关于底部框架-上部门式刚架结构体系的探讨.pdf
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1、36化工设计 2023,33(4)CHEMICAL ENGINEERING DESIGN关于底部框架-上部门式刚架结构体系的探讨葛小珲*中国成达工程有限公司成都610041摘要底部框架-上部门式刚架结构体系在工业建筑和仓储类建筑中时有出现,但目前规范并没有类似结构体系的相关规定。本文针对这类结构体系的整体性能及二层门式刚架的鞭梢效应进行分析,探讨类似结构的设计重点和注意事项。关键词底框门式刚架鞭梢效应 DOI:10.3969/j.issn.1007-6247.2023.04.009工业建筑和现代物流仓储建筑时常会出现底部混凝土框架结构(或钢框架)-上部门式刚架的结构体系,这种结构体系在现行国家
2、规范中没有相应的规定,进行结构设计时,在结构体系分析、指标控制及抗震措施等方面没有相应的规范依据,往往需要进行专项研究和论证。下文仅针对这种结构体系的特点,对其整体性能和鞭梢效应的影响大小进行探讨。1底框门刚结构体系与其他常用结构体系的对比两层工业及仓储物流建筑通常采用如下八种结构体系:(1)体系 1:单层门式刚架,柱脚铰接。(2)体系 2:单层门式刚架,柱脚刚接。(3)体系 3:一层为钢框架结构,二层为门式刚架结构,门式刚架柱脚铰接。(4)体系 4:一层为钢框架结构,二层为门式刚架结构,门式刚架柱脚刚接。(5)体系 5:一层为混凝土框架结构,二层为门式刚架结构,门式刚架柱脚铰接。(6)体系
3、6:一层为混凝土框架结构,二层为门式刚架结构,门式刚架柱脚刚接。(7)体系 7:一层为混凝土框架-支撑结构,二层为门式刚架结构,门式刚架柱脚铰接。(8)体系 8:一层为混凝土框架-支撑结构,二层为门式刚架结构,门式刚架柱脚刚接。本文将针对一栋 24 m47 m 的两层仓储库房建筑,采用不同结构体系进行对比分析。场地条件:7 度(0.10 g),地震分组第三组,场地类别为类,场地特征周期为 0.45 s,基本风压为 0.3 kPa。建筑各层平面布置图见图 1 图 3:*葛小珲:高级工程师。2007 年毕业于重庆大学结构工程专业获硕士学位。从事结构工程设计工作。联系电话:18140222087,E
4、-mail:。图 1一层 0.000 标高平面布置图图 2二层 11.000 标高平面布置图葛小珲关于底部框架-上部门式刚架结构体系的探讨372023,33(4)图 3屋面 23.000 标高平面布置图上述建筑采用小震弹性进行分析,各个体系层间位移角应力比见表 1、表 2。从上述各体系的对比表格可以看出:(1)当门式刚架柱脚铰接时,在风荷载工况下,刚架位移及刚架应力比基本一致;在地震工况下,底部框架-上部门式刚架结构体系中的上部门式刚架的侧向位移明显大于单层门式刚架,上部门式刚架的鞭梢效应明显,但门式刚架柱和刚架梁的应力比相差不大。(2)当门式刚架柱脚刚接时,在风荷载工况下,底部框架-上部门式
5、刚架结构体系中的上部门式刚架的侧向位移略大于单层门式刚架,随着底部框架刚度的增加,上部门式刚架的侧向位移稍有减少;在地震工况下,底部框架-上部门式刚架结构体系中的上部门式刚架的侧向位移大于单层门式刚架,上部门式刚架的鞭梢效应明显,门式刚架柱和刚架梁的应力比比单层门式刚架增加了约 10%。表 1柱脚铰接情况各结构体系柱脚铰接时的层间位移角及应力比体系Y 方向 第一周期风荷载工况下 一层层间位移角风荷载工况下 二层层间位移角地震工况下 一层层间位移角地震工况下 二层层间位移角二层钢柱 最大应力比二层刚架梁最大应力比体系 1:单层门式刚架,柱脚铰接0.94441/1421/10660.861.05体
6、系 3:钢框架结构+门式刚架结构,门式刚架柱脚铰接1.08931/8821/1441/12181/4810.861.04体系 5:混凝土框架结构+门式刚架结构,门式刚架柱脚铰接0.99851/17031/1441/14481/4080.861.03体系 7:混凝土框架-支撑结构+门式刚架结构,门式刚架柱脚铰接0.93391/99991/1441/99991/10460.861.03表 2各结构体系柱脚刚接时的层间位移角及应力比体系Y 方向 第一周期风荷载工况下 一层层间位移角风荷载工况下 二层层间位移角地震工况下 一层层间位移角地震工况下 二层层间位移角二层钢柱 最大应力比二层刚架梁最大应力比
7、体系 2:单层门式刚架,柱脚刚接0.51491/5071/22590.910.74体系 4:钢框架结构+门式刚架结构,门式刚架柱脚刚接1.02061/8211/4241/9621/17991.010.77体系 6:混凝土框架结构+门式刚架结构,门式刚架柱脚刚接0.87191/15051/4311/11611/12840.980.77体系 8:混凝土框架-支撑结构+门式刚架结构,门式刚架柱脚刚接0.52641/99991/4571/99991/19150.990.862横向荷载作用下结构的鞭梢效应与下部结构刚度的关系从上面的试算可以看出:对于两层的仓储类结构,风荷载产生的鞭梢效应并不明显,但在地
8、震作用下,随着下部结构体系刚度的变化,上部门式刚架的鞭梢效应出现了明显的变化。为了明确下部结构刚度与上部门式刚架鞭梢效应的关系,本文针对不同的下部结构刚度进行了进一步的对比,同时增加了体系 9 体系21的结构数据,以增大统计样本。对比结果见表 3:38化工设计 2023,33(4)CHEMICAL ENGINEERING DESIGN从表 3 可以看出:第二层门式刚架的自振周期为 0.5149 s,场地的特征周期为 0.45 s。门式刚架的最大侧向位移出现在下部结构自振周期介于0.5149 s 和 0.45 s 之间时。初步判断,当二层门式刚架的自振周期与下部结构自振周期接近,以及下部门式刚架
9、的自振周期与场地的特征周期接近时,都会产生明显的鞭梢效应。由于表 3 中的示例,二层门式刚架的自振周期与场地的特征周期相近,无法判断哪个因素对鞭梢效应的影响更大。本文再将门式刚架柱脚设置为铰接,增大二层门式刚架的自振周期进行进一步分析,见表 4。从表 4 可以看出:第二层门式刚架的自振周期为 0.9444 s,场地的特征周期为 0.45 s,当门式刚架柱脚铰接时,基本规律与表 3 柱脚刚接一致。二层门式刚架的最大位移出现在下部结构自振周期为0.9037 s 时,可以判断:当二层门式刚架的自振周期与下部结构自振周期接近时,对鞭梢效应的增大作用更明显。同时对比表 3、表 4,铰接柱脚的门式刚架的鞭
10、梢效应没有刚接柱脚的门式刚架对下部结构刚度变化敏感,但是由于其本身刚度较低,侧向位移较大。刚度越大,门式刚架的鞭梢效应越明显。3门式刚架结构的控制工况本文中结构基本风压为 0.3 kPa,该风荷载为偏小的风压值,本文逐渐提高地震荷载,研究主要情况下,二层门式刚架结构的控制荷载。柱脚铰接情况见表 5,柱脚刚接情况见表 6。从表 5 可以看出,门式刚架柱脚铰接情况下:单层门式刚架,风荷载为控制工况;二层结构,除下部结构自振周期与场地特征周期相近的情况外,其他情况下,风荷载基本为控制工况。从表 6 可以看出,门式刚架柱脚刚接情况下:单层门式刚架,风荷载基本为控制工况;二层结构,地震烈度为 7 度及以
11、下时,风荷载为控制工况;在高烈度时,上部门式刚架的鞭稍效应逐渐明显,控制作用逐渐由风荷载作用变为地震荷载作用;地震烈度为 9 度时,地震荷载基本为控制工况。表 3各结构体系柱脚刚接时的层间位移角及应力比体系Y 方向第一周期下部结构自振周期地震工况下一层层间位移角地震工况下二层层间位移角体系 2:单层门式刚架,柱脚刚接0.51491/2259体系 4:钢框架结构+门式刚架结构,门式刚架柱脚刚接1.01000.93831/9621/1799体系 6:混凝土框架结构+门式刚架结构,门式刚架柱脚刚接0.87190.81531/11611/1284体系 10:混凝土框架结构+门式刚架结构,门式刚架柱脚刚
12、接(混凝土柱截面 8001200)0.61820.52281/25131/751体系 17:混凝土框架结构+门式刚架结构,门式刚架柱脚刚接(混凝土柱截面 8001300)0.59430.48391/29681/747体系 18:混凝土框架结构+门式刚架结构,门式刚架柱脚刚接(混凝土柱截面 8001450)0.57080.45161/36141/786体系 19:混凝土框架结构+门式刚架结构,门式刚架柱脚刚接(混凝土柱截面 8001550)0.56020.41191/40131/831体系12:混凝土框架-支撑结构+门式刚架结构,门式刚架柱脚刚接(柱截面 800800 下部设置二道支撑)0.53
13、070.24741/99991/1595体系14:混凝土框架-支撑结构+门式刚架结构,门式刚架柱脚刚接(柱截面 800800 下部设置三道支撑)0.52820.20571/99991/1765体系16:混凝土框架-支撑结构+门式刚架结构,门式刚架柱脚刚接(柱截面 800800 下部设置四道支撑)0.5270.181/99991/1858体系 8:混凝土框架-支撑结构+门式刚架结构,门式刚架柱脚刚接(柱截面 800800 下部设置五道支撑)0.52640.16231/99991/1915葛小珲关于底部框架-上部门式刚架结构体系的探讨392023,33(4)表 4各结构体系柱脚铰接且下部结构刚度变
14、化时的周期及层间位移角体系Y 方向第一周期下部结构自振周期地震工况下一层层间位移角地震工况下二层层间位移角体系 1:单层门式刚架,柱脚铰接0.94441/1066体系 20:混凝土框架结构+门式刚架结构,门式刚架柱脚铰接(650650 混凝土柱)1.2361.15041/8361/603体系 3:钢框架结构+门式刚架结构,门式刚架柱脚铰接1.08930.93831/12181/481体系 21:混凝土框架+铰接(混凝土柱截面 750750)1.04110.90371/13071/402体系 5:混凝土框架结构+门式刚架结构,门式刚架柱脚铰接(混凝土柱截面 800800)0.99850.8153
15、1/14481/408体系 9:混凝土框架结构+门式刚架结构,门式刚架柱脚铰接(混凝土柱截面 8001300)0.94520.52281/21071/700体系 11:混凝土框架-支撑结构+门式刚架结构,门式刚架柱脚铰接(柱截面 800800 下部设置二道支撑)0.93510.24741/89481/1000体系 13:混凝土框架-支撑结构+门式刚架结构,门式刚架柱脚铰接(柱截面 800800 下部设置三道支撑)0.93440.20571/99991/1025体系 15:混凝土框架-支撑结构+门式刚架结构,门式刚架柱脚铰接(柱截面 800800 下部设置四道支撑)0.9340.181/9999
16、1/1038体系 7:混凝土框架-支撑结构+门式刚架结构,门式刚架柱脚铰接(柱截面 800800 下部设置五道支撑)0.93390.16231/99991/1046表 5各结构体系柱脚铰接时不同地震烈度情况下的二层层间位移角体系风荷载工况下二层层间位移角地震工况下二层层间位移角7 度 0.1g7 度 0.15g8 度 0.20g8 度 0.30g9 度 0.40g体系 1:单层门式刚架,柱脚铰接1/1471/10661/7111/5331/3551/266体系 3:钢框架结构+门式刚架结构,门式刚架柱脚铰接1/1471/4811/3201/2401/1601/120体系 5:混凝土框架结构+门
17、式刚架结构,门式刚架柱脚铰接1/1471/4081/2721/2041/1361/102体系 9:混凝土框架结构+门式刚架结构,门式刚架柱脚铰接(混凝土柱截面 8001200)1/1471/7001/4661/3501/2331/175体系 11:混凝土框架-支撑结构+门式刚架结构,门式刚架柱脚铰接(柱截面 800800 下部设置二道支撑)1/1471/10001/6671/5001/3331/250体系 13:混凝土框架-支撑结构+门式刚架结构,门式刚架柱脚铰接(柱截面 800800 下部设置三道支撑)1/1471/10251/6831/5121/3411/256体系 15:混凝土框架-支撑
18、结构+门式刚架结构,门式刚架柱脚铰接(柱截面 800800 下部设置四道支撑)1/1471/10381/6921/5191/3461/259体系 7:混凝土框架-支撑结构+门式刚架结构,门式刚架柱脚铰接(柱截面 800800 下部设置五道支撑)1/1471/10461/6971/5231/3481/2614结语(1)此类结构体系在现行国家规范中没有相应规定,但是在实际工程中却时常运用,这就要求设计人员在工程设计中应特别注意这种结构体系的特殊性,特别是上部和下部两种不同结构体系间的相互影响和力学假定的区别。下部框架结构一般为混凝土屋面符合刚性楼板假定,但是二层门式刚架大部分情况是轻钢屋面,不能很
19、好地实现刚性楼板假定,因此,建议此类结构采用三维空间计算和单榀40化工设计 2023,33(4)CHEMICAL ENGINEERING DESIGN排架计算包络设计。(2)两层门式刚架结构,其下部结构的自振周期直接影响二层门式刚架的最大侧移。二层门式刚架的最大侧移发生在下部结构自振周期介于场地自振周期和二层门式刚架自振周期之间。当下部结构的自振周期与二层门式刚架自振周期接近时,结构的鞭梢效应最显著。因此,在结构设计时,应尽量使结构自振周期远离二层门式刚架的自振周期和场地的特征周期。(3)二层门式刚架的刚度越大,鞭梢效应越明显,构件的应力比越大。在进行结构设计时,应根据建筑不同的使用功能和结构
20、工况,选择合适的结构体系,而不是单纯的选择刚度大的结构或刚度小的结构。(4)结构的鞭梢效应随着二层门式刚架刚度的增加以及地震烈度的增加而增加。在中低烈度区,二层门式刚架控制工况基本为风荷载工况。在高烈度区进行两层门式刚架设计时,则应特别注意结构的鞭梢效应。参考文献1 万睿.屋面高大女儿墙结构分析与设计建议J .城市建设理论研究,2015,5(32):2792-2793.2 曾桂香.高层建筑顶部细小突出物的鞭梢效应J.自然灾害学报,2008,17(4):143-146.(收稿日期2023-04-20)三聚氰胺结晶器流场模拟与结构优化高压锆钢复合板设备热气循环试验参数研究表 6各结构体系柱脚刚接时
21、不同地震烈度情况下的二层层间位移角体系风荷载工况下二层层间位移角地震工况下二层层间位移角7度0.1g 7度0.15g 8 度 0.20g 8 度 0.30g 9 度 0.40g体系 2:单层门式刚架,柱脚刚接1/5671/22591/15061/11291/7531/564体系 4:钢框架结构+门式刚架结构,门式刚架柱脚 刚接1/4341/17991/11991/8991/5991/449体系 6:混凝土框架结构+门式刚架结构,门式刚架柱脚刚接1/4411/12841/8561/6421/4281/321体系 10:混凝土框架结构+门式刚架结构,门式刚架柱脚刚接(混凝土柱截面 8001200)
22、1/4671/7511/5001/3751/2501/187体系 12:混凝土框架-支撑结构+门式刚架结构,门式刚架柱脚刚接(柱截面 800800 下部设置二道支撑)1/4671/15951/10631/7971/5311/398体系 14:混凝土框架-支撑结构+门式刚架结构,门式刚架柱脚刚接(柱截面 800800 下部设置三道支撑)1/4671/17651/11761/8821/5881/441体系 16:混凝土框架-支撑结构+门式刚架结构,门式刚架柱脚刚接(柱截面 800800 下部设置四道支撑)1/4681/18581/12381/9291/6191/464体系 8:混凝土框架-支撑结构
23、+门式刚架结构,门式刚架柱脚刚接(柱截面 800800 下部设置五道支撑)1/4681/19151/12771/9571/6381/478Analysis of LNG Cold Energy Power Generation ModeRen Jin(Wison Engineering(China)Co.Ltd.Beijing Branch,Beijing 100020)In this paper,a project example is used to apply the Rankine cycle to the combined power generation process flow.
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