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        高層結(jié)構(gòu)嵌固端的選擇與抗震性能分析

        2010-04-14 03:55:14常麗華
        山西建筑 2010年13期
        關(guān)鍵詞:固端筏板剪力墻

        常麗華

        1 概述

        高層建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞機(jī)理十分復(fù)雜,建筑物質(zhì)量分布變化,結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算的局限性,邊界條件假定的正確程度對(duì)其振動(dòng)效應(yīng)都有一定影響。因此,關(guān)于高層結(jié)構(gòu)的安全性能等也提出了更多的要求。高層建筑往往帶有地下室,有些甚至帶幾層地下室。從建筑功能來(lái)說(shuō),可利用地下室作為地下停車(chē)庫(kù)、設(shè)備用房等;從結(jié)構(gòu)功能來(lái)說(shuō),設(shè)置了地下室可以增加基礎(chǔ)埋深,對(duì)于增加結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和提高抗傾覆性能是有利的。因此,帶地下室高層結(jié)構(gòu)嵌固端的選取至關(guān)重要。

        GB 50011-2001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2008年版)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“抗規(guī)”)第6.1.14條、JGJ 3-2002高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“高規(guī)”)第 5.3.7條都規(guī)定,當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)嵌固部位時(shí),地下室結(jié)構(gòu)的樓層側(cè)向剛度不應(yīng)小于相鄰上部結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度的2倍。

        結(jié)構(gòu)計(jì)算中,嵌固端的選擇是伴隨著高層建筑的出現(xiàn)而產(chǎn)生的。國(guó)內(nèi)外已有一些研究,并積累和總結(jié)了一定的經(jīng)驗(yàn),尤其是在采用箱形基礎(chǔ)的高層建筑方面。由于箱形基礎(chǔ)的剛度較之地上1層的剛度偏大不少,嵌固端通常選擇在箱形基礎(chǔ)的頂面(一般為±0.000左右的位置),這樣上部結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果較為合理。但對(duì)于采用筏板基礎(chǔ)的高層建筑,嵌固端的選擇卻不盡人意。早期的設(shè)計(jì)計(jì)算中,通常將嵌固端選在筏板頂面,后來(lái)則選在自然地面標(biāo)高位置。上述兩種選取方法都乏善可陳:將嵌固端選在筏板的頂面,即采用地下室和上部結(jié)構(gòu)一次計(jì)算的方法,若不對(duì)計(jì)算程序或參數(shù)進(jìn)行修改,其結(jié)果與實(shí)際情況會(huì)有較大誤差;將嵌固端選在室外地坪,其假定就是采用筏板基礎(chǔ)的地下室剛度無(wú)限大(相對(duì)于地上首層),即假定結(jié)構(gòu)在此位置上水平位移、豎向位移及轉(zhuǎn)角為零,而這與實(shí)際情況也并不相符。

        下面通過(guò)一個(gè)工程算例來(lái)分析帶地下室且為筏板基礎(chǔ)高層建筑嵌固端的選擇。

        2 工程算例

        2.1 基本數(shù)據(jù)

        本工程項(xiàng)目為廣西某地的住宅樓。該單體地面以上32層,設(shè)1層地下室,32層以上為機(jī)房層和水箱層,基礎(chǔ)形式為筏板基礎(chǔ)。建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí);地下室防水等級(jí)為二級(jí);抗震設(shè)防烈度為6度,抗震設(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi),場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi);結(jié)構(gòu)形式為剪力墻結(jié)構(gòu)?;撅L(fēng)壓為0.40 kN/m2。

        地下1層~第4層剪力墻混凝土等級(jí)為C50,梁板混凝土等級(jí)為C40,5層剪力墻混凝土等級(jí)為C45,6層~10層混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40,其他各層剪力墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30,其他各層梁板的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25。

        2.2 計(jì)算方法

        采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院SATWE軟件進(jìn)行分析計(jì)算,分別以地下室頂板和筏板基礎(chǔ)頂面為嵌固端,建立了兩個(gè)模型,見(jiàn)圖1。

        2.3 SATWE計(jì)算結(jié)果

        SATWE計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

        表1 兩模型SATWE計(jì)算結(jié)果比較

        從表1計(jì)算結(jié)果可知,當(dāng)取地下室為計(jì)算模型底層時(shí),計(jì)算高度增加使得風(fēng)載比實(shí)際情況有所加大,而又沒(méi)有考慮地下土體對(duì)地下室的側(cè)面嵌固作用,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的位移增大,結(jié)構(gòu)的自振周期偏長(zhǎng)的計(jì)算結(jié)果,同時(shí)結(jié)構(gòu)構(gòu)件柱和剪力墻的內(nèi)力都有所增大;取建筑1層作為計(jì)算模型底層時(shí),結(jié)構(gòu)的計(jì)算高度為地面以上實(shí)際高度,因而風(fēng)荷載與實(shí)際情況較符合,但由于將地下室近似于剛度無(wú)限大,相當(dāng)于水平位移和豎向位移均被完全嵌固,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剛度有所增加,從而與實(shí)際情況有所差異,其計(jì)算結(jié)果表現(xiàn)為位移偏小,周期偏短的特征,由于地下室結(jié)構(gòu)的位移被忽略,結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力也有所減小,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的安全性有所下降。

        然而,兩種情況計(jì)算結(jié)果對(duì)于本工程算例的計(jì)算結(jié)果影響較小,主要原因是剪力墻結(jié)構(gòu)為彎曲型變形,上部抗側(cè)力構(gòu)件的地震剪力主要通過(guò)地下室墻體直接來(lái)承擔(dān)和傳遞,這時(shí)地下室頂板的分散和傳遞作用較小,即地下室頂板厚度對(duì)于地下室頂板嵌固沒(méi)有顯著的影響。

        3 地下室抗震設(shè)計(jì)

        常規(guī)房屋結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算一般采用剛性地基模型,將地面振動(dòng)激勵(lì)作為結(jié)構(gòu)底部嵌固支座的擾動(dòng),這種模型對(duì)于沒(méi)有地下室的多層結(jié)構(gòu)而言是比較合適的。高層建筑往往帶有地下室,由于地基和結(jié)構(gòu)的相互作用,結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)與剛性地基模型的假定有所不同。由地下室質(zhì)量引起的地震作用主要被室外的回填土吸收,只有一小部分由地下室本身的構(gòu)件承擔(dān)。

        根據(jù)“抗規(guī)”第6.1.3條,當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)的嵌固部位時(shí),地下1層的抗震等級(jí)應(yīng)與上部結(jié)構(gòu)相同,地下1層以下的抗震等級(jí)可根據(jù)具體情況采用三級(jí)或更低等級(jí),地下室中無(wú)上部結(jié)構(gòu)的部分,可根據(jù)具體情況采用三級(jí)或更低等級(jí)。

        4 結(jié)論和建議

        本文通過(guò)對(duì)有無(wú)地下室結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行分析研究,確定了帶地下室情況高層結(jié)構(gòu)的嵌固端選取的合理位置??梢缘玫揭韵陆Y(jié)論和建議:

        1)當(dāng)高層建筑僅設(shè)單層地下室且底板采用筏板基礎(chǔ)時(shí),通常選擇基礎(chǔ)底板而非首層作為結(jié)構(gòu)嵌固端,這有利于充分利用其基礎(chǔ)的“無(wú)限”剛度,為首層樓面的靈活結(jié)構(gòu)選型創(chuàng)造條件,即使是首層樓面留有大孔洞,或選用無(wú)梁樓蓋結(jié)構(gòu),都不影響結(jié)構(gòu)計(jì)算的準(zhǔn)確性。

        2)“抗規(guī)”6.1.14規(guī)定:地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位時(shí)應(yīng)避免在地下室頂板開(kāi)設(shè)大洞口,并應(yīng)采用現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu),其樓板厚度不宜小于180 mm,混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜小于C30。鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)上部抗側(cè)力構(gòu)件的地震剪力主要通過(guò)地下室墻體直接來(lái)承擔(dān)和傳遞,地下室頂板的分散和傳遞作用較小,頂板的厚度主要由其所承受的豎向荷載控制,建議可適當(dāng)放寬限制,根據(jù)工程實(shí)際情況選取地下室頂板厚度。

        3)本文未涉及對(duì)于帶多層地下室的高層建筑,擬在今后做進(jìn)一步研究分析。

        [1] GB 50011-2001,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2008年版)[S].

        [2] JGJ 3-2002,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

        [3] 董文旭.高層建筑嵌固端的確定探討[J].建筑設(shè)計(jì),2005(3):16-17.

        [4] 李云貴.上部結(jié)構(gòu)與地下室共同工作分析及地下室設(shè)計(jì)在SATWE中的實(shí)現(xiàn)[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2005(2):23-24.

        [5] 蔡曉宏.地下室設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題[J].工程建設(shè)與檔案,2004(4):116-117.

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