某不規(guī)則幼兒園的設(shè)計(jì)應(yīng)用分析

摘 要：文章就某一個(gè)存在平面不規(guī)則性的具體工程，闡述平面不規(guī)則對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響，如樓板局部應(yīng)力集中和平面薄弱部位，通過(guò)計(jì)算和分析提出相應(yīng)的解決方法，從而提高結(jié)構(gòu)的安全性。

關(guān)鍵詞：中震不屈服設(shè)計(jì)；樓板應(yīng)力分析；周期折減；包絡(luò)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范明確要求，建筑及其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面布置宜規(guī)則、對(duì)稱(chēng)，并應(yīng)有良好的整體性，建筑的立面和豎向剖面宜規(guī)則，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度宜均勻變化，不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)方案[1]。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力以及科學(xué)技術(shù)水平的提升，人們對(duì)于建筑的要求已經(jīng)不再局限于滿(mǎn)足使用功能，建筑需要多元化。方方正正的建筑已被慢慢取代了，大批新穎別致、標(biāo)新立異、彰顯個(gè)性的建筑物涌現(xiàn)出來(lái)。它們的出現(xiàn)既給城市建筑帶來(lái)了嶄新的面貌，同時(shí)又給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。如何遵循規(guī)范精神，對(duì)不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)與計(jì)算分析，成為工程設(shè)計(jì)中必須解決的重要課題。

建筑平面結(jié)構(gòu)不規(guī)則主要表現(xiàn)為：扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凸凹不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)，下面用一個(gè)工程實(shí)例對(duì)該種平面不規(guī)則建筑進(jìn)行分析。

1 工程概況

某工程位于上海市閔行區(qū)七寶鎮(zhèn)地區(qū)，與莘莊毗鄰，小區(qū)擬建3幢24層高層住宅、1幢22層高層住宅、1幢三層商業(yè)綜合樓以及1幢三層高幼兒園，所有地上建筑均帶一層地下室，小區(qū)內(nèi)滿(mǎn)鋪地下車(chē)庫(kù)，地下車(chē)庫(kù)局部為二層（見(jiàn)圖1）。

幼兒園為地上三層建筑，呈折線(xiàn)型，尺寸為56.9m×70.3m，層高均為3.75m，上部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑標(biāo)準(zhǔn)平面圖詳見(jiàn)圖2。采用鉆孔灌注樁，小區(qū)整體采用筏板基礎(chǔ)；混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C35，鋼筋強(qiáng)度均為HRB400。

2 設(shè)計(jì)與分析

2.1 主要計(jì)算參數(shù)和結(jié)果

建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年。工程抗震設(shè)防類(lèi)別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(lèi)（乙類(lèi)），抗震設(shè)防烈度7.5度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15g，所屬的設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅳ類(lèi)，特征周期值為0.9s。地面粗糙度類(lèi)別為B類(lèi)，50年一遇的基本風(fēng)壓為0.55kN/m2，基本雪壓為0.40kN/m2，風(fēng)荷載體型系數(shù)取1.30，結(jié)構(gòu)整體計(jì)算采用YJK有限元程序。

平面規(guī)則性上，結(jié)構(gòu)在規(guī)定的水平地震力作用下，考慮偶然偏心的樓層最大位移比為1.44，大于1.20但不超過(guò)1.50，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則平面。結(jié)構(gòu)平面凹入的尺寸，超過(guò)相應(yīng)投影方向總尺寸的30%，屬于凹凸不規(guī)則平面。

2.2 樓板應(yīng)力分析

樓板應(yīng)力分析采用下列參數(shù)：因幼兒園按照《建筑抗震設(shè)防分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》屬于重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)，簡(jiǎn)稱(chēng)乙類(lèi)建筑[2]。本工程按照7.5度設(shè)防，多遇地震水平影響系數(shù)0.12，設(shè)防地震水平影響系數(shù)0.34，Tg=0.9，樓板混凝土強(qiáng)度C35，采用彈性板6。

位于“啞鈴型”折角處在地震力作用下易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，用軟件（YJK）建立整體模型，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行分析（如圖2）。判別標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)樓板水平地震作用的下的最大正應(yīng)力σt≤混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk（本層混凝土強(qiáng)度等級(jí)C35標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度等級(jí)2200kN-m2），板的受拉區(qū)未出現(xiàn)裂縫，板整體剛度不受影響；當(dāng)σt>ftk時(shí)，板出現(xiàn)裂縫，對(duì)板剛度有影響造成結(jié)構(gòu)不安全。

（1）當(dāng)層樓板厚度為120mm，計(jì)算表明X向地震作用下，板頂?shù)淖畲罄瓚?yīng)力較Y向地震作用下的大。小震作用下得板頂最大拉應(yīng)力為831<2200kN/m2，中震作用下得板頂最大拉應(yīng)力為2361>2200kN/m2（圖3和圖4）。

（2）當(dāng)樓板厚度增加到150mm時(shí)，小震作用下得板頂最大拉應(yīng)力為391<2200kN/m2，中震作用下得板頂最大拉應(yīng)力為1911<2200kN/m2（圖5和圖6）。

板厚h=120mm時(shí)，對(duì)于中震不屈服設(shè)計(jì)，樓板最大拉應(yīng)力無(wú)法滿(mǎn)足（拉應(yīng)力超過(guò)混凝土標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度），局部加大板厚至h=150mm時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)中震不屈服設(shè)計(jì)下樓板的最大拉應(yīng)力小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。同時(shí)將該區(qū)域樓板的鋼筋適當(dāng)放大（配置 10@150雙層雙向），加強(qiáng)該區(qū)域樓板的延性。

2.3 周期折減系數(shù)的取值

周期折減的目的是為了考慮填充墻剛度對(duì)結(jié)構(gòu)自振周期的影響，填充墻剛度越大，周期折減系數(shù)越小；填充墻剛度越小，周期折減系數(shù)越大。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)周期若不折減，則結(jié)構(gòu)偏于不安全[3]。

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010，以下簡(jiǎn)稱(chēng)抗規(guī)）規(guī)定計(jì)算各振型地震影響系數(shù)所采用的結(jié)構(gòu)自振周期應(yīng)考慮非承重填充墻的剛度影響予以折減，一般用小于1的周期折減系數(shù)來(lái)修正建議。多層框架結(jié)構(gòu)考慮填充墻的剛度，建議周期折減系數(shù)取0.6～0.7（通常按照0.7取值）。

本工程位于上海市，特征周期Tg=0.9，計(jì)算所得的前三個(gè)自振周期分別為T(mén)=0.7854，0.7376，0.7032（如圖7），該周期位于反應(yīng)譜的平直段，因此建議周期折減系數(shù)取1。對(duì)于其他周期，因數(shù)值較小，可能會(huì)存在折減后的周期不在反應(yīng)譜的平直段，造成設(shè)計(jì)的地震力偏小而造成不安全的現(xiàn)象。

2.4 包絡(luò)設(shè)計(jì)

本工程細(xì)腰處樓梯（圖2）較為薄弱，且為疏散樓梯，為保證地震發(fā)生后人員能夠正常通過(guò)疏散樓梯逃生，加強(qiáng)此處樓梯的抗震措施。（1）樓梯周邊的框架梁柱抗震等級(jí)為一級(jí)，控制柱軸壓比0.65，柱箍筋采用井字復(fù)合箍，箍筋全高加密，體積配箍率不小于1.2%，柱箍筋直徑不小于12mm，肢距不大于150；梁箍筋肢距不大于200mm。（2）平臺(tái)板板厚不小于150mm，配筋不小于 10@150雙層雙向。（3）樓梯間兩側(cè)填充墻與柱之間應(yīng)加強(qiáng)連接。

本工程樓梯未采用滑動(dòng)支座，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）6.1.15條，對(duì)于框架結(jié)構(gòu)，樓梯間的布置不應(yīng)導(dǎo)致平面特別不規(guī)則。樓梯構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)整澆時(shí)，梯板起到斜支撐的作用，對(duì)結(jié)構(gòu)剛度、承載力、規(guī)則性的影響較大，應(yīng)參與抗震計(jì)算，并應(yīng)計(jì)入樓梯構(gòu)件對(duì)地震作用及其效應(yīng)的影響，構(gòu)應(yīng)進(jìn)行樓梯構(gòu)件的抗震承載力驗(yàn)算。故結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析與構(gòu)件設(shè)計(jì)應(yīng)考慮樓梯參與地震作用模型的計(jì)算結(jié)果（模型二）。

本工程細(xì)腰處樓梯較為薄弱，在地震作用下容易較先破壞，整體結(jié)構(gòu)會(huì)從圖2粗實(shí)線(xiàn)部位斷成兩個(gè)單體。從抗連續(xù)倒塌的角度來(lái)看，為保證薄弱部位破壞后，整體結(jié)構(gòu)不倒塌，對(duì)原結(jié)構(gòu)以樓梯為界線(xiàn)進(jìn)行拆分計(jì)算，構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)需考慮此模型的計(jì)算結(jié)果（模型三）。

上述兩種模型應(yīng)與原結(jié)構(gòu)模型（不考慮樓梯剛度，不拆分）的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本工程三層幼兒園，結(jié)構(gòu)在規(guī)定的水平地震力作用下，考慮偶然偏心的樓層最大位移比大于1.20，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則平面。結(jié)構(gòu)平面凹入的尺寸，超過(guò)相應(yīng)投影方向總尺寸的30%，屬于凹凸不規(guī)則平面。平面不規(guī)則使得位于“啞鈴型”折角處樓板在地震力作用下易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。用軟件（YJK）對(duì)該區(qū)域進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明板厚h=120mm時(shí)，對(duì)于中震不屈服設(shè)計(jì)，樓板最大拉應(yīng)力超過(guò)混凝土標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度，局部加大板厚至h=150mm時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)中震不屈服設(shè)計(jì)下樓板的最大拉應(yīng)力小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值?？偟膩?lái)說(shuō)，對(duì)局部應(yīng)力集中的區(qū)域適當(dāng)加大板厚和配筋可以滿(mǎn)足小震和中震下，樓板傳力的連續(xù)性。

本工程計(jì)算所得的前三個(gè)自振周期位于反應(yīng)譜的平直段，高階陣型周期較小，周期折減系數(shù)可能會(huì)對(duì)高階陣型的地震力計(jì)算偏小而造成不安全的現(xiàn)象。因此建議周期折減系數(shù)取1。

本工程細(xì)腰處樓梯（圖2）較為薄弱，且為疏散樓梯，為保證地震發(fā)生后人員能夠正常通過(guò)疏散樓梯逃生，加強(qiáng)此處樓梯的抗震措施。樓梯構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)整澆，應(yīng)計(jì)入樓梯構(gòu)件對(duì)地震作用及其效應(yīng)的影響。細(xì)腰處樓梯較為薄弱，在地震作用下容易較先破壞，對(duì)原結(jié)構(gòu)以樓梯為界線(xiàn)進(jìn)行拆分計(jì)算。結(jié)構(gòu)分析與構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)需考慮上述三個(gè)模型計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)。

參考文獻(xiàn)

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