管廊抗震专项设计.pdf
《管廊抗震专项设计.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《管廊抗震专项设计.pdf(32页珍藏版)》请在沃文网上搜索。
1、 第1章 抗震设计 1.1 抗震基本要求 根据建筑抗震设计规范(GB50011-2010)第 1.0.1 条,基本的抗震设防目标为:(1)当遭受低于本工程抗震设防烈度的多遇地震影响时,主体结构不受损坏或不需修理可继续使用;(2)当遭受相对于本工程抗震设防烈度的设防地震影响时,主体结构可能损坏,但经过一般性修理仍可继续使用;(3)当遭受高于本工程抗震设防烈度的罕遇地震影响时,主体结构不发生倒塌或发生危及生命的严重破坏。根据城市轨道交通结构抗震设计规范(GB50909-2014)第 3.2.1 节,城市轨道交通结构的抗震性能要求分为三个等级:(1)性能要求 I:地震后不破坏或轻微破坏,应能够保持其
2、正常使用功能;结构处于弹性工作阶段;不应因结构的变形导致轨道的过大变形而影响行车安全。(2)性能要求 II:地震后可能破坏,经修补,短期内应能恢复其正常使用功能;结构局部进入弹塑性工作阶段。(3)性能要求 III:地震后可能产生较大破坏,但不应出现局部或整体倒毁,结构处于弹塑性工作阶段。根据城市轨道交通结构抗震设计规范(GB50909-2014)第 3.2.4 节,重点设防类的城市轨道交通地下结构的抗震性能要求(即抗震设防目标)为:(1)在 E1(重现期为 100 年)地震作用下要达到抗震性能要求 I,(2)在 E2(重现期为 475 年)地震作用下要达到抗震性能要求 I,(3)在 E3(重现
3、期为 2450 年)地震作用下要达到抗震性能要求 II。综合管廊属于城市生命线工程,根据建筑工程抗震设防分类标准,抗震设防类别为重点设防类。综合管廊为地下结构,破坏后极难修复,因此抗震设防目标参照城市轨道交通结构抗震设计规范(GB50909-2014)执行。1.2 抗震性能验算 地下结构抗震验算应分为强度验算、变形验算和位移验算。(1)抗震性能要求为 I 时,即结构在 E1 及 E2 地震作用条件下,结构处于弹性工作阶段,应进行结构构件的截面抗震验算及结构弹性层间位移的验算。结构构件截面抗震验算根据建筑抗震设计规范(GB50010-2010)第 5.4 节进行,根据 建筑抗震设计规范(GB50
4、010-2010)表 5.5.1,结构弹性层间位移角不大于 1/550。(2)抗震性能要求为 II 时,即结构在 E3 地震作用条件下,结构局部进入弹塑性工作阶段,应进行结构弹塑性层间位移验算。根据建筑抗震设计规范(GB50010-2010)第 14.2.4 节,结构弹塑性层间位移验算不大于 1/250。地震反应计算方法 地下结构的地震反应计算方法有惯性力法、反应位移法、反应加速度法、弹性时程分析法、非线性时程分析法等。惯性力法、反应位移法和时程分析法用于横向及纵向地震反应计算,反应加速度法用于横向地震反应计算。惯性力性、反应位移法适用于弹性阶段反应分析,采用荷载-结构模型建模分析;反应加速度
5、法及时程分析法既适用于弹性阶段反应分析也适用于弹塑性阶段反应分析,采用地层-结构模型建模分析。地下管廊除标准段外,节点均为复杂空间结构,因此拟采用时程分析法。1.2.1 时程分析法 时程分析法即结构直接动力法,是最经典的方法,也是普遍适用。其基本原理为:将地震运动视为一个随时间而变化的过程,并将地下结构物和周围岩土体介质视为共同受力变形的整体,通过直接输入地震加速度记录,在满足变形协调条件的前提下分别计算结构物和岩土体介质在各时刻的位移、速度、加速度,以及应变和内力,并进而验算场地的稳定性和进行结构截面设计。时程分析法具有普遍适用性,在地质条件、结构形式复杂,复杂地下结构宜考虑地基和结构的相互
6、作用、以及地基和结构的非线性动力特性时,应采用这一方法,且迄今尚无其他计算方法可予以代替。时程分析法采用地层-结构模型,时程动力分析时,由于直接输入地震波作用,受地震波长的影响,为保证计算结精度要求,应限制土层单元尺寸,通常竖向单元尺寸不 大于 1m 即可满足要求。当采用波动法进行地震动输入时,模型边界一般采用粘性人工边界或粘弹性人工边界等合理的人工边界条件,且侧向人工边界应避免采用固定或自由等不合理的边界条件,见图 3.2-1。1、自由边界;2、人工边界;3、有限元计算模型;4、粘性人工边界;5、粘弹性人工边界 图 3.2-1 合理的人工边界条件 土层的选取范围,一般顶面取地表面,底面取设计
7、地震作用基准面,水平向自结构侧壁至边界的距离宜至少取结构水平有效宽度的 3 倍,如图 3.2-2 所示。图 3.2-2 节段计算模型选取范围 当地下结构沿纵向结构形式连续、规则、横向断面构造不变,周围土层沿纵向分布一致时,可只沿横向计算水平地震作用并进行抗震验算,抗震分析可近似按平面应变问题处理。当结构形式变化较大,土层条件不均匀时需要按空间问题进行三维建模求解。1.3 荷载分类、取值及组合 1.3.1 荷载分类 结构上的作用荷载,根据建筑结构荷载规范(GB50009-2012),按永久荷载、可变荷载、偶然荷载进行分类,对结构整体或构件可能出现的最不利组合进行计算。管廊结构抗震计算荷载类型及名
8、称见表 3.3-1。表 3.3-1 结构荷载分类表 荷载类型 荷载名称 永久荷载 结构自重 地层压力 水压力及水浮力 设备荷载 地基下沉影响力 可变荷载 基本可变荷载 地面车辆荷载(包括其动力作用)人群荷载 偶然作用 地震荷载 1.3.2 荷载计算(1)结构自重 指结构自身重量产生的沿各构件轴线均匀分布的竖向荷载。钢筋混凝土 26kNm3,素混凝土取 22kNm3,钢结构取 78.5kNm3,其它材料按现行建筑结构荷载规范附录 A 取值。(2)地层压力 地层压力应根据地下结构所处工程地质和水文地质条件、埋置深度、结构型式及其工作条件、施工方法等因素,结合已有的试验、测试和研究资料,按有关公式确
9、定,包括竖向压力和水平压力。1)竖向压力按下列规定计算:采用明挖法施工的地下结构,按计算截面以上全部土柱重量计算。2)水平压力按下列规定计算:采用明挖法施工的地下结构,根据规范计入水平土压力的作用。土压力计算中,土体的抗剪强度指标应按下列规定选取:一般情况下采用三轴固结不排水或直剪固结快剪试验方法确定的抗剪强度指标;当水土分算时,采用有效应力抗剪强度指标;当水土合算时,采用总应力抗剪强度指标。(3)水压力及浮力 作用在地下结构上的水压力,应根据施工阶段和长期使用过程中地下水位的变化,不同的围岩条件,分别按下列规定计算:A.水压力可按静水压力计算,并应根据设防水位以及施工和使用阶段可能发生的地下
10、水位最不利情况,计算水压力和浮力对结构的作用。B.砂性土地层的侧向水、土压力应采用水土分算。C.粘性土地层的侧向水、土压力,在施工阶段采用水土合算,在使用阶段应采用水土分算。(4)结构上部和受影响范围内的设施及建筑物压力 在计算地下结构上部和受影响范围内的设施和建筑物压力时,对已有或已经批准待建的建筑物压力在结构设计中均应考虑。(5)设备荷载 设备区的计算荷载应根据设备安装、检修和正常使用的实际情况(包括动力效应)确定。(6)地面车辆荷载 在道路下方的结构,应根据覆盖土厚度和道路通行要求,按照现行公路桥涵设计通用规范规定的地面车辆荷载布置其最不利排列位置。设计时应考虑地面车辆荷载引起的侧向土压
11、力。(7)人群荷载 管廊在西环路中央分隔带下,不计人群荷载。(8)施工荷载 地下结构设计应考虑施工荷载的作用,施工机具荷载取 20kPa;地面超载取 20kPa。(9)地震荷载 根据建筑工程抗震设防分类标准(GB50068-2001)、中国地震动参数区划图(GB 183062015),管廊的抗震设防类别为重点设防类(乙类建筑),抗震设防烈度 8 度。设计基本地震加速度值为 0.2g,地震分组为第二组,建筑场地类别为类,特征周期为 0.55s。结构内力及配筋根据相关规范进行计算。1.3.3 荷载组合 结构设计时按整体或单个构件可能出现的最不利组合进行荷载组合,荷载组合分项系数见表 3.3-2。表
12、 3.3-2 荷载组合分项系数表 荷载组合 永久荷载 可变荷载 水平地震作用Eh 竖向 地震作用Ev 永久荷载+可变荷载+水平地震作用 1.2(1.0)0.5 1.3 0 永久荷载+可变荷载+竖向地震作用 1.2(1.0)0.5 0 1.3 永久荷载+可变荷载+水平地震作用+竖向地震作用 1.2(1.0)0.5 1.3 0.5 注:括号内的数值用于该荷载对结构作用有利时的分项系数取值。(1)承载力极限状态的荷载效应组合 荷载效应的偶然组合(地震作用效应组合):组合公式:S=GESGE+EhSEhK+EvSEvK 其中:S-结构构件内力组合的设计值,包括组合的弯矩、轴向力和剪力设计值;GE-永久
13、荷载分项系数,当其效应对结构不利时取 1.2,有利时取 1.0;Eh水平地震作用分项系数;Ev竖向地震作用分项系数;SGE-按重力荷载代表值计算的荷载效应,重力荷载代表值取结构自重与各可变荷载组合值的和,可变荷载的组合系数取 0.5;SEhK-水平地震作用效应的标准值。SEvK-竖向地震作用效应的标准值。1.4 管廊静力计算 位于地下的管廊结构承受的外力主要有自重、土压力、静止水压力、浮力、汽车荷载等。侧壁承受的侧向土压力按照静止土压力考虑。计算时沿纵向取单位长度 1 米,横向取管廊全断面作为计算模型,地基对管廊按照弹性约束考虑。按照弹性地基梁理论,采用空间杆系有限元计算程序 midas 进行
14、内力计算。1.4.1 计算模型 采用 midas 建立的结构离散图如图 3.4-1。图 3.4-1 结构离散图 1.4.2 内力及配筋计算 通过 midas civil 计算,管廊在承载能力极限状态下内力见图 3.4-23.4-3,在正常使用极限状态下内力见图 3.4-43.4-5。承载能力极限状态下及正常使用极限状态下的计算结果见表 3.4-13.4-2:图 3.4-2 承载能力极限状态下弯矩包络图 图 3.4-3 承载能力极限状态下轴力包络图 图 3.4-4 正常使用极限状态下弯矩包络图 图 3.4-5 正常使用极限状态下轴力包络图 承载能力极限状态下,综合管廊标准断面的计算结果见表 3.
15、4-1。表 3.4-1 承载能力极限状态下管廊内力及配筋计算成果表 位置 内力 配筋(HRB400)结构抗弯 承载能力 轴力(kN)弯矩(kN.m)(kN.m)顶板跨中-169.0 161.7 D=28 毫米,间距 15.0 厘米 429.5 顶板根部-169.0-232.1 D=28 毫米,间距 15.0 厘米 405.1 顶板中支点-169.0-192.1 D=28 毫米,间距 15.0 厘米 416.7 底板跨中-182.9-74.2 D=28 毫米,间距 15.0 厘米 533.6 底板根部-182.9 139.8 D=28 毫米,间距 15.0 厘米 449.9 底板中支点-182.
16、9 137.0 D=28 毫米,间距 15.0 厘米 452.0 侧墙跨中-155.4 116.5 D=25 毫米,间距 15.0 厘米 381.9 侧墙顶部-254.9 216.5 D=28 毫米,间距 15.0 厘米 439.8 侧墙根部-287.2 162.1 D=28 毫米,间距 15.0 厘米 485.6 从上表可以得知,结构满足受力要求。正常使用极限状态下,综合管廊标准断面的计算结果见表 3.4-2。表 3.4-2 正常使用极限状态下管廊裂缝宽度计算成果表 位置 内力 配筋(HRB400)max 轴力(kN)弯矩(kN.m)(mm)顶板跨中-165.4 129.3 D=28 毫米,
17、间距 15.0 厘米 0.095 侧墙与顶板结合处-165.4-188.5 D=28 毫米,间距 15.0 厘米 0.150 侧墙与底板结合处-188.8 128.2 D=28 毫米,间距 15.0 厘米 0.090 由上表可知,计算所得的裂缝宽度均小于规范容许值 0.2mm,满足规范要求。1.5 场地与地基地震效应 根据国家现行标准建筑抗震设计规范(GB50011-2010)、城市轨道交通结构 抗震设计规范(GB50909-2014)、中国地震动参数区划图(GB 18306-2015),本场地抗震设防烈度为 8 度,设计基本地震加速度为 0.2g,地震动反应谱特征周期为0.55s。根据地勘报
18、告,场地类别为 III 类。本次时程分析根据场地类别和特征周期分区共选用三组加速度时程曲线分别计算综合管廊在不同加速度时程曲线下的动力响应,其中两组为实际强震记录加速度时程曲线,另一组为人工模拟的加速度时程曲线。每组地震加速度时程曲线的频谱特性、有效峰值和持续时间等地震动三要素均符合规范要求。1.5.1 实际记录地震波的选取方法 根据建筑抗震设计规范(GB50011-2010)规定,正确选择输入的地震加速度 时程曲线,要满足地震动三要素的要求,即频谱特性、有效峰值和持续时间要符合规定。频谱特性可用地震影响系数曲线表征,依据所处的场地类别和设计地震分组确定。因此,所选择的实际地震波所处场地的设计
19、分组(震中距离、震级大小)和场地类别(场地条件)应与要分析的结构所处场地相同,可以通过两者的特征周期 Tg 值的差异程度判定。为了保证频谱特征满足规范要求,还应保证所选地震波的地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线相符。可采用双指标控制的方法。双指标选波采用两个频段控制:一是对实录地震加速度反应谱值在0.1,gT平台段的均值进行控制,要求所选实录地震加速度谱在该段的均值与设计反应谱在该段的均值相差不超过 1020%;二是对结构基本周期1T附近2111,TTTT段加速度反应谱均值进行控制,要求与设计反应谱在该段均值相差不超过 1020%。一般以取值120.5TTs 为宜。本次
20、选波过程中取10.2Ts,20.5Ts。两组实际记录地震波反应谱与 E2 地震下设计反应谱对比分别见图 3.5-13.5-2。图 3.5-1 第一条实录地震波反应谱与 E2 地震下设计反应谱对比 图 3.5-2 第二条实录地震波反应谱与 E2 地震下设计反应谱对比 所选择的地震波的有效峰值应根据规范中所列地震加速度最大值采用,即以地震影响系数最大值除以放大系数得到。当所选择的实际记录地震加速度峰值与结构所在地区设防烈度所对应的加速度峰值不同时,可将实际记录地震的加速度按比例放大或者缩小来加以修正。合理的实录地震波还应保证持续时间满足规范要求。持续时间的概念不是指地震波数据中总的时间长度。持时d
21、T的定义可分为两大类,一类是以地震动幅值的绝对值来定义的绝对持时,即指地震地面加速度值大于某值的时间总和,即绝对值gkta)(的时间总和,k 常取为 0.05;另一类为以相对值定义的相对持时,即最先与最后一个maxak 之间的时段长度,k 一般取 0.30.5。不论实际的强震记录还是人工模拟波形,一般持续时间取结构基本周期的 510 倍。1.5.2 人工模拟地震波的合成方法 地面运动作为一个随机过程,其频域特性包括幅值谱、功率谱以及反应谱,三者之间存在着内在的联系,工程上一般可以采用以功率谱为模拟目标的随机模型生成人工地震波,从而保证所获得的人工地震波的反应谱与设计反应谱相接近。常规的人工合成
22、地震波基本思想是用一组三角级数的和来构造一个近似的具有给定功率谱密度的平稳高斯过程,然后乘以强度包络函数,以得到近似的非平稳的地震动加速度时程。人工模拟地震波的目标是拟合规范的设计反应谱,而反应谱和功率谱密度函数之间可以采用下面的近似转换关系:2()()/ln(ln)TxkakkkdSSpT 其中,()TakS为给定的规范设计反应谱,即目标谱;为阻尼比;p为不超过反应谱值的概率,一般可取为0.85p;dT为地震动的持续时间。可以构造如下的三角级数来表示均值为零的平稳高斯过程()A t 1()cos()NkkkkA tCt 其中,1/24()kxkCS ()/ulN(1/2)klk 由于上述的三
23、角级数反映的是平稳的随机过程,需要乘以包络函数()f t以反映地震波时域的非平稳性。常用的时间包络函数为:221112()2(/)0()1 c t tt tttf ttttettT 上述方法得到的地震波的反应谱与给定的规范目标反应谱存在一定的差别,为了提高精度,需要按下式进行多次调整:1()()()()TiiakkkakSCCS 其中,()akS为拟合时程反应谱;()ikC为第 i 次迭代结果;通过上述方法,经过多次调整得到了与设计反应谱相接近的人工模拟地震波。1.5.3 设计地震动加速度时程结果 根据上述实际记录地震波的选取方法以及人工模拟地震波的合成方法,本次时程分析计算一共获得三组加速度
- 1.请仔细阅读文档,确保文档完整性,对于不预览、不比对内容而直接下载带来的问题本站不予受理。
- 2.下载的文档,不会出现我们的网址水印。
- 3、该文档所得收入(下载+内容+预览)归上传者、原创作者;如果您是本文档原作者,请点此认领!既往收益都归您。
下载文档到电脑,查找使用更方便
20 积分
下载 | 加入VIP,下载更划算! |
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 抗震 专项 设计