局部帶夾層的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

趙 琳

(中國(guó)中輕國(guó)際工程有限公司,北京 100026)

0 引 言

目前，工業(yè)建筑發(fā)展迅速，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的工業(yè)廠房應(yīng)用逐漸增多.一方面，工業(yè)建筑的車(chē)間有時(shí)為了滿足工藝布置設(shè)備的要求，層高較高.另外一方面，為了滿足建筑使用功能和空間布局的要求，會(huì)在局部區(qū)域設(shè)置輔助用房，這就使得結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)樓面夾層.由于其帶有夾層，并非是標(biāo)準(zhǔn)框架結(jié)構(gòu)，夾層的建模方法就會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生不同的影響.

賀方倩[1]等用PKPM計(jì)算軟件對(duì)帶夾層的多層混凝土廠房的建模方法進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)不同的建模方法在梁柱的配筋結(jié)果上并沒(méi)有太大的不同，只是在指標(biāo)參數(shù)上有一定的區(qū)別.該模型選用工程位于6度設(shè)防區(qū)，往往地震工況不會(huì)起到控制作用.吳敏莉[2]等用YJK 軟件對(duì)高烈度抗震設(shè)防地區(qū)帶夾層的單層混凝土框架廠房的建模方法進(jìn)行了研究，表明采用層間梁建模方法得到的計(jì)算指標(biāo)更為合理，采用分層建模計(jì)算出的結(jié)構(gòu)總質(zhì)量少，梁柱鋼筋用量也最少.該模型夾層區(qū)域較小，采用層間梁建模方法導(dǎo)荷一般比較容易.但實(shí)際工業(yè)車(chē)間往往會(huì)存在夾層區(qū)域較大和位于高度設(shè)防區(qū)的情況，本文將采用PKPM計(jì)算軟件，并結(jié)合實(shí)際工程對(duì)局部帶夾層的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析.

1 工程概況

該工業(yè)車(chē)間為兩層框架結(jié)構(gòu)，在樓面上有大面積的設(shè)備.本文為研究帶夾層框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，選取帶夾層的第一層部分進(jìn)行建模分析.其中，車(chē)間第一層全長(zhǎng)52.2m，寬53.9m，層高7.5m，在局部3.75m高處設(shè)有夾層.3.75m夾層處考慮活荷載3.5kN/m2，板厚120mm，7.5m處樓面應(yīng)工藝要求考慮活荷載10kN/m2，板厚150mm.結(jié)構(gòu)層平面圖如圖1和圖2所示.其中，框架柱截面800×800，框架梁截面400×700，次梁主要截面300×600，樓面設(shè)置設(shè)備的位置樓板開(kāi)洞.

此工業(yè)車(chē)間抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.20g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組；場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地，基本地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期值0.40s.設(shè)計(jì)基本風(fēng)壓：0.45kN/m2(50年一遇)，設(shè)計(jì)基本雪壓：0.4kN/m2(50年一遇)，地面粗糙度為B類(lèi).建筑物設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑抗震設(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi)，抗震等級(jí)為二級(jí).

圖1 7.5m平面布置圖

圖2 3.75m夾層平面布置圖

2 結(jié)構(gòu)建模

該車(chē)間采用PKPM軟件進(jìn)行建模設(shè)計(jì)，首先將夾層作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層來(lái)單獨(dú)建模，把所有荷載輸入到標(biāo)準(zhǔn)層上.由于夾層和柱子是剛接的，當(dāng)作一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層來(lái)輸入也比較符合實(shí)際情況.此時(shí)，沒(méi)有夾層的柱子設(shè)置為躍層柱，即夾層位置不設(shè)置節(jié)點(diǎn)，通過(guò)調(diào)整上一層柱子的下節(jié)點(diǎn)高，使其直接落到下一層去，這樣柱子的計(jì)算長(zhǎng)度也比較準(zhǔn)確.此模型定義為模型一，見(jiàn)圖3.此種建模方法計(jì)算出的夾層處梁柱配筋比較直觀.

(a)第一標(biāo)準(zhǔn)層

(b)第二標(biāo)準(zhǔn)層

由于夾層面積較大，且存在樓梯、電梯等，若直接采用層間梁方法建模，荷載輸入較為繁瑣.為了實(shí)現(xiàn)組合建模，先把模型一的第二標(biāo)準(zhǔn)層柱子長(zhǎng)度恢復(fù)默認(rèn)值，再用層間編輯功能將第一標(biāo)準(zhǔn)層的構(gòu)件和荷載復(fù)制到第二標(biāo)準(zhǔn)層中，組合成新的標(biāo)準(zhǔn)層.新標(biāo)準(zhǔn)層和采用布置層間梁的方法建模結(jié)果相同，將此模型定義為模型二，見(jiàn)圖4.此種建模方法結(jié)構(gòu)中梁柱配筋不夠直觀，但樓層質(zhì)量沿高度均勻分布，指標(biāo)更符合實(shí)際.

圖4 模型二示意圖

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 指標(biāo)參數(shù)

3.1.1 周期及振型

周期比是評(píng)定結(jié)構(gòu)平面布置規(guī)則性的一個(gè)重要指標(biāo).《高規(guī)》中3.4.5條文[3]規(guī)定，結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)減少扭轉(zhuǎn)的影響.結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動(dòng)為主的第一自振周期T1之比不應(yīng)大于0.9.條文5.1.13規(guī)定，計(jì)算振型數(shù)應(yīng)使各振型參與質(zhì)量之和不小于總質(zhì)量的90%.兩種建模方法計(jì)算得到的周期及振型參數(shù)見(jiàn)表1.由表可得，兩種建模方法的周期相差不大，周期比均滿足規(guī)范要求；參與振型相差不大，均滿足規(guī)范要求.

表1 周期及振型對(duì)比

3.1.2 位移角及位移比

最大層間位移角是衡量結(jié)構(gòu)抗震變形驗(yàn)算的一個(gè)重要指標(biāo)，《抗規(guī)》5.5.1條文[4]規(guī)定，結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下，樓層層間最大水平位移與層高之比Δu/h不宜大于1/550.條文3.4.3對(duì)于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的定義為，在規(guī)定的水平力作用下，樓層的最大彈性水平位移，大于該樓層兩端彈性水平位移平均值的1.2倍.兩種建模方法計(jì)算得到的位移角和位移比參數(shù)見(jiàn)表2.由表可得，兩種建模方法計(jì)算得到的層間位移比相差很小，且都滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)不屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則.兩種建模方法計(jì)算得到的層間位移角均滿足規(guī)范要求，采用模型二得到的X向和Y向的層間位移角均大于模型一計(jì)算結(jié)果.因此，模型二即組合建模計(jì)算得到的層間位移角參數(shù)更合理.

表2 位移角及位移比對(duì)比

3.1.3 質(zhì)量比

結(jié)構(gòu)總質(zhì)量包括恒載、活載產(chǎn)生的質(zhì)量和附加質(zhì)量以及自定義工況荷載產(chǎn)生的質(zhì)量.模型一和模型二的結(jié)構(gòu)自重和外加荷載均相同，因此總質(zhì)量并沒(méi)有明顯的差別.質(zhì)量比是衡量結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性的一個(gè)重要指標(biāo).《高規(guī)》3.5.6條文[3]規(guī)定，樓層質(zhì)量沿高度宜均勻分布，樓層質(zhì)量不宜大于相鄰下部樓層質(zhì)量的1.5倍.模型一計(jì)算得到的質(zhì)量比為10.47，超過(guò)規(guī)范限值.這是由于夾層的質(zhì)量遠(yuǎn)小于上部樓層的質(zhì)量，分開(kāi)建模方法的夾層處質(zhì)量沿高度分布不均勻.

3.1.4 受剪承載力

樓層受剪承載力是判斷樓層承載力有無(wú)突變和結(jié)構(gòu)薄弱層的一個(gè)重要指標(biāo).《高規(guī)》3.5.3條文[3]規(guī)定，A級(jí)高度建筑的樓層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間受剪承載力不宜小于其相鄰上一層受剪承載力的80%.兩種建模方法的受剪承載力比值見(jiàn)表3.由表可得，模型一由于夾層為單獨(dú)的標(biāo)準(zhǔn)層，抗剪承載力在夾層處發(fā)生突變，樓層抗剪承載力不滿足規(guī)范要求，屬于豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu).模型二為組合結(jié)構(gòu)，并無(wú)樓層承載力突變的情況，滿足規(guī)范要求.

表3 受剪承載力及承載力比值

3.2 梁柱配筋

3.2.1 梁配筋

兩種建模方法得到的框架梁的配筋結(jié)果如圖5和圖6所示，取一跨表示.由圖可得，在7.5m樓層處，模型一和模型二的框架梁配筋結(jié)果完全相同.而在3.75m夾層處，模型二計(jì)算配筋比模型一大.這是由于模型二為組合模型，夾層處的框架梁在框架結(jié)構(gòu)中吸收的地震力較大，從而框架梁配筋增加.模型一中，夾層為一獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)層，是薄弱層，夾層處配筋較小.采用分開(kāi)建模和組合建模的方法，只是對(duì)夾層處的框架梁配筋有影響，其余位置的梁配筋相同.

(a)夾層處梁配筋

(b)樓層處梁配筋

圖6 模型二梁配筋

3.2.2 柱配筋

兩種建模方法得到的框架柱的配筋結(jié)果如圖7和圖8所示，取一跨表示.由圖可得，模型一的框架柱在夾層的上下部分軸壓比和配筋均不相同.由于柱子是兩段，夾層處存在荷載，柱子在夾層處配筋均比樓層處配筋大.模型二中，柱子是一根連續(xù)柱，配筋從夾層到樓層沒(méi)有變化.模型二中柱子配筋和模型一中兩段柱子的較大配筋相同，軸壓比與樓層柱子的軸壓比相同.由此可得，把夾層當(dāng)作一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層來(lái)輸入，和柱子剛接的模型，配筋也比較合理，總體上配筋也較少.

(a)夾層處柱配筋

(b)樓層處柱配筋

圖8 模型二柱配筋

3.2.3 躍層柱配筋

模型一得到的躍層柱的配筋結(jié)果如圖9所示，取模型二相同跨的框架柱如圖10所示.由圖可知，兩種建模方法中的躍層柱和同位置框架柱配筋差別較明顯，軸壓比幾乎沒(méi)有差別.模型一中柱縱向配筋比模型二少，最大少了1300mm2.模型一中，通過(guò)修改柱底標(biāo)高，使柱的計(jì)算長(zhǎng)度和模型二中一致，但配筋小了很多.在地震作用下，組合建模時(shí)，框架結(jié)構(gòu)對(duì)地震作用更為敏感，且?jiàn)A層面積越多，吸收的地震力也越多，配筋較分開(kāi)建模時(shí)明顯增加.因此，按照分開(kāi)建模的方法進(jìn)行配筋鋼筋用量最少，較為經(jīng)濟(jì).

圖9 模型一躍層柱配筋

圖10 模型二同跨柱配筋

4 結(jié) 論

本文采用PKPM計(jì)算軟件，對(duì)兩種不同建模方法的帶夾層混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算.通過(guò)對(duì)周期及振型、位移、質(zhì)量比和受剪承載力等指標(biāo)分析和不同位置梁柱的配筋分析，得到了以下結(jié)論.

(1)兩種建模方法的周期相差不大，周期比均滿足規(guī)范要求；參與振型相差不大，均滿足規(guī)范要求.兩種建模方法計(jì)算得到的層間位移比相差很小，且都滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)不屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則.組合建模計(jì)算得到的層間位移角參數(shù)更合理.

(2)由于夾層的質(zhì)量遠(yuǎn)小于上部樓層的質(zhì)量，分開(kāi)建模方法的夾層處質(zhì)量沿高度分布不均勻.當(dāng)夾層建立為單獨(dú)的標(biāo)準(zhǔn)層時(shí)，抗剪承載力在夾層處發(fā)生突變，樓層抗剪承載力不滿足規(guī)范要求.組合建模時(shí)，并無(wú)樓層承載力突變的情況，滿足規(guī)范要求.

(3)采用分開(kāi)建模和組合建模的方法，只是對(duì)夾層處的框架梁配筋有影響，其余位置的梁配筋相同.兩種建模方法的柱子配筋差異較大，分開(kāi)建模的方法進(jìn)行配筋鋼筋用量最少，較為經(jīng)濟(jì).

通過(guò)對(duì)該帶夾層的框架結(jié)構(gòu)工業(yè)車(chē)間的建模研究，采用分層建模的模型計(jì)算的結(jié)果指標(biāo)參數(shù)不滿足規(guī)范要求，但配筋更為合理；采用組合建模的模型計(jì)算的結(jié)果指標(biāo)參數(shù)更合理，但配筋較大.綜上，作者認(rèn)為對(duì)于較為復(fù)雜的帶夾層框架結(jié)構(gòu)，可以分別采用兩種建模方法進(jìn)行分析.