单层工业厂房抗震性能探究

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1、单层工业厂房抗震性能探究　　摘要：本文针对单层工业厂房的地震反应分析主要采用平面模型的研究现状，进行了空间有限元模型和非线性模型研究。将空间模型和平面模型进行对比，分析各模型优缺点；介绍了结构非线性分析的方法，在此基础上，采用有限元软件建立单层厂房空间有限元模型。通过分析，验证了非线性分析模型的可靠性，并对厂房结构的抗震性能进行评估，得到了单层工业厂房结构的破坏模式，为工程实际提供了参考。关键词：厂房抗震有限元非线性中图分类号：TU591文献标识码：A文章编号：1前言单层钢筋混凝土柱厂房多采用预制构件，从造价、施工到日常维护，与其它结构类型建筑相比都有

2、着明显的优势[1]。目前仍是我国各工业区内厂房的主要结构形式，若这些工业区发生地震，将产生严重破坏，导致企业或部分车间震后处于停产状态，造成的经济损失非常巨大，严重影响国民经济发展。根据近年来有关单层厂房的震害资料可以看出，单层厂房的抗震性能有待提高，对单层工业厂房的抗震性能的研究仍然非常必要。2厂房震害概述7单层厂房的破坏主要是因为体系内存在一定的抗震薄弱环节，受震源机制影响，不同地震，同一烈度区内单层厂房的震害现象也不相同，所体现出来的薄弱环节也不一致，但是大体上有一定的规律可循[2]。单层厂房的抗震能力及其在地震中的破坏程度，不仅取决于结构和构件

3、的抗震能力，而且在很大程度上取决于单层厂房的整体抗震能力，薄弱环节的存在很大程度上削弱了厂房的整体抗震能力。研究表明，在地震作用下，单层厂房的一般震害现象是：在7度区，厂房的主体结构完好，门式天窗竖向支撑部分发生破坏，或节点预埋件被拔出，中柱列的柱间支撑，易发生杆件压曲或支撑与柱的连接节点拉脱，围护结构主要震害是砖围护墙体的局部开裂或外闪，山墙或纵墙出屋面的女儿墙多数倒塌；在8度区，屋盖系统出现少数屋面板滑落，屋架端头支墩断裂等典型破坏现象，上柱根部和柱肩部位出现水平裂缝，下柱根部出现纵向水平裂缝，柱间支撑普遍发生压曲现象；在9度及大于9度区，震害现象

4、与8度区类似，但显著加重，主要体现为主体结构严重开裂破坏。3分析模型7《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）在单层钢筋混凝土柱厂房计算要点的规定[3]：厂房的横向抗震计算，一般情况下，应计及屋盖的横向弹性变形，按多质点空间结构分析；厂房的纵向抗震计算，一般情况下，宜计及屋盖的纵向弹性变形，围护墙和隔墙的有效刚度，按多质点进行空间结构分析。但该规范未给出具体的空间分析方法，因此，目前单层厂房抗震设计时，通常采用平面排架模型进行计算。平面模型只考虑了排架平面内刚度，而忽略了平面外刚度，纵墙、吊车梁等纵向连系构件对单榀排架的作用仅仅简化为荷载，而没

5、有考虑到在厂房整体受力时各构件之间的相互作用；其次，平面模型中把屋盖简化为只发生平面内变形的水平剪切梁，而忽略了其弯曲变形，实际中，屋盖应按照双向剪切板考虑。当前所采用的空间力学模型主要有两种[4]，第一种是文献提出的将屋盖视为有限刚度的水平等效剪切梁（板），各个纵向柱列为柱子、支撑和纵墙的并联体的空间质点系模型。第二种是文献提出的将单层厂房简化为温克尔假定下的地基梁模型。第一类空间模型以有限元法为基础，将连续分布质量的结构进行离散化处理。一般中柱列不少于两个质点，边柱列不少于五个质点，对于无天窗屋盖，每跨不少于六个质点，有天窗屋盖，每跨不少于八个质点

6、，整个结构形成了“串并联多质点体系”。7温克尔地基梁模型主要是考虑到屋面板以剪切变形为主，在结构分析时，屋盖视为水平剪切梁，横向排架简化为沿纵向的弹性约束，类似于温克尔地基梁中的弹性地基，利用动力平衡条件，得出弹性地基剪切梁的振动微分方程。温克尔地基梁模型在计算量上简化很多，且其考虑了屋盖系统的剪切变形和山墙对屋盖系统的影响，但是地基梁模型没有考虑到屋盖的扭转振动和吊车及吊车桥架的影响，因此地基梁模型仅适用于对采用双T板屋盖体系，屋盖整体刚度较大，没有设置吊车的单跨厂房进行受力分析。4非线性有限元方程有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个

7、且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。随着计算机计算能力的提高，有限元方法的运用也越来越广[5]。空间有限元模型能更真实的模拟实际结构的物理非线性和材料非线性以及空间力学问题，利用有限元分析软件建立的空间模型成为比较理想的力学模型。当结构进入弹塑性变形状态后，结构的恢复力不再与弹性力对应，而与结构运动的时间历程有关。因此，结构的弹塑性运动微分方程可以表示为：（1）式中：、和分别为体系的质量、阻尼和弹性刚度矩阵；、、、分别表示在t时刻时的位移、速度、加速度、地面加速度。式（1）对时刻也应成立，即：（2）7式中：表示时间的增量。将式（1）减式（2）得：

8、（3）当较小时，结构的位移变化也不大，则可根据t时刻结构的切线刚度近似计算，即：（4）可以得到