完整的模型应该包含所有的节点、单元、材料属性和边界条件等等。该工程项目为框架结构,采用的模型单元是梁单元。梁柱均是采用两个节点的三维弹性梁单元,同时具有拉、压、剪、弯和扭的刚度。梁单元的所有节点均包含三个方向的线性位移以及三个方向的旋转位移,每一个节点有6个自由度。如图1所示为在 MIDAS/GEN下建立的项目模型[5]

图1 结构三维模型图
Fig.1 3D model of structure

MIDAS/GEN可进行多种隔、减震技术分析,如可以施加粘弹性消能器、铅芯橡胶支座隔震装置、粘滞阻尼器等进行模拟分析[6]。本工程应用基础隔振技术,在模型柱底部施加铅芯橡胶支座隔震装置,模型如图2、图3所示。

图2 铅芯橡胶支座模型
Fig.2 Model of lead rubber bearing

4 分析结果

隔震体系的计算方法一般情况下采用时程分析法,对多层砌体结构及与其周期相当的结构可采用底部剪力法进行简化计算[7-8]。预制装配整体式混凝土框架结构属于钢筋混凝土框架结构,故采用时程分析法进行分析。

图3 隔震支座布置
Fig.3 Arrangement of isolation bearing

时程分析法是在工程分析的过程中,输入和实际工程相对应的若干条地震加速度记录或人工加速度时程曲线,后期进行积分运算,得出随着地面加速度的不断变化结构的内力和变形的相关数据,在此基础上对结构构件进行截面抗震承载力验算和变形验算。对于本工程,在模型建立后,进行时程分析,以X轴向的Elcent-h地震波进行施加隔震装置与非施加隔震两种情形进行模拟分析对比,分别进行了7度(0.1g)、8度(0.2g)、9度(0.4g)设防烈度下的周期与振型、层剪力(最大值)、层剪力分布、层位移(最大值)对比,结果如图4—图9、表1—表6所示。

表1 周期与振型表格(未设隔震支座)
Table 1 Period and vibration mode (without isolation bearing)

模态号容许误差1 4.042 4 0.643 4 1.554 3 7.频率(rad·s-1) (cycle·s-1)周期/s 61×10 2 4.341 8 0.691 1.447 1 1.72×10 3 4.802 1 0.764 3 1.308 4 2.90×10 4 12.977 9 2.065 5 0.484 1 4.30×10 5 13.859 5 2.205 8 0.453 3 7.97×10 6 15.433 5 2.456 3 0.407 1 1.07×10 7 24.282 7 3.864 7 0.258 8 1.66×10 8 25.978 1 4.134 5 0.241 9 1.53×10 10 37.798 2 6.015 8 0.166 2 2.55×10 92×10 9 28.719 1 4.570 8 0.218 8 5.

从周期与振型表格可以看出,设隔震支座装置后结构振动频率明显比未设隔震支座装置的振动频率小。相反,振动周期则比未施加隔振支座装置的模型要长,其中第一振型下隔震模型的周期为3.329 3 s,非隔震模型周期为1.554 3 s。

表2 周期与振型表格(施加隔震支座)
Table 2 Period and vibration table (with isolation bearing)

模态号周期/s 容许误差1 1.887 2 0.300 4 3.频率(rad·s-1) (cycle·s-1) 329 3 0 2 1.963 8 0.312 6 3.199 5 0 3 2.208 7 0.351 5 2.844 7 0 4 9.560 6 1.521 6 0.657 2 5.34×10 5 9.936 8 1.581 5 0.632 3 1.73×10 6 11.458 3 1.823 6 0.548 4 1.71×10 7 19.867 1 3.161 9 0.316 3 1.83×10 8 21.216 2 3.376 7 0.296 2 7.17×10 10 32.502 1 5.172 9 0.193 3 7.52×10 88×10 9 23.608 2 3.757 4 0.266 1 1.

从层最大剪力图可以看出施加隔震装置的模型各层剪力均比未设隔震装置模型小。其中,在7度(0.1 g)X向地震作用下,非隔震模型最大剪力为 5 870.7 kN,隔震模型最大剪力为2 856.1 kN,非隔震模型最大剪力是隔震模型的2倍多。

图4 层剪力图(未设隔震支座)
Fig.4 Shear diagram(without isolation bearing)

图5 层剪力图(设隔震支座)
Fig.5 Storey shear diagram(with isolation bearing)

而非隔震模型最大层位移为68.7 mm,结构首层相对地面位移为0 mm,因此结构为摆动,隔震模型最大层位移为41.9 mm,首层层位移为37.5 mm,与最大层位移较为接近,结构接近平动;从层剪力布置输出图形可以看出非隔震模型比隔震模型遭受到的地震剪力更强烈。

图6 层位移图(未设隔震支座)
Fig.6 Inter-storey displacement(without isolation bearing)

图7 层位移图(设隔震支座)
Fig.7 Inter-storey displacement(with isolated bearing)

在8度(0.2g)X向地震作用下,非隔震模型最大剪力为11 941.5 kN,隔震模型最大剪力为5 112.2 kN,非隔震模型最大剪力比隔震模型多出2.3倍。在9度(0.4 g)X向地震作用下,非隔震模型最大剪力为24 883.1 kN,隔震模型最大剪力为10 104.4 kN,非隔震模型最大剪力比隔震模型多出接近2.5倍。

图8 层剪力时程图(未设隔震支座)
Fig.8 Shear force time-history curve(without isolation bearing)

在8度(0.2g)X向地震作用下,非隔震模型最大层位移为137.4 mm,隔震模型最大层位移与首层层位移分别为83.9 mm和75.0 mm;在9度(0.4g)X向地震作用下,非隔震模型最大层位移为274.9 mm,隔震模型最大层位移与首层层位移分别为167.8 mm和150.0 mm。

对比7度(0.1g)、8度(0.2g)、9度(0.4g)设防烈度下隔震模型与非隔震模型最大层剪力可得:设防烈度越高,隔震模型更有效地抗震减震;通过对比层位移可得:设防烈度越高,非隔震模型摆动更剧烈,而隔震模型均保持于接近平动,同样得到了设防烈度越高,隔震模型更有效抗震的结论。

采用时程分析法对隔振结构进行设计计算时,应至少选取3组地震波进行模拟计算,该工程选取除上述所列Elcent-h波外,还选取了Taft波和El-centro波,在此不一一列出。经过3组地震波进行模拟计算后,并进行了最大层剪力的筛选,可以按弹性计算所得的隔震与非隔震各层层间剪力的最大比值计算水平向减震系数β。该工程经计算得出水平减震系数β为0.33,根据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)[10],设防烈度为7 (0.10g)度,β<0.4时上部结构抗震措施可按6 (0.05g)度计算[9]

图9 层剪力时程图(设隔震支座)
Fig.9 Shear force time-history curve of the floor(with isolated bearing)

表3 7度、8度、9度层剪力(未设隔震支座)
Table 3 Shear force for 7,8,9 degree(without isolation bearing) kN

层AbsMax-X/7度 AbsMax-Y/7度 AbsMax-X/8度 AbsMax-Y/8度 AbsMax-X/9度 AbsMax-Y/9度1F 5 870.7 1 132.4 11 941.5 2 264.8 24 883.1 4 529.6 2F 5 628.1 1 055.3 11 256.3 2 110.7 22 512.6 4 221.5 3F 5 211.7 922.9 10 423.5 1 845.8 20 487.1 3 691.6 4F 4 482.6 776.6 8 965.3 1 553.2 17 930.6 3 106.5 5F 3 461.7 591.9 6 923.5 1 183.9 13 847.1 2 367.8 6F 2 158.4 333.7 4 316.9 667.5 8 633.8 1 335.1屋顶0 0 0 0 0 0

表4 7度、8度、9度层剪力(设隔震支座)
Table 4 Shear force for 7,8,9 degree(with isolation bearing) kN

层AbsMax-X/7度 AbsMax-Y/7度 AbsMax-X/8度 AbsMax-Y/8度 AbsMax-X/9度 AbsMax-Y/9度1F 2 856.1 38.2 5 112.2 76.5 10 104.4 153.1 2F 2 123.3 35.0 4 246.6 70.1 8 493.3 140.3 3F 1 710.1 30.9 3 420.2 61.8 6 840.5 123.7 4F 1 293.2 26.3 2 586.4 52.7 5 172.9 105.4 5F 873.3 19.7 1 746.7 39.5 3 493.4 79.1 6F 449.4 11.0 898.9 22.18 1 797.8 44.4屋顶0 0 0 0 0 0

表5 7度、8度、9度层剪位移(未设隔震支座)
Table 5 Shear displacement for 7,8,9 degree(without isolation bearing) mm

层AbsMax-X/7度 AbsMax-Y/7度 AbsMax-X/8度 AbsMax-Y/8度 AbsMax-X/9度 AbsMax-Y/9度1F 0 0 0 0 0 0 2F 8.9 0.6 17.9 1.3 35.9 2.7 3F 19.2 1.3 38.4 2.7 76.9 5.5 4F 31.2 2.2 62.5 4.4 125.1 8.8 5F 44.1 3.1 88.2 6.2 176.4 12.4 6F 56.8 4.0 113.6 8.0 227.3 16.0屋顶 68.7 4.8 137.4 9.7 274.9 19.4

表6 7度、8度、9度层位移(设隔震支座)
Table 6 Shear displacement for 7,8,9 degree(with isolation bearing) mm

层AbsMax-X/7度 AbsMax-Y/7度 AbsMax-X/8度 AbsMax-Y/8度 AbsMax-X/9度 AbsMax-Y/9度1F 37.5 0.1 75.0 0.1 150.0 0.3 2F 38.4 0.1 76.9 0.2 153.9 0.5 3F 39.2 0.1 78.4 0.3 156.8 0.7 4F 39.9 0.2 79.8 0.4 159.7 0.8 5F 40.6 0.2 81.2 0.5 162.5 0.9 6F 41.3 0.3 82.6 0.5 165.2 1.0屋顶 41.9 0.3 83.9 0.6 167.8 1.2

5 结论

(1)通过有限元的分析对比,设隔震支座振动周期变长,最大层剪力减小,这是有利于多层框架结构的抗震。且设隔震支座后在地震作用下,结构的反应由摆动转变为平动,对于预制装配整体式结构而言,平动更有利于节点抗震,是有利于预制装配整体式抗震措施的有利做法,得出设隔震支座装置的结构更有利于抵御地震作用,而且隔震支座装置能改善预制装配整体式结构抗震性能、整体性能。因此,对于预制装配整体式结构而言,基础隔震技术的应用是必要的,建议应用基础隔震技术于预制装配整体式结构。

(2)预制装配整体式混凝土框架结构的整体性能和抗震性能与传统现浇结构基本一致。因此,预制装配整体式混凝土框架结构在设计上可先按现浇框架结构进行有限元分析,再对各个构件增加相应的构造措施。

(3)隔震结构在地震作用下振动周期比非隔振结构大,其中隔震结构模型振动周期为3.329 3 s,非隔震结构模型振动周期为1.554 3 s;数据表明抗震设防烈度越高,隔震结构比非隔震结构剪力数值小得越多;层位移对比则表明非隔震结构晃动强烈,隔震结构仍保持平动;并通过三组地震波模拟分析后,得到水平减震系数β= 0.33,β小于0.4,上部结构抗震措施可降一度计算。从而验证了基础隔震技术对结构的有效性,更表明了基础隔震技术应用于预制装配整体式结构的必要性。

(4)实际项目中我们可以首先借助有限元分析软件MIDAS/GEN对实际的预制装配整体式混凝土框架结构项目进行有限元的模拟和分析,分析结果可以为相应的项目结构设计和施工生产提供参考。


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