樓梯對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)整體抗震影響的研究

賈樹華,張俊峰

(1.華潤置地山東省公司,山東濟(jì)南250001;2.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院,河南鄭州450001)

1 概 述

樓梯間是建筑物重要的垂直運(yùn)輸通道,承擔(dān)著緊急逃生等重要的功能,在汶川地震中大量框架結(jié)構(gòu)和框剪結(jié)構(gòu)框架部分中的樓梯遭到較為嚴(yán)重的破壞,造成了大量的人員傷亡,而以往的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中往往不考慮樓梯構(gòu)件參與結(jié)構(gòu)整體分析計(jì)算,存在一些安全隱患,新版《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中規(guī)定,多層和高層鋼筋混凝土房屋,對(duì)于框架結(jié)構(gòu),樓梯間與主體結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆時(shí),應(yīng)計(jì)入樓梯構(gòu)件對(duì)地震作用及其效應(yīng)的影響。文獻(xiàn)[2-7]分別采用了不同的結(jié)構(gòu)模型,研究了混凝土樓梯構(gòu)件對(duì)鋼筋混凝土框架整體結(jié)構(gòu)的地震影響,但對(duì)于多層和高層鋼框架結(jié)構(gòu),鋼樓梯構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)的連接一般為鉸接,與現(xiàn)澆混凝土樓梯與混凝土框架的連接相比,剛度較弱,其對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)的整體影響如何,現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料很少涉及,在設(shè)計(jì)中該如何考慮其影響,《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中也并沒有相關(guān)的規(guī)定。本文以實(shí)際工程的抽象模型為研究對(duì)象,來分析鋼樓梯對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)整體受力性能的影響。

2 工程概況

該工程為五層鋼框架結(jié)構(gòu),每層層高均為3 m,框架鋼柱采用寬翼緣H型鋼,截面尺寸為HW300×300×10×16,框架梁采用窄翼緣H型鋼,截面尺寸為HN400×200×8×10,材質(zhì)為Q345,樓板采用現(xiàn)澆樓板,建筑平面如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面圖

該建筑抗震設(shè)防烈度為7度(0.10 g),設(shè)計(jì)分組為第二組,II類場(chǎng)地,特征周期為0.40 s,樓面恒荷載為1.5 kN/m2(不計(jì)樓板自重),樓面活荷載,中間走道為2.5 kN/m2,其余樓面為2.0 kN/m2。樓梯間樓梯恒荷載為2.5 kN/m2,活荷載為3.5 kN/m2。

3 樓梯鋼框架結(jié)構(gòu)整體性能的影響

為了研究樓梯對(duì)鋼框架整體受力性能的影響,本文采用ETABS軟件建立了兩個(gè)有限元模型進(jìn)行對(duì)比分析,兩個(gè)模型的區(qū)別在于對(duì)樓梯間的處理上,模型1采用單向荷載分布的薄殼單元,將膜厚度和彎曲厚度改為較小數(shù)值;模型2采用SLAB殼單元直接模擬樓梯,建模中,通過自由度的釋放比較合理的考慮了樓梯構(gòu)件與鋼框架的連接情況。兩個(gè)有限元模型如圖2、圖3所示。本文分別就鋼框架整體分析中涉及到的周期、振型、地震剪力和層間位移進(jìn)行兩個(gè)模型的對(duì)比分析。

(1)周期

計(jì)入樓梯構(gòu)件后,結(jié)構(gòu)的剛度明顯增大,自振周期減少。前7個(gè)振型模型1和模型2對(duì)應(yīng)期相差在10%以上,第8個(gè)振型之后的高階振型相差不大,兩個(gè)模型的周期對(duì)比見表1。

圖2 模型1

圖3 模型2

表1 周期對(duì)比 單位:s

(2)振型

純框架前三個(gè)振型的順序分別為X向平動(dòng)、Y向平動(dòng)和扭轉(zhuǎn),計(jì)入樓梯構(gòu)件之后,第一振型以X向平動(dòng)為主,兼有少量扭轉(zhuǎn);第二振型以扭轉(zhuǎn)振型為主,兼有少量X向和Y向的平動(dòng);第三振型以Y向平動(dòng)為主,兼有少量X向平動(dòng)和扭轉(zhuǎn)。該結(jié)構(gòu)模型,樓梯間基本位于整體結(jié)構(gòu)X向(縱向)的中部,與結(jié)構(gòu)的剛心存在少量的偏心,但對(duì)結(jié)構(gòu)的振型影響非常大,計(jì)入樓梯構(gòu)件之后,第二振型變?yōu)橐耘まD(zhuǎn)為主,并且各階振型均不同程度摻雜有扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。主要振動(dòng)對(duì)比見表2。

表2 主要振型對(duì)比

(3)地震剪力

樓層地震剪力的變化是各方向周期變化的綜合反映。從圖4、圖5可以看出:在 X方向地震作用下,沿X方向(垂直樓梯板方向)的樓層剪力相差不大,除電梯間外,各層相差不到10%,但由于模型2中樓梯間和結(jié)構(gòu)剛心存在偏心,結(jié)構(gòu)的各階振型中都伴隨著扭轉(zhuǎn),因此在X方向地震作用下,沿Y方向(平行于樓梯板方向)的樓層剪力存在很大不同,模型1基本為0,而模型2存在不小的樓層剪力,約為X方向樓層剪力的1/3～1/2(見表3)。在Y方向地震作用下,沿Y方向(平行于樓梯板方向)的樓層剪力相差比較大,約為25%～30%,同樣原因,在X方向(垂直樓梯板方向),模型1樓層剪力基本為0,而模型2存在不可忽視的樓層剪力,約為Y方向樓層剪力的1/5～1/4(見表3)。

圖4 X向地震作用下各模型層剪力圖

圖5 Y向地震作用下各模型層剪力圖

表3 地震作用下層剪力對(duì)比

(4)層間位移

從圖6、圖7可以看出:模型2的各層最大層間位移比模型1均有減少,減小幅度約從10%到40%不等,X向由于扭轉(zhuǎn)相應(yīng)更加明顯,各層的變化幅度比較大,相差約30%,Y向的支撐作用明顯,且扭轉(zhuǎn)效應(yīng)相對(duì)X向小,各層的變化幅度不大,除樓梯間外,大約都在20%左右。地震作用下層位移角對(duì)比見表4。

圖6 X向地震作用下各模型層間位移圖

圖7 Y向地震作用下各模型層間位移圖

表4 地震作用下層位移角對(duì)比

4 小 結(jié)

(1)鋼框架結(jié)構(gòu)分析中應(yīng)考慮樓梯構(gòu)件,即使樓梯間與結(jié)構(gòu)剛心有較小的偏心,也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的周期、振型產(chǎn)生較大的影響,扭轉(zhuǎn)周期可能先于一個(gè)方向的平動(dòng)周期出現(xiàn),對(duì)于更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu),更應(yīng)該引起注意。

(2)樓梯構(gòu)件作為一種支撐,具有較大的剛度。計(jì)入樓梯構(gòu)件的剛度后,結(jié)構(gòu)整體的剛度明顯加大,地震作用下的層剪力明顯變大,特別是,計(jì)入樓梯構(gòu)件后引起的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)引起的另一個(gè)方向的層剪力變化較大。

(3)計(jì)入樓梯構(gòu)件的剛度后,結(jié)構(gòu)整體的剛度明顯加大,層間位移角也由于樓梯構(gòu)件的支撐作用而變小。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50011-2010.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

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