樓板大開洞及穿層柱對結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計影響

張 云

(華東都市建筑設(shè)計研究院總院，上海 200070)

樓板大開洞及穿層柱對結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計影響

張 云

(華東都市建筑設(shè)計研究院總院，上海 200070)

建筑單體存在塔樓與裙房未設(shè)縫脫開，抗側(cè)力構(gòu)件收進(jìn)寬度超限，樓板大開洞，穿層柱的抗震超限情況；通過樓板應(yīng)力分析來查看樓板大開洞對結(jié)構(gòu)影響；通過對穿層斜柱截面有限元分析對其進(jìn)行抗震性能設(shè)計；通過Push-over靜力彈塑性分析得出結(jié)構(gòu)在大震下塑性鉸發(fā)展順序。

穿層斜柱,有限元分析,抗震性能設(shè)計,塑性鉸

1 概述

近年來我國連續(xù)遭遇了幾次嚴(yán)重的地震災(zāi)害，且地震的實際烈度均高出抗震設(shè)防烈度3度～4度(5·12汶川地震的地震動強(qiáng)度超出預(yù)計的10倍)，在此強(qiáng)度下，絕大多數(shù)建筑物均受到中等至嚴(yán)重破壞[1]，其中就包括防震縫處的破壞以及樓板大開洞處的破壞，筆者有幸在實際工程中遇到了此類結(jié)構(gòu)類型，特此總結(jié)成文，供各位同行品鑒。

2 工程背景

本工程坐落于杭州西湖區(qū)，距離西溪濕地國家公園約6 km，與西湖最近距離約4 km，東側(cè)毗鄰浙大紫金港西校區(qū)。地塊狹長，規(guī)模中等，北側(cè)面向干道，西側(cè)為規(guī)劃路，東側(cè)及南側(cè)為俞家河環(huán)繞，總用地約3.3萬m2。地塊周邊自然景觀優(yōu)美，文化氣息匯聚，交通便捷，地勢較為平坦。

總部辦公(1號樓)為高層，共13層，建筑總高度53.330 m，結(jié)構(gòu)體系為框架—剪力墻，分設(shè)裙房及主樓上下兩區(qū)，裙房與主樓之間未設(shè)縫脫開，造成整個單體在裙房屋面處Y向平面尺寸縮進(jìn)約為43%。裙房部分為1層～3層，1層南側(cè)根據(jù)建筑設(shè)計要求設(shè)置總部大樓兩層通高的入口大堂；同時，在入口大堂右側(cè)相鄰范圍內(nèi)設(shè)置450 m2互動演播廳，同樣采取兩層通高設(shè)計，造成2層樓板缺失約為40%。裙房3層為普通辦公樓層，裙房頂層設(shè)有屋頂花園，張顯綠色建筑特色。主樓部分6層～13層，為華策影視的辦公場所。整個單體平面四周采用框架體系滿足建筑功能需求，中部樓梯間、電梯間四周布置剪力墻，形成抗震兩道防線，這樣的抗側(cè)力構(gòu)件布置既合理利用了空間，又兼顧了單體的抗震設(shè)防需求，較為合理、高效。層高方面，除首層、2層層高設(shè)計為4.79 m外，其余樓層均為3.9 m層高，滿足辦公的空間需求。

如圖1所示，本單體主要的結(jié)構(gòu)不規(guī)則在于以下三點:1)裙房與主樓未設(shè)縫脫開，造成整體外挑寬度超限；2)局部樓層大開洞且開洞面積大于30%；3)單體西面有三根1層～2層穿層斜柱。

3 計算分析

3.1 樓板有限元分析

由于結(jié)構(gòu)2層樓板開大洞，且裙房頂層立面收進(jìn)超限，樓板連接比較薄弱，采用由中國建筑科學(xué)研究院編制的PMSAP軟件對開大洞的2層樓面、裙房屋面樓板補(bǔ)充進(jìn)行中震彈性有限元分析。

中震作用下2層樓板有限元分析,見圖2，圖3。

中震作用下裙房屋面層樓板有限元分析見圖4，圖5。

從地震工況下板殼單元模型的計算結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

在中震地震工況下，樓板處于較低的應(yīng)力水平，滿足中震彈性的較高設(shè)防要求。

在中震地震工況下，單體內(nèi)樓板應(yīng)力水平連續(xù)，說明水平作用得到有效傳遞。

在平面陰角部，洞口板角部、連接板根部位置應(yīng)力較為集中，應(yīng)加強(qiáng)配筋并布置角部鋼筋加強(qiáng)。

采用中震結(jié)構(gòu)彈性的假定雖與實際情況有一定出入，但考慮以下幾點，這種假定還是可行的：

中震時結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性，導(dǎo)致其自振周期加長，相應(yīng)地震反應(yīng)減弱，樓板的實際受力應(yīng)低于計算應(yīng)力；

彈性假定還是可以近似反應(yīng)樓板的應(yīng)力分布情況的，也能夠據(jù)此找到其應(yīng)力集中的薄弱部位；

考慮樓板內(nèi)鋼筋的協(xié)同作用會提高其實際承載能力。

從上面的分析結(jié)果能看出，雖然結(jié)構(gòu)平面存在平面大開洞超限及立面收進(jìn)超限的情況，但上述樓板在設(shè)防地震作用下應(yīng)力均未超過混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計值(C30,fy=1.43 MPa)，因此結(jié)構(gòu)方案還是可以保證地震作用下結(jié)構(gòu)的整體性，樓板可以確保水平面內(nèi)、外剛度，并給予豎向構(gòu)件合理約束，滿足抗震規(guī)范[3]第3.5.3條規(guī)定：結(jié)構(gòu)體系“宜具有合理的剛度和承載力分布，避免因局部削弱或突變形成薄弱部位產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中或塑性變形集中”[2]。

3.2 中震下穿層斜柱截面有限元分析

進(jìn)一步論證，利用XTRACT分析得到傳層斜柱的N—M曲線，讀取SATWE計算的構(gòu)件內(nèi)力，進(jìn)行內(nèi)力組合，得到所有可能工況的內(nèi)力組合，將穿層斜柱的N—M曲線和所有內(nèi)力組合繪制于同一張圖表中，表達(dá)實際承載力與各工況內(nèi)力之間的包絡(luò)關(guān)系，材料選用：混凝土等級為C50，鋼筋等級HRB400，截面為φ900的圓柱，內(nèi)配1425 。

XTRACT是美國Imbsen公司和美國加州理工大學(xué)Berkley分校的Charles Chadwell博士合作出品的一款通用截面分析軟件，可以對任意形狀和任意材料的截面進(jìn)行截面分析，包括：M曲線分析、N—M曲線分析、M—M曲線分析。

混凝土材料模型：

混凝土抗壓強(qiáng)度和極限壓應(yīng)變根據(jù)GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[4]確定。

鋼筋材料模型：

鋼筋采用理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系。鋼材的強(qiáng)度設(shè)計值根據(jù)中國GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[4]確定。

圖6給出了穿層斜柱在中震下出現(xiàn)的N—M曲線及其各工況組合內(nèi)力。從圖6中可以看出，穿層斜柱的N—M曲線都能包絡(luò)各工況組合內(nèi)力。

4 抗震性能設(shè)計

本工程超限單體的抗震性能目標(biāo)定為“D”級，基本遵循規(guī)范三水準(zhǔn)兩階段的抗震設(shè)防思想，進(jìn)行第一階段的抗震設(shè)計，來滿足“小震不壞，中震可修”，通過概念設(shè)計及抗震措施來滿足第三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)，即“大震不倒”，具體設(shè)防目標(biāo)詳見表1。

表1 抗震性能目標(biāo)

大震抗震性能概念分析計算原則：在SATWE 中，地震影響系數(shù)最大值αmax=0.28;內(nèi)力調(diào)整系數(shù)1.0(強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎)；荷載作用分項系數(shù)、材料分項系數(shù)均取1.0；構(gòu)件承載力抗震調(diào)整系數(shù)1.0；材料強(qiáng)度采用標(biāo)準(zhǔn)值;不考慮風(fēng)荷載。計算結(jié)果表明，在罕遇地震作用下，所有豎向構(gòu)件均滿足受剪截面控制條件，滿足設(shè)計要求。具體計算結(jié)果見大震不屈服計算圖形文本。

本工程采用PKPM工程部編制的EPDA分析軟件，利用Push-over法計算結(jié)構(gòu)在罕遇地震下由彈性到破壞的過程。側(cè)向荷載采取倒三角法，基底剪力與總重量的比值取為1。Push程序是一個完全三維的有限元空間彈塑性分析程序，程序的單元庫包括梁(柱)元和剪力墻元兩種非線性單元。彈塑性梁(柱)單元采用標(biāo)準(zhǔn)的有限元方法構(gòu)造，單元切線剛度直接基于混凝土材料微元和鋼筋材料微元的本構(gòu)關(guān)系，也即纖維素模型。彈塑性墻元面內(nèi)剛度的力學(xué)模型采用平面應(yīng)力膜，并可以考慮開洞，與梁柱元一樣，它的單元切線剛度也直接基于混凝土材料微元和鋼筋材料微元的本構(gòu)關(guān)系。

混凝土材料的受壓本構(gòu)關(guān)系采用SAENZ曲線模擬，并考慮了其中的下降段，忽略混凝土的抗拉能力。鋼筋的本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型，見圖7。

Push-over分析中塑性鉸的分布情況及出鉸順序如下，以Y向Push-over結(jié)果為例：

第13步塑性鉸分布圖(荷載因子1.038 3)頂層剪力墻的連梁出現(xiàn)了塑性鉸；

第18步塑性鉸分布圖(荷載因子1.070 9)底層剪力墻出現(xiàn)塑性鉸并逐步向上發(fā)展；

第23步塑性鉸分布圖(荷載因子1.087 6)(性能點)，各層連梁均出現(xiàn)塑性鉸，底層剪力墻絕大部分屈服，底層局部墻體出現(xiàn)破壞，框架柱未見屈服。

從出鉸位置及順序中可以看出，剪力墻作出了較大的耗能貢獻(xiàn)，關(guān)鍵構(gòu)件的抗震承載力滿足正截面要求，較多的豎向構(gòu)件進(jìn)入屈服階段，但同一樓層豎向構(gòu)件沒有全部屈服，部分耗能構(gòu)件發(fā)生比較嚴(yán)重的破壞，滿足規(guī)范關(guān)于罕遇地震下第5性能水準(zhǔn)的要求。

5 結(jié)語

通過筆者的計算分析以及工程完成后的監(jiān)測表明，雖然本工程裙房與主樓未設(shè)縫脫開，裙房局部樓層也存在大開洞超限情況，但只要在施工圖階段對于裙房屋面樓板及平面大開洞四周樓板厚度適當(dāng)加厚，并雙層雙向配筋,適當(dāng)提高配筋率，對洞口邊緣均設(shè)置邊梁并作加強(qiáng)配筋處理，同時對這兩部分的樓板進(jìn)行彈性有限元應(yīng)力分析計算,控制設(shè)防地震作用下的主拉應(yīng)力不大于混凝土抗拉強(qiáng)度，可以使結(jié)構(gòu)有足夠的抗震性能。

[1] 王亞勇.汶川地震建筑震害啟示——抗震概念設(shè)計[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2008(4):20-25.

[2] 王亞勇.汶川地震建筑震害啟示——三水準(zhǔn)設(shè)防和抗震設(shè)計基本要求[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2008(4):26-27.

[3] GB 50011—2010,建筑抗震設(shè)計規(guī)范(2016年版)[S].

[4] GB 50010—2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(2015年版)[S].

Theinfluenceoflargeopeningandthroughlayercolumnonseismicdesignofstructures

ZhangYun

(EastChinaUrbanArchitecturalDesignResearch&Institute(Co.,Ltd),Shanghai200070,China)

There are building towers and podium without joint, lateral components in width gauge, floor openings, overrun wear layer column， aseismic overlimit. Through the analysis of the floor stress, the influence of the large opening of the floor to the structure. Through finite element analysis of cross section oblique column section, the seismic performance of the column is designed, the order of the development sequence of plastic hinge under large earthquake is obtained by Push-over static elastoplastic analysis.

pass through floor oblique column, finite element analysis, seismic performance design, plastic hinge

2017-10-23

張 云(1984- )，男，工程師

1009-6825(2017)35-0026-03

TU352.1

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