躍層剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能分析

蘭旭博

Seismic Performance Analysis of Spring Layer Shear Wall Structure

LAN Xu-bo

摘要：我國(guó)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，對(duì)于能夠采取相應(yīng)措施保證平面內(nèi)整體剛性的建筑結(jié)構(gòu)，可以采用剛性樓板假定計(jì)算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移，且計(jì)算精度能滿足設(shè)計(jì)要求。但躍層結(jié)構(gòu)中，由于其樓面缺乏整體性，使結(jié)構(gòu)受力更復(fù)雜。本文根據(jù)躍層中開(kāi)洞層樓板的特點(diǎn)，定義不同的結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)有限元計(jì)算不同的模型，對(duì)比分析各模型在地震下的響應(yīng)，以保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的合理性。結(jié)果表明，奇數(shù)層樓板開(kāi)洞面積較大，在地震作用下下，按彈性樓板假定與按剛性樓板假定對(duì)結(jié)構(gòu)的整體性能指標(biāo)產(chǎn)生了一定的影響。

Abstract： Relevant design codes in China stipulate that the rigid floor assumption can be used to calculate the internal force and displacement of the structure， and the calculation accuracy can meet the design requirements. However， because of the lack of integrity of the floor， the stress of the structure is more complex. In this paper， different structural models are defined according to the characteristics of floor slabs with openings in jump storeys. Different models are calculated by finite element method， and the responses of each model under earthquake are compared and analyzed to ensure the rationality of structural design. The results show that the opening area of odd floor is large. Under earthquake action， the assumption of elastic floor and rigid floor has certain influence on the overall performance index of the structure.

關(guān)鍵詞：隔層開(kāi)洞;彈性樓板假定;抗震性能

Key words： barrier opening;elastic floor assumption;seismic performance

中圖分類(lèi)號(hào)：TU352.11? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）32-0160-03

0? 引言

隨著建筑學(xué)的進(jìn)步和人們的需求以及社會(huì)各方面的原因，越來(lái)越多的建筑規(guī)范中要求不具體的不規(guī)則高層建筑應(yīng)運(yùn)而生，所以建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論知識(shí)也應(yīng)不斷探索，趙西安是較早研究樓板在高層結(jié)構(gòu)中的作用以及影響的專(zhuān)家之一，其后越來(lái)越多的研究學(xué)者開(kāi)始研究平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)。建筑結(jié)構(gòu)形式的不規(guī)則主要包括平面不規(guī)則以及豎向不規(guī)則。本論文主要研究躍層中奇數(shù)層平面不規(guī)則的方面。主要的研究?jī)?nèi)容如下：

①根據(jù)奇數(shù)層樓板的特點(diǎn)，定義不同的結(jié)構(gòu)模型，用PKPM-SATWE分別計(jì)算不同的模型，對(duì)比分析各模型在地震下的響應(yīng)，以保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的合理性。

②找出應(yīng)力復(fù)雜的奇數(shù)板樓層，分析樓板的受力情況和不同的樓板假定下對(duì)其受力的影響。

③用MIDAS Building對(duì)不同模型進(jìn)行靜力彈塑性分析，研究各模型在罕遇地震下的差異及安全性，以此指導(dǎo)躍層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，模型的選取和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。

1? 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

本文研究的鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)為南京市的板橋鎮(zhèn)商業(yè)住宅樓，如圖1。地上27層，一層為商業(yè)，二到二十七層為商業(yè)住宅。建筑總高度76.9m，標(biāo)準(zhǔn)層層高2.9m。本文只研究地上部分，只建立地上27層模型。工程概況如下結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí);工程設(shè)計(jì)使用年限50年;7度抗震設(shè)防烈度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.1g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，II類(lèi)建筑場(chǎng)地，建筑場(chǎng)地的設(shè)計(jì)特征周期0.35s;剪力墻抗震等級(jí)：二級(jí)，一層到三層為底部加強(qiáng)層。建筑抗震設(shè)防類(lèi)別：標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(lèi)，簡(jiǎn)稱(chēng)丙類(lèi)?；炷两Y(jié)構(gòu)構(gòu)件的裂縫控制等級(jí)：三級(jí)。

1.2 結(jié)構(gòu)模型

由于結(jié)構(gòu)中間設(shè)有抗震縫并且工程兩邊結(jié)構(gòu)相似，所以取右邊結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象。奇數(shù)標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面圖如圖 2所示。

1.3 模型設(shè)計(jì)過(guò)程

模型A，模型B，模型C的初步設(shè)計(jì)中相同的設(shè)計(jì)參數(shù)：混凝土容重26kN/m2;墻元細(xì)分最大控制長(zhǎng)度為1m;彈性板細(xì)分最大控制長(zhǎng)度1m;采用模擬施工加載3的恒活荷載計(jì)算信息;風(fēng)荷載作用結(jié)構(gòu)的阻尼比5%考慮了順風(fēng)向風(fēng)振影響;結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1級(jí)。

三種模型不同的假設(shè)：

模型A在SATWE分析階段奇數(shù)層樓板選擇了平面內(nèi)剛性的剛性板。

模型B在SATWE分析階段奇數(shù)層樓板選擇了平面內(nèi)真實(shí)的彈性膜。

模型C在結(jié)構(gòu)建模階段奇數(shù)層無(wú)樓板。

主要結(jié)構(gòu)材料見(jiàn)表1。

2? STAWE有限元計(jì)算分析

2.1 周期計(jì)算結(jié)果

①由表2可知模型A與模型B周期相差很小，可見(jiàn)躍層結(jié)構(gòu)中，同一剪力墻結(jié)構(gòu)模型，開(kāi)大洞樓層在剛性樓板假定與彈性樓板假定下對(duì)結(jié)構(gòu)周期的影響有限。

②由模型A與模型B知，在彈性樓板假定下的周期都要稍微大于剛性樓板假定下的周期。

③由模型C與模型A或者B對(duì)比下可以知道，如果不考慮開(kāi)大洞的奇數(shù)層樓板，結(jié)構(gòu)周期會(huì)增大，并且不容忽略，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不能忽略存在奇數(shù)層開(kāi)大洞的樓板。

2.2 層間位移角分析

由表3可知三種模型的最大層間位移角均能滿足規(guī)范的1/1000。模型A的最大層間位移角出現(xiàn)在16層，最大層間位移角是1/1384。模型B的最大層間位移角出現(xiàn)在15層，最大層間位移較是1/1375，而模型C的最大層間位移角出現(xiàn)在14和15層定義的廣義層中，最大層間位移較是1/1161。

剛性樓板假定下的模型A每一層的最大層間位移角都要略小于彈性樓板假定下的模型B的最大層間位移角，可見(jiàn)在抗震下彈性階段計(jì)算時(shí)，躍層結(jié)構(gòu)中不宜按全剛性樓板對(duì)結(jié)構(gòu)建模。但是由模型C得到，不考慮奇數(shù)層的樓板時(shí)，結(jié)構(gòu)的在地震下的剛性減小很明顯，較模型A與模型C計(jì)算結(jié)果差距較大，躍層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中宜避免此設(shè)計(jì)模型。

3? 各層樓板的詳細(xì)分析及加強(qiáng)措施

地震中樓板在將水平作用給傳遞豎向構(gòu)件及協(xié)調(diào)其變形中起著重要的作用，所以對(duì)樓板的詳細(xì)分析很有必要。

在中震作用下，結(jié)構(gòu)在X向地震下最大層間位移角發(fā)生在11層，最大數(shù)值為0.00083。結(jié)構(gòu)在Y向地震下最大層間位移角發(fā)生在15層，最大數(shù)值為0.00094。因此本文選取第11層研究X向中震作用下的響應(yīng)。選取第15層研究Y向中震作用下的響應(yīng)。

地震通過(guò)計(jì)算得出中震作用下奇數(shù)層樓板面的拉壓應(yīng)力，裂縫寬度和撓度。結(jié)果表明，剛性樓板假定下的第15層樓板（14F）在X向地震工況下樓板應(yīng)力最大達(dá)到了2.9MPa，大概有2%的部分達(dá)到了混凝土拉應(yīng)力1.57MPa的設(shè)計(jì)值。彈性樓板假定下的這一層最大樓板應(yīng)力達(dá)到了2.3MPa，大概有1%的部分達(dá)到了混凝土拉應(yīng)力1.57MPa的設(shè)計(jì)值。樓板在中震下混凝土開(kāi)裂，應(yīng)該在局部加大樓板厚度而且適當(dāng)提高配筋率。

各模型在Y向地震工況下的應(yīng)力分布顯示出一致性。剛性樓板假定下的第15層（14F）的在Y向地震工況下樓板應(yīng)力最大達(dá)到了2.3MPa，彈性樓板假定下的這一層樓板應(yīng)力也最大達(dá)到了2.3MPa，大概有0.5%的部分達(dá)到了混凝土拉應(yīng)力1.57MPa的設(shè)計(jì)值。

4? 靜力彈塑性分析

為了對(duì)結(jié)構(gòu)在大震下的抗震性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，本工程采取Midas building軟件進(jìn)行大震作用下的彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析。

由靜力彈塑性分析結(jié)果看出，結(jié)構(gòu)在大震作用下，小部分墻鉸發(fā)生屈服，但是可以滿足大震不倒的抗震目標(biāo)。而且在彈性樓板假設(shè)下塑性鉸面積大于剛性假設(shè)下。所以考慮到安全性，工程設(shè)計(jì)中對(duì)于躍層結(jié)構(gòu)，工程師要考慮開(kāi)洞樓層的變形并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性分析，找到屈服點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性的加固。

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作者簡(jiǎn)介：蘭旭博（1993-），男，河北石家莊人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。