PKPM有限元軟件在不規(guī)則框架結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算中的應(yīng)用

吳桂芬

(中國(guó)華電工程(集團(tuán))有限公司，北京 100035)

0 引言

框架結(jié)構(gòu)的民用建筑結(jié)構(gòu)布置一般比較規(guī)整，各樓層層高相差較小，樓板開(kāi)孔不大，因此，一般民用建筑框架柱截面大小通常由層高和層數(shù)決定。對(duì)工業(yè)建筑來(lái)說(shuō)，為滿足工藝設(shè)備布置的要求，結(jié)構(gòu)層高往往不均勻，甚至可能相差幾倍，樓板開(kāi)孔也較大，開(kāi)孔率有時(shí)可達(dá)60%。因此，工業(yè)建筑經(jīng)常會(huì)布置成豎向和平面均不規(guī)則的框架結(jié)構(gòu)。對(duì)不規(guī)則框架結(jié)構(gòu)梁、柱的布置，特別是框架柱截面大小是否仍由軸壓比控制，需根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行計(jì)算分析。

1 工程概況

國(guó)投伊犁熱電(2×330 MW)工程位于新疆伊寧。廠區(qū)脫硫綜合樓采用框架結(jié)構(gòu)，工程抗震設(shè)防烈度為7度，對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g，設(shè)計(jì)地震分組為第3組，抗震設(shè)防類別為丙類，抗震等級(jí)為3級(jí)?；撅L(fēng)壓為0.6kPa，基本雪壓為1.0kPa。

脫硫綜合樓采用框架結(jié)構(gòu)，共5層，建筑面積1074 m2，建筑高度23.0 m。第1層層高5.5 m，第1層右側(cè)布置石膏庫(kù)，樓板開(kāi)孔率45%，如圖1所示。第2層層高5.0 m，第3層3.0 m，樓板右側(cè)開(kāi)孔，開(kāi)孔率35%，如圖2所示。第4層4.0 m，第5層5.5 m，如圖3所示。1～4層建筑面積均為1 074 m2，第5層局部面積為168.5 m2。各樓層框架柱布置情況為:第1層、第2層柱截面為800 mm×800 mm，850 mm×850 mm，900 mm ×900 mm，1 000 mm ×1 000 mm;第3層柱截面為800 mm×800 mm;第4層柱截面為600 mm×800 mm，800 mm×800 mm;第5層柱截面為600 mm×800 mm。

2 計(jì)算分析

圖1 5.500 m層梁柱布置圖

2.1 柱軸壓比、層間受剪承載力比及位移角限值

按照GB 5011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，軸壓比指柱的組合軸壓力設(shè)計(jì)值N與柱全截面面積A和混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc乘積之比，即軸壓比為N/fcA。限制軸壓比來(lái)保證結(jié)構(gòu)的延性。

圖2 13.500 m層梁柱布置圖

圖3 23.000 m層梁柱布置圖

按照GB 50023—2009《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》的要求，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)樓層現(xiàn)有受剪承載力應(yīng)按下式計(jì)算，此參數(shù)限制結(jié)構(gòu)的豎向布置規(guī)則性，可用來(lái)判斷薄弱層。

式中:Fy為樓層現(xiàn)有受剪承載力;∑Fcy為框架柱層間現(xiàn)有受剪承載力之和;∑Fmy為磚填充墻框架層間現(xiàn)有受剪承載力之和;∑Fwy為抗震墻層間現(xiàn)有受剪承載力之和。

按照GB 5011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，層間位移角按彈性方法計(jì)算的樓層層間最大位移與層高之比計(jì)算，用來(lái)限制正常使用下的水平位移，確保結(jié)構(gòu)有足夠的剛度。

2.2 計(jì)算模型建立與參數(shù)選取

該工程采用PKPM(2010版)軟件進(jìn)行計(jì)算分析，第1層計(jì)算層高6.15 m(基礎(chǔ)頂標(biāo)高為－0.65 m)，第2層計(jì)算層高5.00 m，第3層計(jì)算層高3.00 m，第4層計(jì)算層高4.00 m，第5層計(jì)算層高5.50 m?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為 C30，鋼筋主筋的等級(jí)為HRB335，箍筋等級(jí)為HPB300，梁柱保護(hù)層厚度20 mm。恒、活載荷為一次性加載，計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力時(shí)地震載荷考慮偶然偏心和雙向地震的不利值，計(jì)算位移角時(shí)不考慮偶然偏心，不考慮雙向地震。根據(jù)GB 5011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》確定梁剛度放大系數(shù)，柱配筋按單偏壓計(jì)算雙偏壓驗(yàn)算(角柱按雙偏壓計(jì)算)。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

表1為樓層抗剪承載力和承載力比。通過(guò)分析表1中數(shù)據(jù)可知，5層X(jué)方向樓層承載力比最小，為1.00;2層Y方向最小樓層承載力比最小，為0.84，即樓層承載力比已接近規(guī)范限值。表2為Y方向地震作用下的樓層最大位移表，通過(guò)分析可知，Y方向地震作用下的樓層最大位移角最接近限值，最大位移角為0.103°。最小樓層承載力比和最大位移角均接近限值，說(shuō)明在填充墻、混凝土等級(jí)不變的情況下，框架柱截面剛好滿足規(guī)范的要求。而計(jì)算得出的柱軸壓比最大為0.56，小于限值0.85，說(shuō)明該工程框架柱的截面面積并非由軸壓比控制。

為分析框架柱截面變化的影響，將框架柱截面改為600 mm×600 mm后重新進(jìn)行計(jì)算分析，此時(shí)柱底軸壓比最小為0.39，最大為0.82，接近限值。分析計(jì)算結(jié)果可知，X方向地震作用下的樓層最大位移角為0.130°(見(jiàn)表3);Y方向地震作用下的樓層最大位移角為0.194°(見(jiàn)表4)，遠(yuǎn)大于規(guī)范限值0.104°。說(shuō)明框架柱截面改變對(duì)位移角影響較大，而此時(shí)軸壓比仍在限值內(nèi)，滿足了規(guī)范要求。

表1 樓層抗剪承載力及承載力比

表2 Y方向地震作用下的樓層最大位移

表3 X方向地震作用下的樓層最大位移

表4 Y方向地震作用下的樓層最大位移

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)層間受剪承載力比在不滿足規(guī)范要求時(shí)，SATWE軟件“調(diào)整信息”中的“指定薄弱層個(gè)數(shù)”中填入該樓層層號(hào)，將該樓層強(qiáng)制定義為薄弱層，SATWE軟件按JGJ 3—2002《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》5.1.14的規(guī)定，將該樓層地震剪力放大1.15倍。如果還需人工干預(yù)，可適當(dāng)提高該層構(gòu)件強(qiáng)度(如增大配筋、提高混凝土強(qiáng)度或加大截面)以提高該層墻、柱等抗側(cè)力構(gòu)件的抗剪承載力，或適當(dāng)降低上部相關(guān)樓層墻、柱等抗側(cè)力構(gòu)件的抗剪承載力。幾個(gè)參數(shù)的調(diào)整涉及構(gòu)件截面、剛度及平面位置的改變，在調(diào)整過(guò)程中可能相互關(guān)聯(lián)。

(2)在位移角不滿足規(guī)范要求時(shí)，可考慮增大梁柱截面;對(duì)于層高較大的樓層可增設(shè)層間梁。在滿足工藝設(shè)備布置要求的前提下，在框架柱之間布置框架梁，增加樓層剛度，從而減小位移角，使計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

(3)對(duì)不規(guī)則的框架結(jié)構(gòu)，框架柱的截面面積往往不是由軸壓比控制，而是由層)間受剪承載力比或位移角限值控制。

［1］GB 5011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］朱炳寅.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)用與分析［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

［3］GB 50023—2009，建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)［S］.