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、對稱,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]。隨著國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力以及科學(xué)技術(shù)水平的提升,人們對于建筑的要求已經(jīng)不再局限于滿足使用功能,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。它們的出現(xiàn)既給城市建筑帶來了嶄新的面貌,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)滿鋪地下車庫,地下車庫局部為二層(見圖1)。
幼兒園為地上三層建筑,呈折線型,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)的安全等級為二級,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年。工程抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(乙類),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,場地類別為Ⅳ類,特征周期值為0.9s。地面粗糙度類別為B類,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)防分類標(biāo)準(zhǔn)》屬于重點(diǎn)設(shè)防類,簡稱乙類建筑[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C35標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度等級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),對于中震不屈服設(shè)計(jì),樓板最大拉應(yīng)力無法滿足(拉應(yīng)力超過混凝土標(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?。惶畛鋲偠仍叫?,周期折減系數(shù)越大。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),對周期若不折減,則結(jié)構(gòu)偏于不安全[3]。
《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010,以下簡稱抗規(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=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為一級,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)線部位斷成兩個(gè)單體。從抗連續(xù)倒塌的角度來看,為保證薄弱部位破壞后,整體結(jié)構(gòu)不倒塌,對原結(jié)構(gòu)以樓梯為界線進(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
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)對該區(qū)域進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明板厚h=120mm時(shí),對于中震不屈服設(shè)計(jì),樓板最大拉應(yīng)力超過混凝土標(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。總的來說,對局部應(yīng)力集中的區(qū)域適當(dāng)加大板厚和配筋可以滿足小震和中震下,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,對原結(jié)構(gòu)以樓梯為界線進(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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