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【摘 要】 本文将某石化装置中大型反应器框架采用两种不同的建模方式进行对比计算，得到一个比较安全可靠的計算模型，并对刚性楼板假定，偶然偏心及双向地震等计算参数的选取原则做了探讨。
【关键词】 不规则结构；阻尼比；混合结构
1.前言：
本工程抗震设防烈度7度（0.15g），地震分组三组，场地类别II类。高度30.6m，属A类高度，混凝土框架抗震等级一级，钢结构三级。核心设备正常操作重1200吨，其它中小型设备共6台，单台重150～300t，还有附属管道和仪表电气等荷载。
由于设备吊装要求，以混凝土结构为底座，顶部两层一榀三跨设计为后安装钢框架，如下图所示。
其中，m、c、k分别为质量、阻尼和刚度矩阵，计算建模时要求尽量与实际接近，但是对于这种由两种材料组建成的结构形式，本身存在两种阻尼比，又不同于劲性混凝土。实际计算缺少相关依据，对于阻尼比取值，结构抗震要求等均不明确，本文通过选取不同阻尼比，以及整体建模与不同材料分别建模所得到的计算结果，进行最不利包络设计。
2.计算参数的选取：
2.1刚性楼板假定：
为避免局部振动引起的计算误差，减少结构自由度，提高计算效率，规范要求在刚性楼板假定下计算结构周期比和层刚比。刚性楼板假定认定平面外刚度为零，忽略了楼面梁的有效翼缘对平面外刚度的贡献，使结构总刚度偏小，周期变长，地震力减小。因此在考虑刚性楼板的同时，SATWE2010增加了可以考虑板面外与梁变形协调的选项。但是《抗规》【1】3.4.3条文说明中指出：计算扭转位移比时，不应按刚性楼板，楼板无限刚面内变形会使抗侧力构件内力和变形增大，结果不可信，因此必须用弹性楼板。特别对于楼板局部开大洞的框架结构，弹性楼板下结构的扭转位移比和边梁内力有显著增大【2】。
2.2双向地震，偶然质量偏心：
《抗规》3.4.3条文说明中指出：计算扭转位移比时，应该按给定水平力计算并考虑偶然偏心；结构位移控制时，仍按CQC效应组合。计算周期比时，不必附加偶然偏心，而对于位移比超限，扭转明显的结构，应该考虑双向地震作用，并且同时考虑偶然偏心。
3.计算结果比较及不规则判定：
3.1基底剪力比较：
本框架共5层，计算振型数15个，根据各振型周期，平动系数，扭转系数，以及各振型对X，Y方向的基底剪力贡献大小，判断各模型的主振型并比较地震作用下的基底剪力大小。
由表1可见，钢-混凝土混合结构整体建模下，1，3，4，11振型为结构x向振动主振型，其中，1振型以平动为主第一振型，3振型以扭转为主第一振型。2，5，12为结构y向振动主振型，均以平动为主，扭转变形很小。查看混合结构振动图形，可以看出几个主振型均是混凝土结构和钢结构一起振动，不存在以哪部分振动为主。
将钢结构作为荷载导入混凝土框架建模下，1，3，4，7振型为结构x向振动主振型，其中，1振型以平动为主第一振型，3振型以扭转为主。2，5，8为结构y向振动主振型，均以平动为主，扭转变形很小。
钢-混凝土混合结构地震作用最大的方向：0.032度，混凝土框架0.025度。两种建模方式在平动为主的振型作用下，计算的基底剪力数值几乎相等，但是混凝土框架在扭转振型下的剪力大于混合结构。混合结构阻尼比为0.02计算出的剪力比0.05下的大，符合阻尼振动的规律。
3.2平面扭转不规则判定：
《高规》【3】第3.4.5条规定：在考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下，结构扭转为主的第一周期Tt与平动为主的第一周期T1之比，A级高度高层建筑不应大于0.9，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍。在《抗规》3.4.3规定中将位移比超过1.2倍的判定为平面扭转不规则。
由表2，3可见，对于本文中的框架不同阻尼比对自振周期影响不大，结构周期比满足要求，但是位移比都接近或超过了1.2倍，可以判定两个模型都属于平面扭转不规则结构。在风作用下，混凝土框架比混合结构位移大，但在地震作用下，混合结构的位移却要大些，位移比也较大。
3.3竖向不规则判定：
《抗规》3.4.3条规定：该层的侧向刚度小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%，即可判定为侧向刚度不规则；抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一楼层的80%，可以判定为楼层承载力突变。
由表4，5可见，出现薄弱层的均为结构2层，混凝土框架在X方向侧移刚度略小，Y方向刚度略大；楼层抗剪承载力比值相当。
3.4薄弱层验算：
根据《高规》第3.5.8条规定，将薄弱层剪力乘放大系数1.25，并考虑双向地震力，进行薄弱层验算。
楼层屈服强度系数大于0.5，且弹塑性层间位移小于1/50，结构可不必进行罕遇地震下的弹塑性变形验算。
4.结论与建议
1.钢-混凝土混合结构比纯混凝土框架的地震周期小；平动振型下的基底剪力数值相当，但扭转阵型下的基底剪力偏小，扭转角稍大；在地震作用下，混合结构的位移大一些，位移比也较大，扭转效应较明显。
2.混合结构各个振型均是混凝土结构和钢结构一起振动，不存在以哪部分为主，与钢结构水平向支承在混凝土结构上有关；对于顶部是钢结构下部混凝土的结构形式，会存在不同程度的鞭梢效应，对钢结构部分应该将地震力乘放大系数，搭建在同一个模型里与真实结果相差可能较大，有待研究；
3.出现薄弱层的均为设备层的下层，对于钢-混凝土混合结构，PKPM程序无法验算薄弱层，建议不规则的框架用非线性有限元软件计算。
参考文献：
【1】《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010），中华人民共和国国家标准，2010
【2】《楼板不连续时的抗震设计》，马彦晓、郭远翔，《河北工业大学学报》，2010
【3】《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010），中华人民共和国国家标准，2010
【关键词】 不规则结构；阻尼比；混合结构
1.前言：
本工程抗震设防烈度7度（0.15g），地震分组三组，场地类别II类。高度30.6m，属A类高度，混凝土框架抗震等级一级，钢结构三级。核心设备正常操作重1200吨，其它中小型设备共6台，单台重150～300t，还有附属管道和仪表电气等荷载。
由于设备吊装要求，以混凝土结构为底座，顶部两层一榀三跨设计为后安装钢框架，如下图所示。
其中，m、c、k分别为质量、阻尼和刚度矩阵，计算建模时要求尽量与实际接近，但是对于这种由两种材料组建成的结构形式，本身存在两种阻尼比，又不同于劲性混凝土。实际计算缺少相关依据，对于阻尼比取值，结构抗震要求等均不明确，本文通过选取不同阻尼比，以及整体建模与不同材料分别建模所得到的计算结果，进行最不利包络设计。
2.计算参数的选取：
2.1刚性楼板假定：
为避免局部振动引起的计算误差，减少结构自由度，提高计算效率，规范要求在刚性楼板假定下计算结构周期比和层刚比。刚性楼板假定认定平面外刚度为零，忽略了楼面梁的有效翼缘对平面外刚度的贡献，使结构总刚度偏小，周期变长，地震力减小。因此在考虑刚性楼板的同时，SATWE2010增加了可以考虑板面外与梁变形协调的选项。但是《抗规》【1】3.4.3条文说明中指出：计算扭转位移比时，不应按刚性楼板，楼板无限刚面内变形会使抗侧力构件内力和变形增大，结果不可信，因此必须用弹性楼板。特别对于楼板局部开大洞的框架结构，弹性楼板下结构的扭转位移比和边梁内力有显著增大【2】。
2.2双向地震，偶然质量偏心：
《抗规》3.4.3条文说明中指出：计算扭转位移比时，应该按给定水平力计算并考虑偶然偏心；结构位移控制时，仍按CQC效应组合。计算周期比时，不必附加偶然偏心，而对于位移比超限，扭转明显的结构，应该考虑双向地震作用，并且同时考虑偶然偏心。
3.计算结果比较及不规则判定：
3.1基底剪力比较：
本框架共5层，计算振型数15个，根据各振型周期，平动系数，扭转系数，以及各振型对X，Y方向的基底剪力贡献大小，判断各模型的主振型并比较地震作用下的基底剪力大小。
由表1可见，钢-混凝土混合结构整体建模下，1，3，4，11振型为结构x向振动主振型，其中，1振型以平动为主第一振型，3振型以扭转为主第一振型。2，5，12为结构y向振动主振型，均以平动为主，扭转变形很小。查看混合结构振动图形，可以看出几个主振型均是混凝土结构和钢结构一起振动，不存在以哪部分振动为主。
将钢结构作为荷载导入混凝土框架建模下，1，3，4，7振型为结构x向振动主振型，其中，1振型以平动为主第一振型，3振型以扭转为主。2，5，8为结构y向振动主振型，均以平动为主，扭转变形很小。
钢-混凝土混合结构地震作用最大的方向：0.032度，混凝土框架0.025度。两种建模方式在平动为主的振型作用下，计算的基底剪力数值几乎相等，但是混凝土框架在扭转振型下的剪力大于混合结构。混合结构阻尼比为0.02计算出的剪力比0.05下的大，符合阻尼振动的规律。
3.2平面扭转不规则判定：
《高规》【3】第3.4.5条规定：在考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下，结构扭转为主的第一周期Tt与平动为主的第一周期T1之比，A级高度高层建筑不应大于0.9，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍。在《抗规》3.4.3规定中将位移比超过1.2倍的判定为平面扭转不规则。
由表2，3可见，对于本文中的框架不同阻尼比对自振周期影响不大，结构周期比满足要求，但是位移比都接近或超过了1.2倍，可以判定两个模型都属于平面扭转不规则结构。在风作用下，混凝土框架比混合结构位移大，但在地震作用下，混合结构的位移却要大些，位移比也较大。
3.3竖向不规则判定：
《抗规》3.4.3条规定：该层的侧向刚度小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%，即可判定为侧向刚度不规则；抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一楼层的80%，可以判定为楼层承载力突变。
由表4，5可见，出现薄弱层的均为结构2层，混凝土框架在X方向侧移刚度略小，Y方向刚度略大；楼层抗剪承载力比值相当。
3.4薄弱层验算：
根据《高规》第3.5.8条规定，将薄弱层剪力乘放大系数1.25，并考虑双向地震力，进行薄弱层验算。
楼层屈服强度系数大于0.5，且弹塑性层间位移小于1/50，结构可不必进行罕遇地震下的弹塑性变形验算。
4.结论与建议
1.钢-混凝土混合结构比纯混凝土框架的地震周期小；平动振型下的基底剪力数值相当，但扭转阵型下的基底剪力偏小，扭转角稍大；在地震作用下，混合结构的位移大一些，位移比也较大，扭转效应较明显。
2.混合结构各个振型均是混凝土结构和钢结构一起振动，不存在以哪部分为主，与钢结构水平向支承在混凝土结构上有关；对于顶部是钢结构下部混凝土的结构形式，会存在不同程度的鞭梢效应，对钢结构部分应该将地震力乘放大系数，搭建在同一个模型里与真实结果相差可能较大，有待研究；
3.出现薄弱层的均为设备层的下层，对于钢-混凝土混合结构，PKPM程序无法验算薄弱层，建议不规则的框架用非线性有限元软件计算。
参考文献：
【1】《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010），中华人民共和国国家标准，2010
【2】《楼板不连续时的抗震设计》，马彦晓、郭远翔，《河北工业大学学报》，2010
【3】《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010），中华人民共和国国家标准，2010