高層建筑局部框支剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算分析

郭 興 葉洪波

（四川海辰工程設(shè)計(jì)研究有限公司，四川綿陽，621000）

1.工程概況

某高層建筑總建筑面積153000m2.其中1～4#為高層住宅、5#商業(yè)辦公樓、6#辦公樓及公共的地下室,總建筑面積為144726m2其中,2#、3#十九層，高層住宅工程為框支剪力墻結(jié)構(gòu),一層平面見圖1所示。

圖1 2#、3#樓底部結(jié)構(gòu)平面布置圖

主體結(jié)構(gòu)層高62.3m,地下室2層,層高分別為3.5m,4.7m;地上1層為居民活動空間,高5.4m;2層～13層為住宅,層高2.9m,以上至屋頂層高均為3.0m。

該地區(qū)的基本風(fēng)壓0.4N/mm2,抗震設(shè)防烈度7度,場地土的特征周期0.45s,設(shè)計(jì)基本地震加速度0.1g,框架抗震等級為二級,剪力墻底部加強(qiáng)部位抗震等級為二級,其余部位為三級。結(jié)構(gòu)的阻尼比為0.05,水平地震影響系數(shù)最大值為0.08,罕遇地震影響系數(shù)最大值為0.5,地面粗糙度為C類。計(jì)算中考慮雙向水平地震作用、扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)影響及重力二階效應(yīng),并對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。

2.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的計(jì)算分析

2.1.轉(zhuǎn)換體系的選取與計(jì)算

框支轉(zhuǎn)換層樓板在地震中受力變形較大,其在整體電算中的模型選擇很關(guān)鍵。由于工程轉(zhuǎn)換梁上部層數(shù)多,地震時(shí)樓板將傳遞相當(dāng)大的地震力,其在平面內(nèi)的變形是不可忽略的。因此采用彈性板或彈性膜的計(jì)算模型較為適宜。由于彈性板的平面外剛度在整體計(jì)算中已被計(jì)入,相當(dāng)于考慮了板對梁的卸荷作用,會使梁的設(shè)計(jì)偏于不安全。在進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)分析時(shí),將轉(zhuǎn)換層樓板用彈性膜單元模擬。

2.2.嵌固端與轉(zhuǎn)換層樓板厚度的確定

工程以±0.000板作為嵌固端,既保證上部結(jié)構(gòu)的地震剪力通過地下室頂板傳遞到全部地下室結(jié)構(gòu),同時(shí)能夠保證上部結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形是以地下室為參照原點(diǎn)。《抗規(guī)》第6.1.14條規(guī)定:當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜壳豆潭瞬课粫r(shí),地下室結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度與上部結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度之比不宜小于2。故地下室頂板厚度取200mm,同時(shí),為了有效地將水平地震力傳遞給剪力墻,在應(yīng)力集中的樓層,將樓板厚度加大,轉(zhuǎn)換層樓板取180mm,與其相鄰的層也適當(dāng)加厚至150mm。

考慮抗震需要,施工圖階段時(shí)更有意提高轉(zhuǎn)換層配筋率,使單層配筋率達(dá)到0.35%,以進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換層樓板和框支大梁共同作用的能力。考慮到梁寬大于上部剪力墻的兩倍,寬度較寬,對邊轉(zhuǎn)換梁,板面鋼筋不是簡單地要求伸入梁內(nèi)滿足錨固要求即可,而是要求必須貫穿梁頂截面,以確保梁內(nèi)扭矩在板上的有效傳遞。

2.3. 框支柱與剪力墻底部加強(qiáng)部位墻厚的設(shè)計(jì)

框支柱基本布置于上部剪力墻對齊的下方或就近區(qū)域,這樣不僅能使豎向荷載的傳力途徑直接、明確,減少轉(zhuǎn)換板的內(nèi)力,同時(shí),上下抗側(cè)力結(jié)構(gòu)對齊,對于抵抗水平地震荷載作用,改善轉(zhuǎn)換板的復(fù)雜受力情況也是大有益處的(詳見圖1)。

框支柱作為框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系中重要的構(gòu)件,它的安全度直接決定了整棟建筑的抗震潛力,因而框支柱的延性和承載力成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。框支柱應(yīng)在計(jì)算的基礎(chǔ)上,通過概念設(shè)計(jì)和抗震措施 (構(gòu)造措施)進(jìn)行設(shè)計(jì)。調(diào)整框支柱總剪力不小于0.30,框支柱的抗震等級定位一級,為了增加其延性,軸壓比不超過0.4,其最小配箍特征值比一級增加0.02采用,框支層剪力墻軸壓比控制在0.6以內(nèi),以保證剪力墻有足夠的剛度。

抗震設(shè)計(jì)時(shí),剪力墻的底部加強(qiáng)部位包括底部塑性鉸范圍及其上部的一定范圍,其目的是在此范圍內(nèi)采取增加構(gòu)造邊緣構(gòu)件箍筋和墻體橫向鋼筋等必要的抗震加強(qiáng)措施,避免脆性的剪切破壞,改善整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗震性能。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2002(以下簡稱《高規(guī)》)第7.1.9條規(guī)定:底部帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu),其剪力墻底部加強(qiáng)部位的高度可取框支層加上框支層以上兩層的高度及墻肢總高度的1/8二者的較大值。為了保證底部加強(qiáng)部位處剪力墻的平面外剛度和穩(wěn)定性,《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2002(以下簡稱《抗規(guī)》)及《高規(guī)》分別規(guī)定了剪力墻底部加強(qiáng)部位墻厚的取值。其中,考慮到高層建筑結(jié)構(gòu)的重要性《高規(guī)》對墻厚的取值更加嚴(yán)格。針對本工程結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),設(shè)計(jì)中有以下兩點(diǎn)特別之處:

2.3.1 一般情況下,高層建筑結(jié)構(gòu)底部加強(qiáng)部位的剪力墻厚度應(yīng)按照《高規(guī)》7.2.2條規(guī)定取值。但對于本工程而言,由于底部層高較大,一般剪力墻墻厚bw取380,但對于電梯井處剪力墻布置較多,相對的軸力較小,其截面按照上述方法取值則顯得的不是很經(jīng)濟(jì)合理。因此,針對本工程的具體設(shè)計(jì),剪力墻截面厚度bw適當(dāng)?shù)臏p少到300,同時(shí)嚴(yán)格按照《高規(guī)》附錄D以下公式(1)計(jì)算墻體的穩(wěn)定。

2.3.2 在保證上部住宅剪力墻強(qiáng)度及層間位移滿足規(guī)范的前提要求下,盡量減少上部剪力墻數(shù)量,減薄厚度,轉(zhuǎn)換層以下厚度加大,以減少結(jié)構(gòu)上部剛度,增大下部剛度。同時(shí),由于轉(zhuǎn)換層上下剛度的突變對上部相鄰幾層剪力墻造成的影響,故而除了對轉(zhuǎn)換層上相鄰數(shù)層剪力墻的水平及豎向分布筋和暗柱鋼筋予以加強(qiáng)外,還在這些樓層中跨高比小于2的剪力墻連梁內(nèi)設(shè)置交叉鋼筋以增強(qiáng)其耗能能力。

2.4.轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比的確定

工程實(shí)踐中,框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系是對結(jié)構(gòu)本身來說是很不利的,為了加大底部大空間樓層的抗側(cè)剛度,使上下剛度接近,《高規(guī)》規(guī)定:需要抗震設(shè)防時(shí),轉(zhuǎn)換層上下剛度比不應(yīng)大于2,同時(shí)不應(yīng)小于1。為了滿足此要求,對底部的落地芯筒及少量的落地剪力墻均予以加厚,落地芯筒周邊墻體加厚至300mm(上部為250mm),少量的落地剪力墻加厚至400mm(上部為250mm),同時(shí)轉(zhuǎn)換層以下的混凝土強(qiáng)度等級定位C45(上部為C35),最終大部分單元?jiǎng)偠缺染刂圃?.4左右,只有少數(shù)單元較大,但也控制在1.8以內(nèi)。

由于高層結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換層的出現(xiàn),沿建筑物高度方向剛度的均勻性會受到很大的破壞,力的傳遞途徑會有很大的改變。如何計(jì)算轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比是帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須解決的主要問題。《高規(guī)》附錄E分別規(guī)定了底部大空間層數(shù)不同,轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比的計(jì)算方法。其中轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比的計(jì)算綜合考慮了豎向抗側(cè)力構(gòu)件的抗剪剛度和抗彎剛度,因此更能反映帶轉(zhuǎn)換層的高層結(jié)構(gòu)沿高度方向剛度變化的實(shí)際情況。轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比按公式(2)計(jì)算,為了便于計(jì)算頂部位移,可以將頂部單位水平力適當(dāng)放大。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可以應(yīng)用"高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計(jì)軟件"(SATWE)計(jì)算轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比,具體計(jì)算步驟如下:

2.4.1 采用PMCAD 分別按(圖2)建立結(jié)構(gòu)計(jì)算模型1、2;

圖2 轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比的計(jì)算模型

2.4.2 采用SATWE前處理程序形成風(fēng)荷載數(shù)據(jù)文件WIND.SAT;

2.4.3 分別修改計(jì)算模型1、2的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)文件,將頂層剛性樓板的X、Y向風(fēng)荷載的X、Y軸均設(shè)置為500kN,Z軸扭轉(zhuǎn)分量設(shè)置為0,其余各層X、Y向風(fēng)荷載的X、Y軸分量以及Z軸扭轉(zhuǎn)分量均設(shè)置為0;

2.4.4 運(yùn)行SATWE中結(jié)構(gòu)分析及構(gòu)件內(nèi)力計(jì)算程序,求出計(jì)算模型1、2的頂部位移;

2.4.5 應(yīng)用公式(2)即可求解出轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比。

通過上述方法計(jì)算得出的轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比宜接近1,非抗震設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)大于2,抗震設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)大于1.3。

2.5.局部抗震設(shè)計(jì)

局部框支剪力墻結(jié)構(gòu)的局部加強(qiáng)范圍,對本工程來說,取框支部分所臨近兩個(gè)2～3個(gè)開間所包圍的區(qū)域 (見圖1中方框內(nèi)的部分)。在進(jìn)行框支柱、梁內(nèi)力調(diào)整時(shí)可按此調(diào)整加強(qiáng)部位有關(guān)剪力墻、框支柱和梁的內(nèi)力。局部框支加強(qiáng)范圍以外,可按剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。兩者交接部分應(yīng)加強(qiáng)連接構(gòu)造,如板邊設(shè)暗梁、梁板配筋加強(qiáng)等,以保證水平剪力傳遞。

建筑專業(yè)為了立面處理的需要,希望在建筑平面的角部開窗 (見圖1中圓形標(biāo)注內(nèi)的部分),墻體角部在地震作用下,是較敏感的部位,特別當(dāng)結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則時(shí),由于平面的扭轉(zhuǎn),引起內(nèi)力重分布,將使震害加劇,使得此處的連梁分配更多的地震力,容易產(chǎn)生連梁的超筋問題。因此,需要對此處的連梁采取構(gòu)造加強(qiáng)措施,本工程主要采用了以下幾點(diǎn):

2.5.1 角部開窗的墻體為無翼緣墻體,《抗規(guī)》6.4.1條規(guī)定墻體厚度,當(dāng)無端柱或翼墻時(shí)不應(yīng)小于層高的1/12,本住宅層高2.9m～3.0m,故角部房間墻段厚度取250mm;

2.5.2 由于角部墻體無翼緣,延性較差,應(yīng)在墻體端部設(shè)置暗柱,并適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)配筋。

2.5.3 為了增加墻體平面外的穩(wěn)定性,可在每層樓板角部處附加鋼筋板帶配10Φ12mm鋼筋,兩端各錨入暗柱內(nèi),長度≥35d。樓層加強(qiáng),雙層雙向且均按受拉鋼筋錨固于墻內(nèi)和梁內(nèi),如圖3所示。

圖3 角部平面圖

結(jié)語

實(shí)踐證明，本工程在設(shè)計(jì)中不但滿足了使用功能和結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的要求,同時(shí)使剪力墻的布置和用量都較為合理。

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