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        某實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)抗震分析

        2022-09-28 10:34:54焉宇飛
        低溫建筑技術(shù) 2022年8期
        關(guān)鍵詞:抗火彈塑性樓板

        焉宇飛

        (同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司,上海 200092)

        0 引言

        實(shí)驗(yàn)室類建筑不同于常規(guī)民用建筑的特殊之處在于,其功能性非常強(qiáng),有特定的實(shí)驗(yàn)空間和實(shí)驗(yàn)工藝要求,需要進(jìn)行空間合理性劃分以滿足使用方各種需求,因此經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)具有大開洞、大懸挑、穿層柱、梁上立柱等情況,為設(shè)計(jì)帶來困難。文中以上海市某實(shí)驗(yàn)室為背景,研究其不規(guī)則性對結(jié)構(gòu)的影響,并采取一定程度的加強(qiáng)措施,提高抗震性能。

        1 工程概況

        工程位于上海市嘉定區(qū),項(xiàng)目用地面17023.21m2,總建筑面積24900m2。項(xiàng)目建筑地上5層,地下1層,建筑高度23m。項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)功能高度復(fù)合,主要為地上結(jié)構(gòu)抗火實(shí)驗(yàn)室、地下結(jié)構(gòu)抗火實(shí)驗(yàn)室、水利實(shí)驗(yàn)室、爆炸抗火實(shí)驗(yàn)室四大實(shí)驗(yàn)室組成,各單體平面位置見圖1。

        圖1 各單體平面位置

        其中,地上結(jié)構(gòu)抗火實(shí)驗(yàn)室包括單層大跨實(shí)驗(yàn)大廳以及4層實(shí)驗(yàn)輔助用房。此實(shí)驗(yàn)室中可開展火災(zāi)下及火災(zāi)后材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)、材料高溫疲勞與熱機(jī)械疲勞性能實(shí)驗(yàn)、構(gòu)件抗火性能實(shí)驗(yàn)、火災(zāi)下材料熱工性能實(shí)驗(yàn)、建筑材料燃燒性能實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場火災(zāi)實(shí)驗(yàn)、三軸高溫材性實(shí)驗(yàn)、足尺整體結(jié)構(gòu)抗火實(shí)驗(yàn)、構(gòu)件火災(zāi)全過程性能模擬實(shí)驗(yàn)(升溫、自然降溫、噴水滅火)等。

        文中對地上結(jié)構(gòu)抗火實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行抗震分析。地上結(jié)構(gòu)抗火實(shí)驗(yàn)室采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系,抗震設(shè)防類別為丙類(標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類),結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0。框架抗震等級為三級,局部大跨區(qū)域?yàn)槎墶]S網(wǎng)間距6m,地上5層,層高分別為6.5、4.5、4.5、4.5、4m。3個(gè)單體共用1個(gè)1層的整體地下室,B1層高6m。

        2 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析及不規(guī)則項(xiàng)判別

        2.1 模型建立

        采用YJK建立計(jì)算模型進(jìn)行分析見圖2。主要計(jì)算參數(shù)如下:

        (1)考慮平扭偶聯(lián)計(jì)算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng),控制振型參數(shù)使振型參與質(zhì)量不小于總質(zhì)量的90%。

        (2)由于各層樓板開洞較多,故整體指標(biāo)計(jì)算及承載力復(fù)核計(jì)算均不強(qiáng)制采用剛性樓板假定。

        (3)周期折減系數(shù)取0.70。

        (4)風(fēng)荷載體型系數(shù)取1.3。

        (5)水平地震影響系數(shù)最大值取0.08。

        然而,有研究者對心理數(shù)字線存在的合理性提出質(zhì)疑。他們認(rèn)為,數(shù)字大小和距離效應(yīng)僅存在數(shù)字大小比較任務(wù)中,而在數(shù)字奇偶判斷、命名和排序等任務(wù)上并未出現(xiàn)數(shù)字大小效應(yīng),甚至出現(xiàn)數(shù)字距離效應(yīng)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象〔26〕。Verguts(2005)認(rèn)為,數(shù)字大小效應(yīng)可能反映的任務(wù)特異性,任務(wù)屬性決定反應(yīng)輸出。在數(shù)字比較中,較大或較少數(shù)字被賦予不同的重要程度,于是數(shù)字被刻意映射到“心理數(shù)字線”上相應(yīng)的輸出部分。數(shù)字命名或奇偶判斷任務(wù)中,所有數(shù)字的重要性是相同的,故并未出現(xiàn)數(shù)字大小和距離效應(yīng)。當(dāng)然,這些問題都是后續(xù)研究者所要考慮的。

        (6)按GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2016年版)》[1]規(guī)定,地下室頂板應(yīng)避免開設(shè)大洞。工程因建筑設(shè)備原因,在建筑物北側(cè)有較多開洞。這些大開洞對樓板整體性削弱太多,導(dǎo)致嵌固部位下移到基礎(chǔ)底板。但是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)仍考慮地下室頂板處的嵌固作用,1層樓板厚度至少取180mm,并采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施。

        圖2 整體模型

        2.2 荷載取值

        (1)樓面荷載包括恒載和活載。恒載由結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重和附加恒載(建筑面層、吊頂和隔墻等)組成。實(shí)驗(yàn)室不同區(qū)域設(shè)計(jì)樓面荷載見表1,其余未注明荷載均按GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[2]取值。

        表1 樓面荷載取值

        (2)根據(jù)GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[3],工程基本風(fēng)壓取0.55kN/m2,地面粗糙度取B類。

        (3)根據(jù)GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2016年版)》,工程抗震設(shè)防烈度取7度,設(shè)計(jì)基本地震加速度取0.1g。

        2.3 模型計(jì)算結(jié)果

        計(jì)算結(jié)果見表2。從表2中可見,結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動(dòng)為主的第一自振周期之比小于0.90,最大層間位移角小于1/550,滿足JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3]的要求。在偶然偏心地震作用下最大層間位移比1.21,超過GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2016年版)》不大于1.2扭轉(zhuǎn)規(guī)則判定限值,但小于1.5規(guī)范允許最大值。

        表2 模型計(jì)算結(jié)果

        2.4 結(jié)構(gòu)不規(guī)則判別

        依據(jù)GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2016年版)》,進(jìn)行平面及豎向的規(guī)則性判斷[4]。

        (1)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則:結(jié)構(gòu)在具有偶然偏心的規(guī)定水平力作用下,最大扭轉(zhuǎn)位移比為1.21,大于1.2。

        (2)樓板局部不連續(xù):2~5層樓板開洞面積為72.9%,大于50%;有效樓板寬度為典型寬度的26.5%,小于40%。地上結(jié)構(gòu)抗火實(shí)驗(yàn)室各層樓板開洞情況類似,典型樓層樓板開洞見圖3。

        圖3 地上結(jié)構(gòu)抗火試驗(yàn)室典型樓層樓板開洞

        綜上,工程具有“扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)”共兩項(xiàng)一般不規(guī)則項(xiàng),具有“有效樓板板寬度偏窄”一項(xiàng)特別不規(guī)則項(xiàng),屬于特別不規(guī)則建筑。

        3 針對不規(guī)則結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)措施

        (1)結(jié)構(gòu)布置方面,兩個(gè)方向抗側(cè)力構(gòu)件的布置盡可能保持均勻?qū)ΨQ,盡量保證結(jié)構(gòu)剛心和質(zhì)心統(tǒng)一。

        (2)采用彈性時(shí)程分析進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算,地震效應(yīng)采用包絡(luò)值進(jìn)行設(shè)計(jì)。

        (3)對不規(guī)則情況進(jìn)行加強(qiáng)。針對扭轉(zhuǎn)不規(guī)則:加大周邊結(jié)構(gòu)梁柱截面尺寸及配筋,提高抗扭剛度;針對樓板不連續(xù):當(dāng)進(jìn)行構(gòu)件承載力計(jì)算及樓板應(yīng)力分析時(shí),將樓板設(shè)置成彈性膜;進(jìn)行設(shè)防地震、罕遇地震下樓板應(yīng)力分析,保證樓板在設(shè)防地震作用下不屈服、在罕遇地震作用下不出現(xiàn)貫通裂縫,以2層樓板為例計(jì)算結(jié)果見圖4、圖5。根據(jù)計(jì)算結(jié)果加厚薄弱部位樓板、提高其樓板配筋率、采用雙層雙向拉通配筋、加強(qiáng)開大洞周邊的梁柱配筋。

        圖4 2層樓板X向設(shè)防地震下主應(yīng)力(單位:MPa)

        圖5 2層樓板X向罕遇地震下主應(yīng)力(單位:MPa)

        (4)采用罕遇地震下靜力彈塑性分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)彈塑性變形補(bǔ)充驗(yàn)算,從層間位移角及構(gòu)件損傷情況來判定結(jié)構(gòu)滿足“大震不倒”的設(shè)計(jì)水準(zhǔn)。

        (5)針對結(jié)構(gòu)的超長樓板擬采取措施[5]。①設(shè)置后澆帶:每隔30~40m設(shè)置一處后澆帶,以減小混凝土早期收縮;②加強(qiáng)樓板配筋:計(jì)算樓板溫度應(yīng)力,根據(jù)計(jì)算結(jié)果加厚薄弱處樓板,設(shè)置抗裂鋼筋;③加強(qiáng)屋面保溫:做好混凝土澆搗后的保濕養(yǎng)護(hù)工作,通過施工組織措施將超長樓板的澆筑時(shí)間安排在氣溫較低的時(shí)候進(jìn)行;合理控制混凝土水灰比等材料配置參數(shù),減小混凝土自身的材料收縮。

        4 彈性時(shí)程分析補(bǔ)充計(jì)算

        工程應(yīng)采用彈性動(dòng)力時(shí)程分析進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算。采用YJK程序?qū)こ踢M(jìn)行多遇地震下的彈性時(shí)程分析。按地震波三要素從YJK程序自帶的地震波中選取IV類場地上5組強(qiáng)震記錄天然波:SHW4_NGA_1828HECTOR、SHW5_NGA_2104DENALI.1734、SHW7_NGA_2723CHICHI04、Chi-Chi,Taiwan_NO_1228、TH1TG090和兩組人工模擬的場地波:ArtWave-RH3TG090、SHW2_AW-NGA_760LOMAP.MEN進(jìn)行彈性時(shí)程分析。從表3可以看出,7組地震波作用下結(jié)構(gòu)基底剪力滿足規(guī)范要求。

        表3 時(shí)程波與振型分解反應(yīng)譜法底部剪力對比

        由圖6可知,7組地震波作用下結(jié)構(gòu)層間位移角的平均值不大于1/550,與反應(yīng)譜法結(jié)果大體接近,滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)定。

        圖6 時(shí)程分析與反應(yīng)譜層間位移角對比曲線

        5 罕遇地震作用下靜力彈塑性分析

        工程屬于不規(guī)則的多層建筑,因此工程應(yīng)用盈建科(YJK)軟件,采用靜力彈塑性分析方法(Push-Over),對結(jié)構(gòu)進(jìn)行X+、X-、Y+、Y-共4個(gè)方向水平荷載作用下的推覆驗(yàn)算。

        罕遇地震作用下靜力彈塑性分析計(jì)算結(jié)果見表4。從表4中結(jié)果可以看出,在罕遇地震作用下,性能點(diǎn)處各層彈塑性位移角最大值小于1/50,符合規(guī)范要求,結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)“大震不倒”。

        表4 罕遇地震作用下靜力彈塑性分析所得的性能點(diǎn)處相關(guān)指標(biāo)

        此外,在罕遇地震作用下,較多的塑性鉸出現(xiàn)于框架梁端,框架梁屬耗能構(gòu)件,較少的塑性鉸出現(xiàn)于框架柱端,整體結(jié)構(gòu)基本合理,可采用增加受力鋼筋及箍筋的方法來加強(qiáng)框架柱的抗震性能。

        6 結(jié)語

        工程地上結(jié)構(gòu)抗火實(shí)驗(yàn)室采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系,由于建筑設(shè)備原因,建筑物北側(cè)有較多開洞,結(jié)構(gòu)嵌固部位設(shè)在基礎(chǔ)底板。文中對其進(jìn)行抗震分析研究,主要結(jié)論如下:

        (1)對實(shí)驗(yàn)室不同區(qū)域設(shè)計(jì)樓面荷載進(jìn)行梳理,提出合理的樓面荷載取值。

        (2)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析表明,工程具有“扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)”共兩項(xiàng)一般不規(guī)則項(xiàng),具有“有效樓板板寬度偏窄”一項(xiàng)特別不規(guī)則項(xiàng),屬于特別不規(guī)則建筑。

        (3)分別從結(jié)構(gòu)總體布置、多遇地震下彈性時(shí)程分析補(bǔ)充計(jì)算、超限加強(qiáng)、罕遇地震下靜力彈塑性分析、超長樓板設(shè)計(jì)幾個(gè)方面進(jìn)行專項(xiàng)抗震設(shè)計(jì)。結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)安全性較高,能滿足規(guī)范的各項(xiàng)要求。

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