論鋼塔架及鋼筋砼混合結(jié)構(gòu)自振周期的取值

       摘要：本文討論了高層鋼塔架和鋼筋砼混合結(jié)構(gòu)自振周期的取值問(wèn)題。

　　關(guān)鍵詞：混合結(jié)構(gòu)；振型；自振周期

　　建（構(gòu)）筑物的自振周期是建（構(gòu)）筑物按某一振型完成一次自由振動(dòng)所需的時(shí)間，由結(jié)構(gòu)自身的形式、質(zhì)量、剛度決定，是建（構(gòu)）筑物主要的動(dòng)力特征�！督ㄖY(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2001)7.4.1條規(guī)定對(duì)于高度大于30m且高寬比大于1.5的房屋和基本自振周期大于0.25s的各種高聳結(jié)構(gòu)以及大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)，均應(yīng)考慮風(fēng)壓脈動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)發(fā)生順風(fēng)向風(fēng)振的影響。風(fēng)振計(jì)算應(yīng)按隨機(jī)振動(dòng)理論進(jìn)行，結(jié)構(gòu)的自振應(yīng)按結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)計(jì)算。以7.4.2條為例：；其中ξ為脈動(dòng)增大系數(shù)，其值除與基本風(fēng)壓有關(guān)外，直接受結(jié)構(gòu)自振周期的影響，詳見《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》表7.4.3及條文說(shuō)明。對(duì)于復(fù)雜的高層鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土混合結(jié)構(gòu)，在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中，自振周期有不同的取法，這里我們對(duì)不同的計(jì)算方式得到的周期進(jìn)行討論。

　　本文以石化行業(yè)某塔框架為例討論混合結(jié)構(gòu)自振周期的取用問(wèn)題。某化工塔框架為下部?jī)蓪愉摻罨炷量蚣埽?m～18.1m），共六柱（1.8mx1.8m）,第一層平臺(tái)頂標(biāo)高11.5m，第二層平臺(tái)頂標(biāo)高18.1m；18.1m以上為多層鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)（標(biāo)高18.1m～55.0m為等尺寸矩形鋼平臺(tái)，標(biāo)高55.0m～100.0m為尺寸逐漸變小的鋼塔架），塔（30m左右高，壁厚30mm，直徑9m）底部位于標(biāo)高為18.1m鋼筋混凝土平臺(tái)上，塔與平臺(tái)采用螺栓連接。簡(jiǎn)圖見模型1及模型2

　　1規(guī)范法

　　根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2001)附錄E結(jié)構(gòu)基本自振周期的經(jīng)驗(yàn)

　　公式中E.1.2具體結(jié)構(gòu)中2石油化工塔架中第二項(xiàng)框架基礎(chǔ)塔（塔壁厚不大于30mm）

　　T1=0.56+0.40×10-3H2/D0(E.1.2.3)

　　計(jì)算鋼筋砼框架及塔的自振周期T1tT1t=0.56+0.40×10-3×55.22/9=0.695

　　根據(jù)E.2.1中1鋼結(jié)構(gòu)T1=(0.1～0.15)×n（n為層數(shù)）(E.2.1.1)

　　計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)部分的自振周期T1sT1s=(0.1～0.15)×19＝1.9～2.89

　　規(guī)范(經(jīng)驗(yàn))法分別對(duì)混凝土框架和鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算自振周期，難以體現(xiàn)組合結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。

　　2空間計(jì)算法1：塔簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)

　　在staadpro中建模，鋼筋混凝土框架、鋼結(jié)構(gòu)塔架均建入，塔簡(jiǎn)化為位于塔重心高度處的質(zhì)點(diǎn)，和鋼筋混凝土框架以主從節(jié)點(diǎn)方式發(fā)生關(guān)系，通過(guò)staadpro地震工況(LOADCASE10)下結(jié)構(gòu)振動(dòng)的分析后得出不同的振型及相應(yīng)的周期，根據(jù)各振型振動(dòng)情況及參與質(zhì)量的分析確定針對(duì)鋼筋混凝土框架及塔部分和鋼結(jié)構(gòu)部分的周期，具體分析如下：

　　2.1模型1　　          

　　2.2各振型周期表　

　　2．4典型振型圖　

　　2.5周期取用分析，根據(jù)比較振型1、2、9、14為控制振型

　　振型1，由振動(dòng)動(dòng)態(tài)圖可知主要振動(dòng)為鋼結(jié)構(gòu)Z向，鋼筋混凝土框架及塔的位移振幅較小，鋼結(jié)構(gòu)部分振幅較大，參與質(zhì)量X向?yàn)?，Z向?yàn)?4.06，參與質(zhì)量與鋼結(jié)構(gòu)部分自重所占的比重接近，故選用此周期作為鋼結(jié)構(gòu)Z向計(jì)算風(fēng)荷載用，T=2.67s

　　振型2，由振動(dòng)動(dòng)態(tài)圖可知主要振動(dòng)為鋼結(jié)構(gòu)X向，鋼筋混凝土框架及塔的位移振幅較小，鋼結(jié)構(gòu)部分振幅較大，參與質(zhì)量X向?yàn)?0.43，Z向?yàn)?，參與質(zhì)量與鋼結(jié)構(gòu)部分自重所占的比重接近，故選用此周期作為鋼結(jié)構(gòu)X向計(jì)算風(fēng)荷載用，T=2.40s

　　振型9由振動(dòng)動(dòng)態(tài)圖可知主要振動(dòng)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)Z向，鋼筋混凝土框架及塔的位移振幅較大，參與質(zhì)量X向?yàn)?，Z向?yàn)?0.55，參與質(zhì)量與鋼筋混凝土框架及塔部分自重所占的比重接近，且塔位于鋼筋混凝土框架上，振動(dòng)應(yīng)是同一的，故選用此周期作為塔及鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)Z向計(jì)算風(fēng)荷載用，T=1.30s

　　振型14由振動(dòng)動(dòng)態(tài)圖可知主要振動(dòng)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)X向，鋼筋混凝土框架及塔的位移振幅較大，參與質(zhì)量X向?yàn)?6.1，Z向?yàn)?.07，參與質(zhì)量與鋼筋混凝土框架及塔部分自重所占的比重接近，且塔位于鋼筋混凝土框架上，振動(dòng)應(yīng)是同一的，且塔與鋼筋混凝土剛接，振動(dòng)應(yīng)是同一的，故選用此周期作為塔及鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)Z向計(jì)算風(fēng)荷載用，T=1.20s

　　3空間計(jì)算法1：塔按實(shí)際剛度建模

　　在staadpro中建模，鋼筋混凝土框架、鋼結(jié)構(gòu)塔架均建入，塔按照一個(gè)桿件建入，桿件截面形式按照同設(shè)備壁厚高度鋼管建入，塔的自重及操作介質(zhì)重以構(gòu)件均布荷載的形式輸入，風(fēng)荷載計(jì)算后輸在與鋼筋混凝土平臺(tái)連接的節(jié)點(diǎn)上，此節(jié)點(diǎn)和鋼筋混凝土框架以主從結(jié)點(diǎn)方式發(fā)生關(guān)系，通過(guò)staadpro地震工況(LOADCASE10)下結(jié)構(gòu)振動(dòng)的分析后得出不同的振型及相應(yīng)的周期，根據(jù)各振型振動(dòng)情況及參與質(zhì)量的分析確定針對(duì)鋼筋混凝土框架及塔部分和鋼結(jié)構(gòu)部分的周期，具體分析如下：

　　3.1模型2　　        

　　3.2各振型周期表　　　

　　由于輸入桿件較多，60種振型后達(dá)到參與質(zhì)量大于95％

　　3.4典型振型圖                 

　　3.5周期取用分析根據(jù)比較振型1、2、9、14為控制振型

　　振型1由振動(dòng)動(dòng)態(tài)圖可知主要振動(dòng)為鋼結(jié)構(gòu)Z向，鋼筋混凝土框架及塔的位移振幅較小，鋼結(jié)構(gòu)部分振幅較大，參與質(zhì)量X向?yàn)?，Z向?yàn)?4.58，參與質(zhì)量與鋼結(jié)構(gòu)部分自重所占的比重接近，故選用此周期作為鋼結(jié)構(gòu)Z向計(jì)算風(fēng)荷載用，T=2.68s

　　振型2由振動(dòng)動(dòng)態(tài)圖可知主要振動(dòng)為鋼結(jié)構(gòu)X向，鋼筋混凝土框架及塔的位移振幅較小，鋼結(jié)構(gòu)部分振幅較大，參與質(zhì)量X向?yàn)?0.67，Z向?yàn)?，參與質(zhì)量與鋼結(jié)構(gòu)部分自重所占的比重接近，故選用此周期作為鋼結(jié)構(gòu)X向計(jì)算風(fēng)荷載用，T=2.40s

　　振型9由振動(dòng)動(dòng)態(tài)圖可知主要振動(dòng)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)Z向，鋼筋混凝土框架及塔的位移振幅較大，參與質(zhì)量X向?yàn)?，Z向?yàn)?7.82，參與質(zhì)量與鋼筋混凝土框架及塔部分自重所占的比重接近，且塔位于鋼筋混凝土框架上，振動(dòng)應(yīng)是同一的，故選用此周期作為塔及鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)Z向計(jì)算風(fēng)荷載用，T=1.55

　　振型14由振動(dòng)動(dòng)態(tài)圖可知主要振動(dòng)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)X向，鋼筋混凝土框架及塔的位移振幅較大，參與質(zhì)量X向?yàn)?9.06，Z向?yàn)?.04，參與質(zhì)量與鋼筋混凝土框架及塔部分自重所占的比重接近，且塔位于鋼筋混凝土框架上，振動(dòng)應(yīng)是同一的，且塔與鋼筋混凝土剛接，振動(dòng)應(yīng)是同一的，故選用此周期作為塔及鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)Z向計(jì)算風(fēng)荷載用，T=1.43s

　　4根據(jù)上述結(jié)果比較可以得出

　　4．1規(guī)范公式與建模比較可得鋼結(jié)構(gòu)部分差異不大，但鋼筋混凝土框架及塔部分相差較大，原因可能有一下兩條：

　　4.1.1建模中并未考慮混凝土框架及塔上的管道同周邊管架、管道等的拉結(jié)作用所以周期偏大，實(shí)際使用時(shí)應(yīng)于調(diào)整。

　　4.1.2建模中對(duì)11.5m及18.1m的鋼筋混凝土樓板簡(jiǎn)化為梁格，對(duì)剛度有一定影響。但如果既建樓板又建梁會(huì)使剛度偏大，因此為安全計(jì)算，仍采用梁格布置。

　　4.2兩種建模方式結(jié)果的差異性主要源于塔型設(shè)備的簡(jiǎn)化，按照模型1，以質(zhì)點(diǎn)的形式輸入由于剛度無(wú)窮大所以周期比模型2按照鋼桿件輸入的要略小，實(shí)際應(yīng)用中，考慮到設(shè)備壁厚是變化的，按照鋼桿件輸入可以較為真實(shí)的模擬塔型設(shè)備的剛度。

　　4.3規(guī)范中(E.1.2.3)的公式不適應(yīng)于塔壁厚大于30mm的各類設(shè)備塔架的基本自振周期計(jì)算，通過(guò)模型2這種方法可以根據(jù)模擬的鋼桿件壁厚改變來(lái)模擬此類塔型設(shè)備。