錯(cuò)層框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)

楊進(jìn)喜

摘要：錯(cuò)層結(jié)構(gòu)獨(dú)特的空間感和層次感滿足建筑要求，現(xiàn)已廣泛運(yùn)用于框架結(jié)構(gòu)中。但錯(cuò)層對(duì)框架結(jié)構(gòu)抗震也帶來(lái)許多不利,主要兩個(gè)原因：(1)錯(cuò)層一般會(huì)在連接錯(cuò)層的部位形成短柱；(2)錯(cuò)層所形成的二層樓板,削弱了樓板協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)整體受力的能力,且使得建筑的平、立面布置不規(guī)則,質(zhì)量分布和剛度變化不均勻。因此,需要對(duì)錯(cuò)層抗震性能進(jìn)行研究。本文針對(duì)高層規(guī)則錯(cuò)層框架的地震反應(yīng)分析,采用PKPK和ETABS分析軟件,對(duì)錯(cuò)層結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,得到一些動(dòng)力特性和受力變化規(guī)律,希望能對(duì)錯(cuò)層框架結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用有所幫助。

關(guān)鍵字：錯(cuò)層，短柱，應(yīng)力集中

中圖分類號(hào)： O343.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

1工程概述

本工程位于天津東疆港區(qū)，是一座辦公樓的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。工程平面成T字型，左右對(duì)稱，比較規(guī)則；工程地下一層，左側(cè)地上六層，首層5.1m，其余4.5m；右側(cè)地上四層，首兩層層高為7.05m，其余為4.5m，因此形成錯(cuò)層。由圖2可以看出，錯(cuò)層未沿建筑通高設(shè)置，錯(cuò)層設(shè)置在2、3、4標(biāo)準(zhǔn)層，5及其以上樓板連通。本工程為丙類建筑,設(shè)計(jì)使用年限50 年,抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15g ,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,場(chǎng)地類別四類?；A(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ)。

圖1 結(jié)構(gòu)整體模型圖 圖2 建筑剖面圖

2結(jié)構(gòu)計(jì)算及分析

建筑外立面多為大開(kāi)窗，內(nèi)部多為大開(kāi)間，很難在有利的位置布置剪力墻，最終采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。計(jì)算軟件以STAWE 為主，用ETABS 進(jìn)行校核。建模時(shí)錯(cuò)層處按兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層輸入,共計(jì)9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層。在確定計(jì)算參數(shù)時(shí),結(jié)構(gòu)體系采用復(fù)雜高層結(jié)構(gòu),框架抗震等級(jí)為二級(jí)；錯(cuò)層處框架柱抗震等級(jí)為一級(jí)，抗震構(gòu)造措施提高一級(jí)?？蚣苤孛鏋?00X800、700X700、600X600,錯(cuò)層處框架柱截面850X850，混凝土強(qiáng)度為C40、C35。由于本工程有錯(cuò)層, 錯(cuò)層平面圖中有50%左右的柱子不與梁板拉接, SATWE和ETABS程序則對(duì)此給出了4種假定:（1）樓板整體平面內(nèi)無(wú)限剛（2）分塊無(wú)限剛（3）分塊無(wú)限剛帶彈性連接板帶（4）彈性樓板, 根據(jù)本工程的實(shí)際情況, 應(yīng)選用第3種情況。

2.1計(jì)算結(jié)果

振型分解反應(yīng)譜分析結(jié)果比較。由表1 和表2可知,兩種計(jì)算軟件主要計(jì)算結(jié)果均差別不大，均能滿足規(guī)范要求。

表1 不同計(jì)算模型結(jié)果比較

表2 基底剪力比較

2.2計(jì)算結(jié)果分析

1) 位移比。根據(jù)《高規(guī)》第4.3.5 條規(guī)定,在考慮偶然偏心影響的地震作用下,樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移,復(fù)雜高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2 倍,不應(yīng)大于該樓層平均值的1.4 倍。由于本工程是錯(cuò)層框架結(jié)構(gòu),STAWE輸出的計(jì)算結(jié)果包括了錯(cuò)層部位的位移比,是失真的。而實(shí)際樓層的位移比是我們所需要。所以我們?cè)谟?jì)算時(shí)選擇位移詳細(xì)輸出, 查出來(lái)每層的每個(gè)點(diǎn)的位移和四個(gè)角的最大位移后,并取其平均值作為平均位移,最后算出實(shí)際樓層的位移比。

2) 層間剛度比。根據(jù)《高規(guī)》第4.4.2 條規(guī)定,抗震設(shè)計(jì)的高層建筑結(jié)構(gòu),其樓層側(cè)向剛度不宜小于相鄰上部樓層側(cè)向剛度的70%或其上相鄰3 層側(cè)向剛度平均值的80%。由于本工程是錯(cuò)層結(jié)構(gòu),輸出的計(jì)算結(jié)果是每個(gè)結(jié)構(gòu)層的剛度比同樣也是失真的。所以也需要我們手工計(jì)算。地震剪力可以直接從程序的計(jì)算結(jié)果中選用。層間位移可按1) 中的方法求得。

3) 周期比。根據(jù)《高規(guī)》第4.3.5 條規(guī)定,結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動(dòng)為主的第一自振周期之比,高層建筑不應(yīng)大于0.9。經(jīng)過(guò)咨詢中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM 軟件開(kāi)發(fā)工程師,對(duì)于錯(cuò)層結(jié)構(gòu),計(jì)算結(jié)果中的周期比是準(zhǔn)確的。

3抗震構(gòu)造措施

1)由于采用錯(cuò)層結(jié)構(gòu)在錯(cuò)層處的框架柱均為短柱,在結(jié)構(gòu)分析結(jié)果時(shí)，錯(cuò)層柱的抗震等級(jí)提高一級(jí)，錯(cuò)層柱的截面邊長(zhǎng)增50mm，錯(cuò)層處軸壓比控制在0.5以下；同時(shí)錯(cuò)層處框架柱的箍筋全程加密，提高柱子的體積配箍率，對(duì)其抗剪性能進(jìn)行有效加強(qiáng),滿足規(guī)范強(qiáng)剪弱彎的要求。

2)由圖3、4可以看出，在地震作用下錯(cuò)層處樓板存在應(yīng)力集中分布，是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，錯(cuò)層處一跨范圍內(nèi)，樓板加厚為120mm，雙層雙向配筋。由圖5可以看出，在地震作用下錯(cuò)層上的貫通層，在相同的位置也出現(xiàn)輕微應(yīng)力集中，也應(yīng)在加強(qiáng)其抗震構(gòu)造措施。

圖3 地震下3標(biāo)準(zhǔn)層錯(cuò)層處樓板應(yīng)力分布圖4 地震下4標(biāo)準(zhǔn)層錯(cuò)層處樓板應(yīng)力分布

圖5 地震下5標(biāo)準(zhǔn)層錯(cuò)層處樓板應(yīng)力分布

3)將錯(cuò)層部分做多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層處理后, 當(dāng)一根柱分屬兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層時(shí),由于計(jì)算中所取的柱長(zhǎng)度分別為標(biāo)準(zhǔn)層間的距離,與柱的實(shí)際長(zhǎng)度不符, 影響柱的偏心距增大系數(shù)計(jì)算,可修改柱的計(jì)算長(zhǎng)度進(jìn)行柱配筋計(jì)算。

4結(jié)論

1)在對(duì)復(fù)雜高層建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),運(yùn)用概念設(shè)計(jì)的思想確定結(jié)構(gòu)方案、進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置是十分重要的,在此基礎(chǔ)上還要有充分的計(jì)算分析手段,例如采用二種不同計(jì)算程序進(jìn)行分析對(duì)比、相互驗(yàn)證,并采用結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析方法進(jìn)行補(bǔ)充分析。

2)錯(cuò)層的兩側(cè)盡量采用結(jié)構(gòu)布置和側(cè)向剛度相近的結(jié)構(gòu)體系通過(guò)選擇合理的結(jié)構(gòu)形式,采用較規(guī)則的平面布置體系,加強(qiáng)抗震構(gòu)造措施,可以滿足規(guī)范抗震設(shè)計(jì)的要求。

3)錯(cuò)層不宜沿建筑通高設(shè)置,錯(cuò)層中應(yīng)設(shè)置一定數(shù)量的貫通層,將錯(cuò)層分為幾個(gè)區(qū)段,貫通層要重點(diǎn)加強(qiáng)。

4) 錯(cuò)層結(jié)構(gòu)存在錯(cuò)層處的框架柱均為短柱和錯(cuò)層處樓板存在應(yīng)力集中分布的問(wèn)題，應(yīng)引起設(shè)計(jì)人員的注意。

參考文獻(xiàn)

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