轻型木结构抗震3 kobe.docx
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轻型木结构抗震3kobe
1工程概况
模型输入参数总览
结构
层数
层高
平面尺寸
地震分组
场地类别
加速度峰值
地震波
形式
轻木
2层
3m
3.6m×4.8m
第三组
II
0.3g
Kobe波
2设计依据
(1)设计使用年限:
50年
(2)基本风压:
W0=0.55kN/m2,地面粗糙度类别:
C类
(3)抗震设防烈度:
8度(0.30g),设计地震分组为第三组,
(4)场地类别:
类,特征周期为0.45s。
(5)工程地质条件:
场地地基属不均匀地基,场地无液化土层存在,场地内无软弱土分布,可不考虑软土震陷问题。
场地位于对建筑抗震不利地段。
(6)地下水:
场地地下水对混凝土结构具有微腐蚀性、对钢筋混凝土结构中的钢筋具有微腐蚀性。
地表水(河水)对混凝土结构具微腐蚀性、对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性。
场地土对混凝土结构具有微腐蚀性、对钢筋混凝土结构中的钢筋具有微腐蚀性、对钢结构具有微腐蚀性。
(7)本工程设计严格遵循以下标准、规范、规程:
表2.1建筑标准、规范、规程
《建筑结构可靠度设计统一标准》
(GB50068-2001)
《工程结构可靠性设计统一标准》
(GB50153-2008)
《建筑工程抗震设防分类标准》
(GB50223-2008)
《建筑结构荷载规范》
(GB50009-2012)
《轻型木结构建筑设计技术规程》
(DG/TJ08-2059-2009)
《木结构设计规范》
(GB50005-2003(2005版))
《胶合木结构技术规范》
(GB/T50708-2012)
《木结构试验方法标准》
(GB/T50329-2012)
《木材物理力学性能试验方法总则》
(GB/T1928-2009)
《木结构工程施工质量验收规范》
(GB50206-2002)
《建筑地基基础设计规范》
(GB50007-2011)
《建筑抗震设计规范》
(GB50011-2010)
《中国地震动参数区划图》
(GB18306-2015)
《镇乡村建筑抗震技术规程》
(JGJ161-2008)
《建筑变形测量规范》
(JGJ8-2007)
《混凝土结构设计规范》
(GB50010-2010)
地勘报告、试验报告及其他有关现行国家和地方行业规范、规程
3结构材料
木材:
采用胶合木设计规范中,其材料性质如表3.1所示。
表3.1-1不同使用条件下木材强度设计值和弹性模量的调整系数
使用条件
调整系数
强度设计值
弹性模量
使用中胶合木构件含水率大于15%时
0.8
0.8
长期生产性高温环境,木材表面温度达40~50℃
0.8
0.8
按恒载验算时
0.65
0.65
用于木构筑物
0.9
1.0
施工和维修时的短暂情况
1.2
1.0
表3.1-2不同设计使用年限时木材强度设计值和弹性模量的调整系数
设计使用年限
调整系数
强度设计值
弹性模量
25年
1.05
1.05
50年
1.0
1.0
100年及以上
0.9
0.9
根据规范对材料的物理和力学性能的要求,胶合木构件的含水率在施工是不得大于15%,且不得处于高温环境。
且木材的物理和力学性能参数不得小于表3.2所示。
表3.2木材物理和力学性能参数表(N/mm2)
项次
原设计值
强度等级
TCT27
抗弯fm
9.4
纹抗压及承压fc
12
顺纹抗拉ft
4.8
顺纹抗剪fv
1.4
弹性模量E
9700
4荷载计算
包括竖向恒载和活载,恒载由结构构件自重和附加恒载组成。
结构自重按木材密度为5kN/m3计算取得,附加恒载均按实际建筑构造计算。
荷载计算具体见下表。
(1)屋面荷载计算
恒载:
取值为6kN/m2
活载:
不上人屋面的活荷载取值为0.5kN/m2。
(2)楼面荷载计算
恒载:
表4.1-2楼面恒载
做法
容重(kN/m3)
厚度(m)
荷载计算(kN/m2)
80*250格栅@724
-
-
0.2
38mm厚实木地板
5
0.038
0.19
总计
0.39
活载:
楼板的活荷载取值为2.5kN/m2。
(3)风荷载
根据《建筑结构荷载规范》(GB50009—2012),风荷载计算应按式4.1计算:
(4.1)
式中:
——风荷载标准值(kN/m2);
——高度z处的风振系数;
——风荷载体型系数;
——风压高度变化系数;
——基本风压(kN/m2)。
重现期为50年的当地的基本风压为0.55kN/m2;场区地面粗糙度类别为C类;风振系数
、风荷载体型系数
、风压高度变化系数
按照《建筑结构荷载规范》(GB50009—2012)选取。
风荷载的组合值系数取0.6,频遇值系数取0.4,准永久值系数取0.0。
由于建筑高度小于30米,故不考虑高度z处的风振系数
;风压高度变化系数
=1.0。
风荷载体型系数
的取值根据图4.1选取。
图4.1风荷载体型系数选取
(4)抗震设防
项目所在地抗震设防烈度为8度,设计地震分组为第三组,设计基本地震加速度值为0.30g,场地类别为
类,特征周期为0.45s,水平地震影响系数最大值0.24(多遇地震),结构阻尼比0.05。
(5)荷载组合
极限状态可分为承载能力极限状态和正常使用极限状态两类,前者主要是使结构满足安全要求,后者则是使结构满足使用性能要求。
根据《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068-2001),建筑结构设计时,对所考虑的极限状态,应采用相应的结构作用效应的最不利组合:
1)进行承载能力极限状态设计时,应考虑作用效应的基本组合,必要时应考虑作用效应的偶然组合。
本项目设计不考虑偶然组合的作用。
2)进行正常使用极限状态设计时,可根据不同的设计目的,选用标准组合、频遇组合或准永久组合进行设计。
本工程选用标准组合进行正常使用极限状态的结构设计。
最终的荷载组合如表4.2所示。
表4.2荷载组合
序号
恒载
活载
风荷载
1
1.2
1.4
0
2
1.2
0
1.4
3
1.2
1.26
1.26
5模型建立
(1)在AutoCAD中进行三维建模,导入SAP2000;
(2)定义木材的材料属性。
木材的材料属性如表5.1所示;
表5.1木材的材料属性
材料名称
材料类型
对称类型
WOOD
Other
Isotropic
弹性模量(N/mm2)
泊松比
热膨胀系数(/℃)
11000
0.45
6.5×10-6
剪切模量(N/mm2)
重量密度(kg/mm3)
质量密度(kN/mm3)
3793.1
5.0×10-9
5.099×10-13
(3)定义并绘制屋面板及楼面板:
采用shell截面类型中的壳-薄壳单元模拟;
(4)定义墙体作用:
采用弹簧单元模拟;
(5)赋予构件进行材料属性及杆件属性(构件截面等);
(6)柱底支座:
所有柱底均为刚接;
(7)定义荷载作用
A荷载工况:
屋面恒载、活载;风荷载。
B定义质量源
C定义荷载组合
(8)施加荷载
A屋面的恒载、活载均为面荷载,考虑单向导荷。
B风荷载通过shell均匀导至框架。
参考意大利Florence模型、Slovenia模型以及同济大学程海江的模型,采用等效桁架模型来模拟轻木剪力墙,见图5.1,从而达到简化计算的目的。
该模型由若干个刚性杆单元和对角线性弹簧单元组成,各个单元之间的连接均为铰接。
由于刚性杆单元的刚度远远大于线性弹簧且单元间均为铰接,因此在侧向力作用下,等效桁架的变形主要是整体的侧移和弹簧的变形,刚性杆的变形可忽略不计,即该模型的抗侧刚度完全由线性弹簧单元提供。
图5.1轻木剪力墙简化
根据图5.15的力学和几何关系,得到线性弹簧的轴向刚度为:
(5.1)
式中F、u、K分别为等效桁架的侧向力、侧向位移和抗侧刚度,Fd、ud、Kd分别为线性弹簧的轴向力、轴向变形和轴向刚度。
由于剪力墙的最大层间位移约为高度的4%,因此
角在侧向力作用前后变化不大,近似等于初始值。
图5.2木剪力墙的简化计算模型
根据《轻型木结构建筑技术规程》5.3.6及5.3.7条款,可计算出轻木剪力墙的水平抗侧刚度:
(5.2)
(5.3)
式中:
Lw——平行于荷载方向的剪力墙墙肢长度;
γ1——使用环境调整系数;
γ2——是剪力墙高宽比调整系数;
γ3——是刚度调整系数;
fvd——是每米剪力墙抗剪强度设计值;
hw——是单片剪力墙墙肢高度;
A——是剪力墙端部墙骨柱截面面积;
E——是剪力墙边缘墙骨柱弹性模量;
Ga——是考虑厚度因素的木基结构板等效剪切刚度;
dn——是达到抗剪承载力设计值fvd时,剪力墙一侧底部竖向变形。
在本结构中,采用此模型对墙体进行简化,在SAP2000中假定弹簧刚度模拟墙体对整体结构的作用。
等效刚度如下表:
轻木剪力墙等效模型刚度计算
墙长(mm)
fvd
hw
Ga
A
E
dn
Lw
/(kN/mm)
/mm
/(kN/mm)
/mm2
/(kN/mm2)
/mm
/mm
0.0032
3000
3.8
3382
0.97
5
4800
4800×3000
kd
γ1
γ2
γ3
K
Kd
/(kN/mm/mm)
/(kN/mm)
/(kN/mm)
0.000471597
1
1
1
2.3
1.6
墙长(mm)
fvd
hw
Ga
A
E
dn
Lw
/(kN/mm)
/mm
/(kN/mm)
/mm2
/(kN/mm2)
/mm
/mm
0.0032
3000
3.8
3382
0.97
5
3600
3600×3000
kd
γ1
γ2
γ3
K
Kd
/(kN/mm/mm)
/(kN/mm)
/(kN/mm)
0.00035373
1
1
1
1.3
1.0
6计算结果
(1)结构周期和振型信息如下图所示。
X方向
第一振型:
X方向平动周期:
0.15s,频率:
6.6Hz
第二振型:
扭转周期:
0.12s,频率:
7.9Hz
第三振型:
Y方向平动周期:
0.1s,频率:
9.7Hz
图6.1结构振型及周期
(2)结构位移
楼层
高度(mm)
X方向位移(mm)
X方向层间位移角
Y方向位移(mm)
Y方向层间位移角
一层
3000
0.17
1/17647
2.156E-19
0
二层
3000
0.25
1/12000
-1.308E-19
0
层间位移角小于1/150,满足规范要求。
(3)结构构件验算
墙骨柱受压验算
构件基本信息
b=
38
mm
h=
89
mm
A=
3382
mm^2
25.692
mm
I=
2232402
mm^4
S=
37624.75
mm^3
W=
50166
mm^3
116.77
<75
ψ=
0.3194
材料信息(N/mm^2)
强度等级
组别
fm
fc
ft
fv
E
TC27
A
9.4
12
4.8
1.4
9700
荷载信息(设计值)
N=
0.34
kN
Mo=
0.00
kN·m
V=
0.00
kN
验算结果
强度
γRE×(N/Anfc)=
0.008377686
≤1
满足
稳定
γRE×(N/ψA0fc)=
0.026225615
≤1
满足
墙骨柱压弯验算
构件基本信息
b=
38
mm
h=
89
mm
A=
3382
mm^2
I=
2232401.833
mm^4
S=
37624.75
mm^3
W=
50166.33333
mm^3
材料信息(N/mm^2)
强度等级
组别
fm
fc
ft
fv
E
TC27
A
9.4
12
4.8
1.4
9700
荷载信息(设计值)
N=
0.34
kN
Mo=
0.39
kN·m
V=
0.00
kN
验算结果
抗弯强度
γRE×(N/Anfc+M/Wnfm)=
0.651895
≤1
满足
稳定
γRE×(N/ψA0fc)=
0.051423
≤1
满足
檩条受弯验算
构件基本信息
b=
38
mm
h=
89
mm
A=
3382
mm^2
I=
2232401.833
mm^4
S=
37624.75
mm^3
W=
50166.33333
mm^3
材料信息(N/mm^2)
强度等级
组别
fm
fc
ft
fv
E
TC27
A
9.4
12
4.8
1.4
9700
荷载信息(设计值)
N=
0
kN
Mo=
0.01
kN·m
V=
0.00
kN
验算结果
抗弯强度
γRE×(N/Anft)=
0.018873
≤1
满足
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- 轻型木结构抗震 kobe 轻型 木结构 抗震