一种大型钢制地上深潜池抗震分析方法与流程

1.本发明涉及建筑设计技术领域，具体领域为一种大型钢制地上深潜池抗震分析方法。


背景技术：

2.深潜运动作为一种新兴的极限运动形式越来越受到人们的关注和喜爱。深潜泳池深度可达40米以上，相比野外深潜能够提供更充分的安全保障，满足人们深潜运动的需求。深潜泳池作为地区标志性建筑设施，能够带来更多的关注度，提升地区知名度。目前国内外深潜池多采用钢筋混凝土制作，由于混凝土材料抗拉强度较低，泳池承受的环向拉应力起控制作用，导致池壁较厚，整个结构的自重较大，刚度较大，地震作用下承受地震力较大，其自身抗震性能不佳，对外部主体结构抗震也造成极大影响。为降低地震响应，混凝土深潜池主要建于地下，其地下工程、基础、主体结构、连接等建造费用昂贵。采用钢制深潜池可以减小结构自重，降低地震力作用，泳池建于地上，与外部结构采用柔性连接，对外部建筑结构抗震产生影响较小，在基础、材料、建造、维护等多方面降低了成本，具有更好的经济效益。
3.目前，泳池内液体非线性动力响应较为复杂，深潜池高度较高时重力二阶效应的影响不能忽视，当前尚无地上深潜池的抗震性能分析和设计方法，为大型钢制地上深潜池的抗震设计提供理论支持，提高结构的安全性。为此，提出一种大型钢制地上深潜池抗震分析方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种大型钢制地上深潜池抗震分析方法，以解决深潜池的抗震性能分析和设计方法，为大型钢制地上深潜池的抗震设计提供理论支持，提高结构的安全性的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种大型钢制地上深潜池抗震分析方法，所述抗震分析方法包括以下步骤：
6.s1、建立地上深潜池简化模型；
7.s2、计算固液耦联作用利用反应谱方法计算地震响应；
8.s3、深潜池池壁受压稳定性分析；
9.s4、重力二阶效应，对重力倾覆力矩产生的影响进行分析评估。
10.优选的，s1所述建立地上深潜池简化模型包括
11.深潜池，所述深潜池分为顶部开口浅水区和下部管状深水下潜区，所述顶部开口浅水区和下部管状深水下潜区的连接端可相对位移并设置为密闭不透水柔性连接；
12.固定支座，所述深潜池的底部固定安装于固定支座的上端；
13.所述下部管状深水下潜区形成底部固定连接、顶部可位移的竖向悬臂式结构。
14.优选的，s2所述计算固液耦联作用利用反应谱方法计算地震响应的步骤
15.1)根据梁式振动理论得到基本周期的理论解；
16.2)根据固液耦联作用的周期系数、深潜池液面高度、深潜池的内侧半径和侧壁的厚度计算固液耦联振动基本周期；
17.3)通过固液耦联作用的周期系数对基本周期的理论解进行修正，得到深潜池一阶振动周期；
18.4)根据弹性反应谱理论确定地震影响系数。
19.优选的，根据s2计算固液耦联振动基本周期：t＝khw√r/δ；
20.其中hw为液面高度，在s1中对应于柔性连接位置；r为深潜池壁内半径；δ为池壁厚度；k为考虑固液耦联作用的周期系数，与深潜池液面高度和直径相关，通过理论推导并结合数值分析、振动台试验得出；
21.基本周期结合建筑场地条件，根据现行抗震规范计算得到地震影响系数a1，其中固液耦联振动的阻尼比取为0.05。
22.优选的，s3所述深潜池池壁受压稳定性分析
23.1)根据液体动力特性计算的液体等效静止质量和深潜池惯性力影响和高阶振型影响的综合系数计算水平地震的剪力；
24.2)根据水平地震的剪力、液体脉冲压力作用点高度系数和液面高度计算水平地震弯矩；
25.3)根据深潜池截面面积、抗弯截面模量、深潜池自重和水平地震作用弯矩计算深潜池底部承受的竖向最大压应力；
26.4)根据建筑场地条件与深潜池本体进行稳定分析，形成竖向稳定临界应力；
27.5)深潜池底部承受的竖向最大压应力小于等于竖向稳定临界应力时，满足初步设计要求。
28.优选的，1)根据s3计算水平地震剪力f1:f1＝ηα1m
eq
g；
29.其中η为考虑深潜池惯性力影响和高阶振型影响的综合系数；m
eq
为根据液体动力特性计算的液体等效静止质量；
30.2)根据水平地震剪力f1计算水平地震弯矩m1:m1＝ξf1h
w；
31.其中ξ为液体脉冲压力作用点高度系数，取0.45；
32.3)根据水平地震作用弯矩m1计算深潜池底部承受的竖向最大压应力σ1：σ1＝g1/a1+m1/z1≤[σ
cr
]；
[0033]
其中g1为深潜池自重；a1为深潜池截面面积；z1为抗弯截面模量；[σ
cr
]为竖向稳定临界应力；
[0034]
当计算的竖向最大压应力不超过竖向稳定临界应力，即满足初步设计要求，进入下一设计阶段。
[0035]
优选的，s4所述重力二阶效应，对重力倾覆力矩产生的影响进行分析评估
[0036]
1)根据液体动力特性计算的液体等效静止质量、阻尼矩阵、固液耦联作用的周期系数计算得到液体等效质量的瞬态动力；
[0037]
2)根据选定的地震波进行深潜池在多遇地震和罕遇地震下的时程分析，得到结构在多遇地震下和罕遇地震下的水平方向最大弹性或弹塑性变形；
[0038]
3)计算结构在地震下固液耦联运动质心的最大水平位移，从而得到重力荷载在水平偏心位移影响下对深潜池底部的倾覆弯矩；
[0039]
4)将重力倾覆弯矩与水平地震作用弯矩叠加，计算池壁底部受到的最大轴向压应力；
[0040]
5)计算深潜池底部与固定支座的最大拉应力，验算承载能力。形成验算地基基础抗倾覆的稳定性。
[0041]
优选的，根据s4计算液体等效质量的瞬态动力分析基本运动方程：
[0042]
其中[c]为阻尼矩阵。
[0043]
优选的，根据在结构质心达到最大变形位置时，由自身重力在偏心位移作用下的附加弯矩m2达到最大，根据附加弯矩m2和水平地弯矩m1验算深潜池底部轴向抗压稳定性、基础锚固连接强度、地基抗倾覆稳定性，根据选取的抗震性能化指标确定结构的在多遇地震和罕遇地震下的性能是否达标，从而深化设计内容。
[0044]
优选的，计算附加弯矩m
2：
m2＝g。
[0045]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：一种大型钢制地上深潜池抗震分析方法，通过s1、建立地上深潜池简化模型；s2、计算固液耦联作用利用反应谱方法计算地震响应；s3、深潜池池壁受压稳定性分析；s4、重力二阶效应，对重力倾覆力矩产生的影响进行分析评估，同时基于固液耦联振动理论、弹性反应谱理论和时程分析地震理论，能够实现考虑液体脉冲压力、对流压力、泳池结构惯性力以及重力二阶效应的地震影响分析，为深潜池提供抗震性能分析和设计方法，为大型钢制地上深潜池的抗震设计提供理论支持，提高结构的安全性。
附图说明
[0046]
图1为本发明的大型钢制地上深潜池抗震分析方法流程图；
[0047]
图2为本发明的大型钢制地上深潜池结构立面图；
[0048]
图3为本发明的深潜池结构计算简图；
[0049]
图4为本发明的深潜池地震响应下受力分析模型。
具体实施方式
[0050]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0051]
请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种大型钢制地上深潜池抗震分析方法，所述抗震分析方法包括以下步骤：
[0052]
s1、建立地上深潜池简化模型；
[0053]
s2、计算固液耦联作用利用反应谱方法计算地震响应；
[0054]
s3、深潜池池壁受压稳定性分析；
[0055]
s4、重力二阶效应，对重力倾覆力矩产生的影响进行分析评估。
[0056]
同时基于固液耦联振动理论、弹性反应谱理论和时程分析地震理论，能够实现考
虑液体脉冲压力、对流压力、泳池结构惯性力以及重力二阶效应的地震影响分析，为深潜池提供抗震性能分析和设计方法，为大型钢制地上深潜池的抗震设计提供理论支持，提高结构的安全性。
[0057]
具体而言，s1建立地上深潜池简化模型；
[0058]
深潜池底部通过锚固手段与固定支座连接，具有足够嵌固刚度，可以将固定支座作为固接端；地上深潜池主体分为两部分，顶部扩口浅水区域和下部管状深水下潜区域，两部分采用密闭不透水柔性连接装置相连，在连接处可以产生足够的相对位移，保证两部分水平方向和竖直方向不互相影响；扩口区域作为外部主体结构的一部分考虑，深潜区域顶部可视为自由端，结构简化为竖向悬臂梁形式，竖向高度为柔性连接位置；可以通过梁振动模型对其进行考虑。
[0059]
具体而言，s2计算固液耦联作用利用反应谱方法计算地震响应；
[0060]
根据梁式振动理论得到基本周期的理论解，并考虑固液耦联作用对其进行修正，得到深潜池一阶振动周期，根据弹性反应谱理论确定地震影响系数。
[0061]
考虑固液耦联作用计算地震响应具体方法如下：
[0062]
固液耦联振动基本周期计算如下：
[0063]
t＝khw√r/δ
[0064]
其中hw为液面高度，在简化模型中对应于柔性连接位置；r为深潜池壁内半径；δ为池壁厚度；k为考虑固液耦联作用的周期系数，与深潜池液面高度和直径相关，通过理论推导并结合数值分析、振动台试验得出；
[0065]
基本周期结合建筑场地条件，根据现行抗震规范计算得到地震影响系数a1，其中固液耦联振动的阻尼比取为0.05。
[0066]
具体而言，s3深潜池池壁受压稳定性分析；
[0067]
计算深潜池底部池壁水平地震剪力和弯矩，进而计算地震作用下底部池壁产生的最大轴向压应力，并与池壁的轴压失稳临界应力进行比较，
[0068]
深潜池池壁受压稳定性分析具体方法如下：
[0069]
计算水平地震剪力f1及弯矩m1[0070]
f1＝ηα1m
eqg[0071]
m1＝ξf1hw[0072]
其中η为考虑深潜池惯性力影响和高阶振型影响的综合系数；m
eq
为根据液体动力特性计算的液体等效静止质量；ξ为液体脉冲压力作用点高度系数取0.45；
[0073]
根据水平地震作用弯矩计算深潜池底部承受的竖向最大压应力；
[0074]
σ1＝g1/a1+m1/z1≤[σ
cr
]
[0075]
其中g1为深潜池自重，a1、z1分别为深潜池截面面积和根据建筑场地条件与深潜池本体进行稳定分析形成竖向稳定临界应力抗弯截面模量[σ
cr
]为竖向稳定临界应力。
[0076]
当计算的竖向最大压应力不超过受压失稳临界应力，即满足初步设计要求，进入下一设计阶段。
[0077]
具体而言，s4重力二阶效应，对重力倾覆力矩产生的影响进行分析评估；
[0078]
考虑深潜池和内部液体共同振动的前三阶振型影响，计算结构在地震下固液耦联运动质心的最大水平位移，从而得到重力荷载在水平偏心位移影响下对深潜池底部的倾覆
弯矩。将重力倾覆弯矩与水平地震作用弯矩叠加，计算池壁底部受到的最大轴向压应力，判断其承载力是否满足要求，并计算深潜池底座与基础锚固的最大拉应力，验算锚固连接承载能力。最后验算地基基础抗倾覆的稳定性。
[0079]
重力二阶效应产生的倾覆力矩对稳定性能影响分析的具体方法为：
[0080]
考虑液体等效质量的瞬态动力分析基本运动方程：
[0081][0082]
[c]为阻尼矩阵，可以通过数值计算方法对上式进行求解，根据选定的地震波进行深潜池在多遇地震和罕遇地震下的时程分析，得到结构在多遇地震下和罕遇地震下的水平方向最大弹性或弹塑性变形，通常计算前三阶振型即可满足工程精度要求。在结构质心达到最大变形位置时，由自身重力在偏心位移作用下的附加弯矩m2达到最大，即
[0083]
m2＝g
[0084]
g为结构自重，将m2与步骤s3中得到的水平地弯矩m1共同考虑，验算深潜池底部轴向抗压稳定性、基础锚固连接强度、地基抗倾覆稳定性等内容。根据选取的抗震性能化指标确定结构的在多遇地震和罕遇地震下的性能是否达标，从而深化设计内容。
[0085]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。