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高烈度区某高层转换结构设计探讨

张战书、贺世伟(恒锐咨询)

 

[摘要] 本工程为高烈度的高层框支转换结构,建设方对商业价值的高要求给结构设计带来巨大挑战。在各项指标满足规范的要求后,对关键部位做了进一步分析。首先,在受拉的落地剪力墙中设置钢板,并对钢板提出了较高的性能目标;其次,对转换层上一层墙体的模拟方式进行了对比分析;最后,对转换层楼板的受拉及受剪情况进行分析,并采取相应加强措施。

[关键词] 高烈度区;高层框支转换结构

 


1.工程概况

    本工程位于昆明市,为一栋高层商住楼, 地下3层,地上32层,底部3层为商场,3层以上为住宅,为B级高度框支剪力墙结构,转换层位于第3层,建筑高度为99.300米,结构平面尺寸为43.1×19.5米。1层层高为5.400米,2层为5.100米,3层为5.70米,4层为3.30米,5至32层均为2.85米。主要计算指标见表1,主要构件尺寸见表2,框支转换层及标准层平面布置图见图1、图2。

框支转换层平面布置图

标准层平面布置图

主要计算指标                     1

设防标准

抗震设防烈度

地震分组

场地类别

抗震等级

框支框架及底部加强部位剪力墙

非底部加强部位剪力墙

乙类

8度(0.2g

特一级

一级

 

主要构件尺寸                     2

位置

构件类别

典型构件尺寸/mm

框支层及以下

落地剪力墙

500600650

框支柱

SRC:1000×1000;1700×1100

框支梁

SRC:650×1500;600×1700

楼面板

200

框支层以上

上一层剪力墙

250300350(钢板剪力墙)

标准层剪力墙

250300

 

2主要设计成果

    本工程采用YJK与PKPM两种软件进行设计,主要计算结果见表3。两者的质量、周期、底部剪力及位移等计算指标均较为接近,验证了程序的可靠性。各计算指标均处于合理的范围,且满足规范要求,证明了结构方案的可行性。框支柱及框支梁均采用了型钢混凝土形式,另外无法避免的转换次梁宜按特一级构件进行了设计并采用了型钢混凝土梁。需要说明的是,由于两种软件在统计框支柱承担倾覆弯矩时的规则不同,造成了数值上的差异。

主要计算结果              3

计算指标

分项

YJK

PKPM

周期

T1(s)

1.4830 (X)

1.5072 (X)

T2(s)

1.4297 (Y)

1.4794 (Y)

T3(s)

1.1087 ()

1.1440 ()

T3/T1

0.75

0.76

层间位移角

X

1/1056

1/1000

Y

1/1094

1/1094

位移比

X

1.28

1.28

Y

1.21

1.23

框支柱承担倾覆弯矩

百分比

X

20.4%

4.51%

Y

15.7%

3.08%

转换层下部结构与上部结构的等效侧向刚度比

X

1.7404

1.2233

Y

0.9114

1.0379

转换层与其相邻上层的侧向刚度比

X

0.7998

0.7367

Y

0.6978

0.6630

底部剪力/kN

X

21782

21363

Y

24132

24172

承载力之比

X

0.95

0.92

Y

0.94

0.92

 

3落地剪力墙的受拉分析

    《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010) [1] (简称高规)第10.2.18条规定,落地剪力墙肢不宜出现偏心受拉。《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010) [2] (简称抗规)第6.2.7条规定,部分框支抗震墙结构的落地抗震墙墙肢不应出现小偏心受拉。

    设计中首先对落地剪力墙的受拉情况进行检查。在小震作用下角部落地剪力墙肢出现拉应力,现考虑组合截面作为整体共同抗拉,并按弹性模量换算考虑框支柱及落地墙中型钢和钢板的作用,见图3。本结构具有在Y向地震作用下产生较大倾覆力矩的特点,故将Y向作为不利情况进行地震作用下墙体受拉情况分析。荷载工况组合为:-1.0D-0.5L+1.3Ey+0.28Wy,经计算墙肢拉应力为2.01N/mm2小于C60混凝土抗拉强度标准值ftk=2.85 N/mm2,见表4。

受拉剪力墙示意图

组合墙小震受拉计算                     4

拉力/ kN

构件面积/ mm2

型钢、钢板折算面积/ mm2

拉应力/ MPa

17523

6.5×106

1.8×106

2.01

 

   通过以上计算可知组合墙全截面受拉,可判定该墙肢为小偏心受拉,为保证墙体具有足够的抗剪能力,拟在落地剪力墙内设置钢板。当剪力墙在地震作用下受拉而造成混凝土部分抗剪能力削弱时 ,将由钢板承担所有剪力,本工程提出钢板中震抗剪不屈的性能目标,即在中震作用下的所有剪力由钢板承担。现以a墙肢(墙内钢板:厚30mm;Q345;f=295N/mm2)为例,验算其在Y向中震下的抗剪承载能力。

    按《高规》第11.4.13条11.4.13-2式计算钢板混凝土剪力墙斜截面抗剪承载能力,注:只考虑钢板抗剪能力,而不计入混凝土,钢筋及型钢的抗剪能力:

V1/γRE[0.5fspAsp/(λ-0.5)]       (1)

         计算可得V=6491kN<17257.5kN,可见钢板能够满足中震不屈的性能目标。

    另对该墙肢做进一步的不利分析,考虑中震下该墙肢的拉力和剪力全部由钢板承担。采用荷载组合:1.0D+0.5L+1.0Eh,强度条件为f。由表5可见,钢板能够承担中震作用下拉力、剪力的联合作用。

a墙肢中震拉剪计算                     5

拉力/ kN

拉应力

σ/ MPa

剪力/ kN

最大剪应力

τ/ MPa

强度校核

10870

92.91

6491

83.22

171.49 f

 

4 转换层上一层剪力墙受力分析

    框支转换梁的模拟方式从来都是结构界热议的话题,通用有限元软件的体单元计算结果作为评判标准取得了广泛共识,但其复杂的操作流程,使广大工程师望而却步。本工程采用两种设计软件进行分析,PKPM具有较多的工程实例,而YJK具有体单元的模型方式,可作互相校验。PKPM采用线单元模拟转换梁,采用壳单元模拟墙体,梁单元与壳单元通过两个节点进行传力和变形协调,这样不能保证在单元的接触面上的变形完全协调,共同作用程度依赖于对转换梁和上部墙体的单元划分,转换梁和上部墙体的计算结果均存在误差,采用托梁刚度放大100的方式可在一定程度上减小由于竖向荷载引起的墙体剪力,但仍不能真实模拟受力情况;YJK可采用体单元模拟转换梁及其上墙体,实体单元有6个四边形面和8个节点,单元之间能够完全的变形协调,具有不需要任何假定而能够真实模拟受力情况的特点,但计算量较大,计算时间较长。本工程工采用两种软件对墙体受剪情况进行计算,该部分以YJK计算结果作为设计依据,各软件对构件模拟方式见表6


 各软件模拟方式概况                  6

 

转换梁

转换层上墙体

处理方式

PKPM

线单元

壳单元

托梁刚度放大100

YJK

体单元

体单元

框支柱、框支梁及上一层墙体均采用体单元

   

    本工程对8片墙肢进行了分析,主要对比由地震作用及恒载作用在墙体中产生的剪力,并对PKPM中的超限墙肢做进一步分析。由计算结果可见,由于PKPM中计算假定较多以及不同单元之间不能完全变形协调,造成其计算结果与YJK存在差异,特别是非落地剪力墙中由竖向荷载产生的墙体剪力差异较大。墙肢编号见图4,各墙肢受剪情况对比见表7,超限墙肢超限比例对比见表8。

 

4 剪力墙编号示意图


超限墙肢超限比例对比
              8

墙编号

截面限制条件

PKPM

YJK()

地震作用

0.16*fc*B*H

V

超限比例(%)

V

超限情况

4

965

996

3%

801

不超限

X

8

3533

4107

16%

1308

不超限

Y

 

5.转换层楼板分析

    本工程转换层楼板厚度取为200mm,采用能够真实反映楼板面内及面外刚度的“弹性板6”模拟转换层楼板,采用振型分解反应谱法进行计算。下面将就转换层楼板抗拉及抗剪两方面分别进行分析。

5.1 转换层楼板受拉情况分析

    从转换层X向或Y向地震作用下楼板正应力等值线可以看出,在柱顶区域及被托换墙体底部区域出现应力集中现象,较大应力均处于梁、柱、墙范围内,可不予考虑,见图5、图6。

    针对出现明显应力集中部位进行合理的判断,梁、柱、墙附近应力较大的局部区域采取加强措施,按2.0MPa的应力进行配筋,除按竖向承载力要求所配板筋外,另需增配双层双向C10@150钢筋。

 

5.2 转换层楼板受剪情况分析

    部分框支剪力墙结构中,框支转换层楼板是重要的传力构件,不落地剪力墙的剪力需要通过转换层楼板传递到落地剪力墙或框支框架,为保证楼板能可靠传递面内相当大的剪力,规范对转换层楼板截面尺寸提出了一定要求。本工程通过两种方式对转换层楼板进行了分析:1.按《高规》10.2.24条要求进行计算;2.应用有限元软件分析转换层楼板的剪应力。

5.2.1 规范算法

    部分框支剪力墙结构中,抗震设计的矩形平面建筑框支转换层楼板,其截面剪力设计值应符合下列要求:

    Vf1/γRE (0.1×βc×fc×bf×tf)     (2)

    采用的荷载组合为:1.2D+0.6L+1.3Eh+0.5Ev。计算可得Vf=1475kN≤2120kN,通过计算结果可知,转换层采用混凝土强度等级为C50,厚度为200mm的楼板能够满足传递不落地剪力墙剪力的要求。

 

5.2.2 楼板应力分析算法

    将公式(2)进行转换,可得应力的表达方式,见公式(3)。由此可见,通过对楼板应力分析亦能验证其是否满足规范要求,且此方式能够全面反映转换层楼板的整体情况。即,在考虑地震作用的基本组合下对转换层楼板剪应力进行分析,若剪应力τ满足下式:τ≤τ]=0.059 fc=1.36 N/mm2则说明楼板截面满足规范要求。

Vf /bf×t f)≤1/γRE (0.1×βc×fc)    (3)

    通过查看在1.2D+0.6L+1.3Eh+0.5Ev组合下的楼板剪应力结果可见,转换层楼板剪应力均小于1.36 N/mm2,能够满足规范要求。剪应力计算等值线图见图9。

  

6 结论

    (1) 各计算指标均处于合理的范围,且满足规范要求,证明了结构方案的可行性。

    (2) 虽角部落地剪力墙出现小偏心受拉,但当剪力墙在地震作用下受拉而造成混凝土部分抗剪能力削弱时 ,钢板具有足够的抗剪承载力。

    (3) 框支柱、框支梁及上一层墙体均采用体单元模拟,能够更真实的反映受力状况。

    (4) 部分框支剪力墙结构中,框支转换层楼板是重要的传力构件,应在受拉及受剪两方面进行分析,并采取相应的加强措施。

    (5)在横向均匀对称布置的落地剪力墙,通过楼板协调而与纵向落地剪力墙整体作用,共同抵抗因纵向落地剪力墙不均匀布置带来的扭转效应。

参 考 文 献

[1]GB20010-2010 混凝土结构设计规范 [S].北京:中国建筑工业出版社,2011.

[2]GB50011-2010 建筑抗震设计规范 [S].北京:中国建筑工业出版社,2010.



 

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