占 文 峰
(中鐵二院重慶勘察設計研究院有限責任公司,重慶 400023)
建筑設計應根據抗震概念設計的要求明確建筑形體的規(guī)則性。不規(guī)則建筑主要分為豎向不規(guī)則和平面不規(guī)則,其中樓板不連續(xù)開大洞為典型的平面不規(guī)則結構體系。樓板作為建筑結構中重要的受力構件和傳力構件,對結構的抗震性能有著重大的影響,合理的樓板布置不僅能保證樓板本身的安全,也能有效的傳遞水平地震力。
在實際工程中,一些大型商業(yè)或公共建筑為了保證建筑及裝修效果,往往采取樓板開大洞的措施,導致平面嚴重不規(guī)則,造成樓板和局部框架梁的應力集中。現(xiàn)選取一個樓板嚴重不規(guī)則的工程實例,對不規(guī)則樓板用有限元的方法進行應力分析,用于評價樓板開大洞后的不利影響。
結構基本情況如表1所示,結構整體視圖如圖1所示。
表1 結構基本情況表
該工程各層均開有較大洞口,各層洞口大小不一致且上下位置錯位,為典型的平面不規(guī)則超限結構。各層平面布置如圖2~圖7所示。
在地震作用下,樓板除了承擔豎向荷載之外,還自始自終的在傳遞和分配水平力,協(xié)調同一樓層中豎向構件的變形。特別是在本工程的第2,3,6層,存在較大樓板開洞,開洞面積和開洞后的有效樓板寬度均超過規(guī)范限值。在此種情況下,樓板是否還能夠保證足夠的傳遞和分配水平力的功能,需要通過彈性樓板的有限元分析進行驗證。
分析軟件選用PKPM系列的PMSAP程序,進行了辦公樓結構1,2,3,4,6,7層的有限元計算。計算時第1,2,3,4,6,7所有樓板設置為彈性板6,為每個節(jié)點具有所有6個自由度的殼單元,計算大震作用下的樓板彈性應力,驗算該部分續(xù)樓板的結構設計。
樓板在地震中作用是傳遞和分配水平力,而不是作為主要抵抗水平力的耗能構件,因此結構設計中的延性耗能機制不應該體現(xiàn)在樓板中。本工程中對各層結構樓板用以進行樓板校核和設計的標準為:在多遇地震作用下,樓板保持彈性,不出現(xiàn)裂縫,主拉應力標準值不超過混凝土抗拉設計值;在設防地震作用下,樓板保持彈性,主拉應力標準值不超過混凝土抗拉標準值;在罕遇地震作用下,樓板不出現(xiàn)重大破壞或不影響整體結構安全。
根據以上標準對結構分別進行小震和中震分析,同時進行大震復核。
樓板在小震作用下,其最大主拉應力為1.07 MPa,遠小于C40混凝土抗拉強度設計值1.71 MPa。
樓板在中震作用下,樓板主拉應力絕大部分小于C40混凝土抗拉強度設計值,只在7層以上局部梁板交接處出現(xiàn)明顯的應力集中,其最大主拉應力為1.98 MPa,大于C40混凝土抗拉強度設計值,但小于混凝土抗拉強度標準值2.51 MPa。
樓板在大震作用下,樓板主拉應力絕大部分小于C40混凝土抗拉強度設計值,只在7層以上局部梁板交接處出現(xiàn)明顯的應力集中,其最大主拉應力為3.072 MPa,大于C40混凝土抗拉強度標準值。
1)大開洞樓板不再符合剛性樓板假設,必須采用彈性樓板模型,進行地震荷載作用下的應力分析。
2)根據以上各層樓面板應力結果,樓板局部開洞后,樓板應力分布非常不均勻,洞口邊緣的應力較大;樓板開洞的第一層樓板應力較大;樓板偏置的情況下,樓板應力較大。結合以上分析情況,一方面要對樓板進行整體構造加強,如增加板厚、鋼筋雙層雙向,另一方面要針對應力特別大的部位局部再加強,如采取增大樓板配筋率,洞口邊緣梁縱向鋼筋需通長設置等措施。
3)樓板絕大部分滿足設計要求,只在大震作用下7層以上梁板應力集中處超出限值,故在施工圖設計時,應考慮該部位樓板在大震作用下可能出現(xiàn)的這種極端情況,考慮洞口連接部位失效后,7層以上按多塔結構進行復核,按包絡法設計以實現(xiàn)大震不倒的設計目標。
[1] GB 50011—2010,建筑抗震設計規(guī)范[S].
[2] JGJ 3—2010,高層建筑混凝土結構技術規(guī)程[S].
[3] 馬彥曉,郭遠翔.樓板不連續(xù)時的抗震設計[J].河北工程大學學報,2010,27(3):18-20.