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行業動態

不同地震力作用方向下結構內力比較

2018-08-07 02:19:51 PM

1.引言                  

近幾年地震不斷的出現,對人們的生活和工作帶了不可扭轉的破壞,地震的發生具有不確定性,是不可預見的。在地震中,地震波的扭轉效應得不到有效的記錄,這對地震設計及預防帶來一定的難度。

到目前爲止,地震的設計還沒有完全做到科學、准確,那麽在地震分析時要采用不同的設計分析方法,盡可能的做到合理、科學,地震力的設計不能盲目的依賴于計算,概念設計也非常重要,確定地震力最大方向也是非常重要的。

地震力沿著不同的作用方向,結構的地震反應也各不同,大小不一,那麽也必然存在著某個角度使結構的地震反應最大,即結構的最不利的地震作用方向。結構的地震反應是一個關于地震的作用方向角的函數,存在著某個角度使結構的地震反應最大。對于進行地震作用分析的結構,只要求出了各振型純X方向地震效應值Six,以及純Y方向地震效應值Siy,便可由此得到矩陣S,得到任意q方向的地震效應組合值S(q)[1], 從而找出構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靜力分析法、反應譜分析法、彈性時程分析法、彈塑性時程分析法和地震試驗台模擬分析法。反應譜分析法包括陣型分解反應譜法和底部剪力反應譜法。陣型反應譜法是在彈性情況下,將多個自由度分解成多個單自由度的體系進行組合,再求出單自由度體系最大地震力反應,再進行組合,從而得到多自由度體系的最大地震力反應,陣型分解反應譜法還考慮了結構構件的偏心扭轉偶聯,是實際工程項目中常采用的方法;底部剪力反應譜法采用等效質點體系,將結構的底部地震剪力與單質點的水平地震力等效,結構的水平地震力沿高度分布,結構在主軸方向按單自由度考慮,適用于高度不超過40m,質量和剛度分布均勻,且以剪切變形爲主的結構。


2.不同地震力方向下構件的內力分析

2.1分析模型

結構在不同地震力作用下,由于地震的不同輸入方向,結構的地震反應也不同,也就造成了結構地震作用效應的不同,本文采用ETABS軟件,對實際模型進行模擬,地震分析采用陣型分解反應譜法,對模型按不同角度輸入地震力,分別在地震力輸入方向上調整底部剪力,將地震波模擬輸入到模型中,找出個振型的最大力,再進行組合,得出地震標准值。地震力輸入角度分別取分別爲0度、15度、30度、45度和60度,得出不同模型中相同位置的梁、柱和牆的內力,並進行內力比較,找出最大內力,從而確定最大地震力效應的的輸入方向。

本建築結構爲框架剪力牆結構,水平四榀框架剪力牆,柱距跨度爲8m,底層框架柱尺寸爲800x1400,框架梁的尺寸爲600x600(寬x高),剪力牆的尺寸爲400mm厚。

2.2分析結果

梁在不同角度的地震力作用下,內力變化比較明顯,當地震力輸入角度爲0度時,梁端彎矩和剪力最大;當地震力輸入角度爲60度時,梁端剪力和彎矩最小,即隨著地震力輸入角度的增大,梁的彎矩和剪力依次減小。地震力輸入角度爲0度時,即地震沿著結構的主軸方向輸入,梁的剪力和彎矩最大,此時梁的設計最爲不利。


柱和牆的內力比較:

由圖4柱的軸力圖和圖7牆的軸力圖可知:當地震力輸入角度爲0度時,柱和牆的軸力最大,地震輸入角度爲60度時,柱和牆的軸力最大,即隨著地震力輸入角度的增大,柱和牆的軸力依次減小。柱和牆屬于壓彎構件,在一定範圍內,軸力越大對壓彎構件越有利,越有利于柱和牆的壓彎設計,地震輸入角度爲0度是,柱和牆的軸力對接哦股設計有利。

柱和牆的剪力和彎矩隨著地震力輸入角度的增大,剪力和彎矩依次減小,當地震力輸入角度爲0時,牆和梁的剪力和彎矩呈現最大趨勢。對于柱和牆的設計,當地震力輸入角度爲0度時,內力對結構的設計最爲不利,設計結果最爲保守。

通過梁、柱和牆的內力比較可以看出:結構的各種構件在地震輸入角爲0時,即沿著結構主軸方向輸入地震力,結構內力最大,地震作用也越明顯,對結構也越不利,在地震輸入角爲60度時內力最小。地震輸入角度越小,結構內力越大,地震作用越明顯,設計結果最爲保守。

本模型采用不同地震角,得到的地震作用力也不同,結構構件的地震響應也不同。當地震力輸入角度爲0度,即沿著結構的剛度最大的方向正交輸入地震力角,作爲結構最爲不利的地震作用的方向,模型結果符合《建築抗震設計規範》5.1.1對結構構件抗震的要求。


3.規範對地震的規定

《建築抗震設計規範》5.1.1[2]第一、二款規定:“一般情況下,應至少在結構兩個主軸方向分別計算水平地震作用,各方向的水平地震作用應由該方向抗側力構件承擔;有斜交抗側力構件的結構,當相交角度大于15°時, 應分別計算各抗側力構件方向的水平地震作用。”本條條文說明解釋“某一方向水平地震作用主要由該方向抗側力構件承擔,如該構件帶有翼緣、翼牆等,尚應包括翼緣、翼牆的抗側力作用。考慮到地震可能來自任意方向,爲此要求有斜交抗側力構件的結構,應考慮對各構件的最不利方向的水平地震作用,明確交角大于15°時,應考慮斜向地震作用。”


4.結構的抗震措施

地震的發生具有隨機性、不確定性,對于地震的模擬也不能做到絕對的安全准確,這樣就對地震的預防帶來一定的難度,那麽對于地震設計的概念設計更爲重要。建築在結構選型上要做到有利于抗震設計,建築盡量做到質量輕、均勻對稱、結構簡單;結構要設置多道抗震防線,加大結構的抗扭強度,協調好抗側力體系中結構的剛度和延性,同時,構件之間要有良好的平衡性和連結,確保結構的整體性,形成合理的抗震體系。

結構的抗震措施除了做好結構的概念設計外,還要滿足抗震規範關于抗震措施和抗震構造措施的規定。


5.結語

本文對實際建築結構模型,輸入不同方向的地震力,找出不同模型相同位置結構構件的內力,通過比較分析,得出內力最大的地震力的輸入方向,即在結構分析時要在結構的主軸方向輸入地震力,計算地震力作用,結構構件的內力分析沿著地震作用的最大方向最爲不利。

在同一個建築結構,可能存在不同方向的構件,那麽就需要對同一模型多次輸入不同地震力方向,盡量做到保證結構構件的安全。但也並不是需要輸入所有方向,當構件斜向相交角度不大時,可以利用同一地震力輸入方向進行設計。

對于不同建築體系的地震反應,受到不同地震力作用方向的影響,可能不會同時讓所有的構件獲得最大地震力,不能簡單的將最大地震力作用應用到所有的構件,對于複雜的建築結構,要采用多個地震角度對構件進行抗震設計,以達到構件的最大抗震設計的目的。