¿Cuál es el impacto de la interacción entre las estructuras superior e inferior de una estación de ferrocarril en el comportamiento sísmico de los techos de acero?
La estación de tren consta de los edificios de las estaciones este y oeste y el techo en forma de silla de montar ubicado sobre ellos (ver Figura 1). El edificio de la estación es una estructura de muro de corte de hormigón armado con tres plantas sobre el suelo y una altura de 21,6 m. Sobre el andén hay un techo de acero en forma de silla de montar. El tramo este-oeste es de 96 m-114 m, la longitud norte-sur es de 152,5 m y la altura total es de 40,5 m. Adopta una estructura de rejilla de doble capa, siendo la parte más gruesa de 5 m y la parte más delgada de 2,5 m. Para soportar el techo se colocan a ambos lados del techo 6 muros de corte de hormigón armado. Desde la perspectiva de la trayectoria de transmisión de fuerza y el método de soporte de fuerza, el techo de esta estructura tiene características mecánicas obvias de una estructura de arco. Desde la perspectiva de la forma únicamente, también tiene las características geométricas de una estructura de armazón reticulada.
2. Modelo de cálculo estructural y parámetros de movimiento del suelo.
El modelo de cálculo general incluye la estructura de acero de gran luz de la cubierta y la estructura inferior de hormigón. Este artículo analiza la respuesta sísmica de la estructura cambiando las condiciones de restricción de la estructura superior de acero y el soporte de conexión inferior de concreto. Los modelos informáticos específicos son los siguientes:
1) Modelo de cálculo global, la estructura de acero se articula con la estructura inferior de hormigón.
2) Modelo de cálculo de la estructura general, en el que la estructura de acero y la estructura inferior de hormigón están conectadas con soportes deslizantes con una rigidez k=20000KN/m en la dirección de la luz del techo, y están restringidas en la dirección del claro del techo. otras dos direcciones.
3) Sólo existe un modelo de cálculo de la estructura del techo de acero. El techo de acero está conectado al suelo mediante resortes con una rigidez equivalente a la estructura inferior de hormigón.
4) Sólo existe un modelo de cálculo de la estructura del techo de acero, y el techo de acero está articulado al suelo.
3. Características de vibración natural y rigidez general de la estructura.
Los resultados del cálculo de la forma modal y la frecuencia natural de la estructura se muestran en la Figura 2 y la Tabla 1. Este artículo solo enumera los primeros tres modos de vibración de la estructura. Los primeros seis modos de vibración de diferentes modelos de cálculo son las vibraciones naturales de la estructura de acero del techo. Los modos de vibración de la estructura de concreto inferior aparecen en el séptimo orden del Modelo 1 y del Modelo. 2. La relación de las frecuencias naturales de primer orden de la estructura de tipo 1-4 es 1:0,70:1:1,12.
Tabla de frecuencias naturales estructurales 1
El análisis muestra:
(1) La frecuencia natural de primer orden del modelo 1 es 30 mayor que la del modelo 2 . El uso de cojinetes deslizantes en las conexiones superior e inferior puede reducir efectivamente la rigidez de toda la estructura.
(2) La frecuencia natural del modelo 1 es similar a la del modelo 3, lo que significa que la rigidez del modelo 3, que simula la estructura inferior de hormigón como un soporte de resorte con igual rigidez, es similar a la del modelo 1. . Al mismo tiempo, el séptimo modo también es diferente, esto se debe a la participación de hormigón inferior en el séptimo modo del Tipo 1.
(3) La frecuencia natural de primer orden del modelo 4 es 12 mayor que la del modelo 1, lo que indica que la rigidez del modelo de cálculo que solo considera la bisagra entre la estructura de acero superior y el suelo es mayor que el modelo de liquidación general.
Un análisis más detallado muestra que la rigidez de la estructura de hormigón inferior es mucho mayor que la de la estructura de acero superior. El método de conexión entre la estructura de hormigón inferior y la estructura de acero del techo y el hormigón inferior tiene una gran influencia. sobre la rigidez general de la estructura.
4. Análisis del espectro de respuesta ante pequeños terremotos.
Considere la carga muerta de la estructura y 0,5 veces la carga viva, la relación de amortiguación de la estructura es 0,02 y solo considere la acción sísmica unidireccional para analizar el pequeño espectro de respuesta a terremotos de la estructura. Calcule la fuerza de corte sísmica de la estructura y el desplazamiento del vértice del techo (ver Figura 1). Los resultados del cálculo se muestran en la Tabla 2:
Tabla 2 Comparación de las principales propiedades mecánicas de la estructura bajo pequeños terremotos
El análisis muestra:
(1 ) Placas de techo de los modelos 1 a 4 La relación de la fuerza de corte sísmica en el La fuerza de corte sísmica del techo obtenida por los Modelos 3 y 4 es menor que la fuerza de corte sísmica calculada considerando todo el modelo (Modelo 1).
(2) Al comparar las fuerzas de corte sísmicas del Modelo 1 y el Modelo 2, la fuerza de corte total del Modelo 2 disminuyó en 2000 KN bajo el terremoto en la dirección X y en 3400 KN bajo el terremoto en la dirección Y. Se puede ver en la tabla que la estructura del techo de acero solo absorbe una pequeña parte de la fuerza del terremoto, y la mayor parte de la fuerza de corte del terremoto la soporta la estructura de concreto subyacente. Por lo tanto, el uso del modelo 2 reducirá en gran medida la fuerza sísmica soportada por la estructura de concreto inferior, lo cual es beneficioso para la estructura de concreto inferior.
(3) La relación de desplazamiento del techo del Modelo 1 al Modelo 4 bajo la acción de un terremoto en la dirección X es 1:1,21:0,78:0,77, y la relación de desplazamiento bajo la acción de un terremoto en la dirección X es 1:1.14:0.77. Cuando se utilizan cojinetes deslizantes para conectar las partes superior e inferior, el desplazamiento estructural aumentará aproximadamente un 20% bajo la acción del terremoto, y los resultados de los cálculos de los Modelos 3 y 4 son menores que los del Modelo 1.
Un análisis más detallado muestra que ya sea el modelo 3 en el que la estructura inferior de hormigón se reemplaza por resortes de igual rigidez o el modelo 4 en el que la estructura superior de acero se articula directamente con el suelo, los resultados calculados están lejos más pequeño que la situación real, lo cual es muy importante para el diseño estructural y no es seguro. La razón de este fenómeno es que cuando la estructura de hormigón inferior y la estructura del techo están conectadas como un todo a través de soportes, la propia estructura del techo tiene una fuerte rigidez lateral, dispersando así el efecto sísmico de la estructura de hormigón inferior. Esto es lo mismo que el "efecto latigazo" que amplifica las estructuras de los edificios de gran altura durante los terremotos. El diseño sísmico de estructuras de acero para techos debe considerar el impacto de las estructuras superior e inferior trabajando juntas.
Cuando la estructura superior y la estructura inferior están conectadas mediante cojinetes deslizantes, la fuerza de corte sísmica soportada por los cables de la estructura de acero superior y la estructura de hormigón inferior se reduce hasta cierto punto, y el desplazamiento de la estructura aumenta ligeramente. El desplazamiento máximo del modelo 2 bajo acción sísmica es de 9,39 mm, que es menor que el h/300=40,5 m/300=13,5 mm requerido por el código. Por lo tanto, utilizar el modelo 2 es beneficioso para la resistencia sísmica de la estructura.
5. Conclusión
(1) Teniendo en cuenta el papel de la estructura de hormigón inferior, cambiar la rigidez de la conexión entre el hormigón y la estructura de acero tendrá un cierto impacto en la rigidez estructural general. . La rigidez del modelo de cálculo que solo considera la estructura de acero superior es mayor que la del modelo de estructura general, y la rigidez del modelo que conecta las estructuras superior e inferior a través de cojinetes deslizantes es menor que la rigidez de la estructura articulada de la estructuras superiores e inferiores.
(2) En comparación con el modelo que solo considera la estructura de acero superior, la fuerza de corte horizontal total y el desplazamiento del vértice del techo aumentan significativamente cuando la estructura superior y la estructura inferior trabajan juntas. Esto es similar al "efecto de punta de látigo" en el que las estructuras de edificios de gran altura se amplifican con los terremotos. Por lo tanto, el impacto de las estructuras superior e inferior que trabajan juntas debe considerarse en el diseño sísmico de la estructura de acero del techo. utilizar un modelo de cálculo simplificado que sólo considere la estructura de acero superior.
(3) La rigidez de restricción en la conexión entre las estructuras superior e inferior tiene una gran influencia en la respuesta sísmica y el desempeño de seguridad de la estructura del techo y la estructura de concreto inferior. Las estructuras superior e inferior están conectadas mediante cojinetes deslizantes. El desplazamiento de la estructura superior aumenta aproximadamente un 22% bajo la acción sísmica, lo que está dentro del alcance de los requisitos de la especificación. Al mismo tiempo, la fuerza de corte sísmica de la estructura de acero superior se reduce en aproximadamente un 20% y la fuerza de corte sísmica absorbida por la estructura de hormigón inferior se reduce en aproximadamente un 15%. Por lo tanto, para esta estructura, el uso de cojinetes deslizantes de restricción parcialmente liberados puede disipar energía de manera efectiva y reducir el impacto, lo cual es beneficioso para el diseño del concreto inferior y mejora efectivamente el desempeño de seguridad sísmica de la estructura de acero superior.
Creo que después de la introducción anterior, todos tienen una cierta comprensión del impacto de las estructuras superior e inferior de la estación de tren en el comportamiento sísmico del techo de acero. Bienvenido a visitar Zhongda Consulting para obtener más información.
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