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平面凹进框剪结构处理方式研究_张元琦.pdf
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平面 凹进 结构 处理 方式 研究 张元琦
设计技术石油化工设计PetrochemicalDesign2023,40(2)15 20平面凹进框剪结构处理方式研究张元琦(中石油吉林化工工程有限公司,吉林 吉林 132002)摘要:针对某高层商用公寓楼平面凹进较大情况,采用 Midas Gen 软件,对设弱连梁、设强连梁和设抗震板 3 种平面处理方案,分别进行多遇/罕遇地震下的动力分析。计算结果表明:由于一般抗震设计中仅考虑小震弹性工况,当凹进不大且满足规范限值要求时,在凹槽处增设拉梁后抗震性能的改善较为明显,当平面凹进程度较大时,增设拉梁则并不十分理想,增设抗震板后的效果明显好于仅设拉梁;对于凹进不规则结构,无论增设拉梁或抗震板,都无法大幅降低扭转位移比,无法有效解决结构固有的扭转不规则问题。关键词:平面凹进框剪结构扭转不规则抗震设计doi:10 3969/j issn 1005 8168 2023 02 0041工程简介及模型建立本工程为商用公寓楼,单塔大底盘结构,地下2 层车库、地上 11 层、首层层高 4 m、标准层层高 3m,房屋高度 34 m。由于首层嵌固,计算模型仅考虑地上部分,平面布置见图 1。抗震设防烈度为 8度(0 2 g)、类场地;抗震设防类别为丙类,建筑设计工作年限为 50 年。图 1标准层结构平面布置结构设计统一技术措施1 指出,对楼板开洞与平面凹凸区分原则是,凹凸主要是建筑外立面的变化,考察结构在水平力作用下,结构抗侧体系的完整性及在平面凹凸处的传力路径;楼板开洞则是从结构内部完整性角度,考察抗侧力构件协同工作的能力。遇电梯井开洞处,宜将电梯井用剪力墙围住,可视为楼板开洞,不作平面凹进。根据上述建筑平面凹凸设计的原则及 JGJ 32010高层建筑混凝土结构技术规程(以下简称高规)2,本工程 Y 向凹进 4 m,凹进程度 4/11=0 36 0 3,结构不规则类型为一般平面不规则。该建筑疏散步梯梯板采用滑动支座与梯梁连接,设计时不计算楼梯刚度,仅作为静力荷载。根据 高规 第 7 1 4 条规定,剪力墙结构底部加强部位从地下室顶板算起,高度为房屋高度的 1/10 及底部 2 层高度的较大值;一、二层剪力墙为一般剪力墙 加强位置。罕遇地震波选取Pacoima1 波,GB500112010建筑抗震设计规范(以下简称抗规)3 第 5 1 2 条和第 5 2 3条规定,限定最大峰值加速度 220 cm/s2,地面时程以 X 为主向、Y 向为次向,主次向加速度比值指定为 1 0 85,地震持续时间取 15 s,见图 2。2模型初始设定建筑东西两侧凹进 2 m,凹进率 13 3%30%;南侧凹进 4 m,凹进率 36%30%,结构不收稿日期:2022 12 02。作者简介:张元琦,男,2013 年毕业于吉林建筑大学工程力学专业,硕士,一级注册结构工程师,工程师,主要从事结构设计及建构筑物抗震抗爆计算等相关工作。联系电话:0432 63913671;E mail:1170955537 qq com 16 石 油 化 工 设 计2023 年第 2 期(第 40 卷)规则类型为一般平面不规则。将项目结构原型建入 midas gen,记为 MOD 0,结构模型立面见图 3。图 2Pacoima1 波加速度时程图 3MOD 0 南侧立面及其北侧立面示意3平面凹进处理方式3 1小震弹性工况分析为探究平面不规则时采用不同处理方法对高层框架剪力墙结构抗震性能及局部内力的改善效果,本节针对初始结构方案 MOD 0 给出 3 种处理方式并依此建立不同的结构模型,分别记为MOD 4/6/B(见表 1),其平面布置见图 4。楼板假定均指定为弹性。表 1模型说明及处理方法模型编号说明MOD 4在轴、轴、轴增设拉梁,截面 250 mm 450 mmMOD 6在轴、轴、轴增设拉梁,截面 250 mm 600 mmMOD B在轴、轴增设抗震梁板填平凹槽,轴增设 2 m 宽板带根据 高规2 第 3 4 6 条,开洞处每边楼板净宽不宜小于 2 m,模型 MOD B 抗震板满足要求,该模型为普通楼板开洞结构,不再属于一般凹凸不规则结构;由于抗震板作为加强措施,仅地震工况下受力,正常使用状态下无竖向荷载作用,故板厚取最低要求 80 mm,抗震板周边设置 450 mm250 mm 框架梁。4 组模型剪力墙在底部加强层及其上一层均设置约束边缘构件,Lc=0 25 2 000=500 mm,阴影区指定竖筋 8 根;由程序自动设计端部配筋面积,阴影区尺寸 400 mm 250mm(暗柱)。将小震弹性工况分析对比列于表 2。原凹进的边榀框架在增设拉梁后产生一定的轴向力,见图 5。图 4MOD 4/6 平面布置与 MOD B 平面布置由图 5 对比可见:1)增设拉梁对结构各振型自振周期存在不同程度影响。X 向因平面凹进较多,质量分布不均匀,各楼层增设拉梁对刚度影响不明显,自振周期变化不大;Y 向增设 2 根拉梁后刚度明显增加,周期随之减小;由于增设的拉梁均位于边跨,结构抗扭刚度有较大幅度提高,扭转第一周期明显减小。2)增设拉梁后边榀构成完整抗侧体系,两个方向的楼层抗侧刚度均有一定提高。地震作用下因传递水平地震力和协调楼板平面内变形,增设的拉梁及与之相连的框架梁会产生一定的轴向力。2023 年第 2 期(第 40 卷)张元琦 平面凹进框剪结构处理方式研究 17 表 2小震弹性工况分析结果项目模型编号MOD 0MOD 4MOD 6MOD B前三阶自振周期(sec)T1=0684(Y 向)T2=0679(X 向)T3=0 525(扭转)T1=0676(X 向)T2=0659(Y 向)T3=0495(扭转)T1=0672(X 向)T2=0636(Y 向)T3=0472(扭转)T1=0677(X 向)T2=0642(Y 向)T3=0476(扭转)顶点最大位移/mmX 向1959192618971936Y 向1709162615531641首层抗侧刚度/kNX 向9 689 8029 813 2589 902 7929 857 641Y 向10 679 54111 068 46111 407 08811 084 845图 5MOD 4 与 MOD 6 的梁柱轴力对比(小震弹性工况)3 2规定水平力方法下的扭转不规则验算为探究结构平面凹进造成的扭转不规则,采用考虑偶然偏心的规定水平力方法得到结构扭转位移比,规定水平力指定为相邻楼层地震剪力差,偏心率指定为平面尺寸的 5%;计算结构刚度中心所用荷载工况应为水平作用,模型中指定为 CQC 组合下的双向地震作用 EX/EY;根据规范对于扭转不规则验算的定义描述,采用强制刚性楼板假定,得到各组模型扭转位移比列于表 3。表 3扭转位移比验算楼层MOD 0MOD 4MOD 6MOD BX 向Y 向X 向Y 向X 向Y 向X 向Y 向111 231 11121110118109118109101 231 1112111011910911810991 231 1112111012010911910981 241 1112211012011012011071 241 1112311012111012111061 251 1112311112211012111051 251 1212411112211112211141 251 1212411112311112311131 261 1212511212411112311121 261 1212511212411112311111 251 13124112123112123112根据 抗规3 第 3 4 3 条,/max 1 2 时为平面一般不规则;根据 高规2 第 3 4 5 条,扭转位移比不宜大于1 2,不应大于1 5,本章4 组模型满足最低要求,为一般不规则结构。由于初始模型中 Y 向质量及刚度分布均匀,4 组模型扭转位移比均在1 1 左右;X 向单侧有较大凹进造成质量分布不均匀,初始模型各层扭转位移比均在 1 2以上,而增设拉梁/抗震板的方式均无法有效改善X 向扭转不规则,始终在1 2 左右。绘制多遇地震下的弹性层间位移如图 6 所示。位移值取振型法 18 石 油 化 工 设 计2023 年第 2 期(第 40 卷)及 3 组小震时程进行包络。图 6Y 向和 X 向的弹性层间位移角由图 6(a)和(b)的分析对比得知:1)小震弹性工况下增设梁板式抗震板,略微增大了结构自重,但其在控制小震弹性位移作用明显,特别是凹进程度较大的 X 方向,增设拉板后本质上已非平面凹凸不规则结构,各层层间位移最大值处可减小接近 20%。2)Y 向凹进程度不大,由 MOD 4 的 Y 向层间位移图可知,在设置有足够刚度的拉梁后亦可在该方向部分起到抗震板的作用,减小弹性层间位移;而 X 向由于凹进程度较大,仅增设拉梁的处理方式,其控制小震层间位移的效果不理想。4 组模型经罕遇地震下动力弹塑性分析后,将节点最大层间位移(双向地震组合值)结果列于表 4。表 4弹塑性层间位移楼层MOD 0MOD 4MOD 6MOD B位移位移角位移位移角位移位移角位移位移角11F4 6951/63945691/65745241/66344601/67310F5 8281/51557051/52656411/53254631/5499F7 0311/42768981/43568251/44065191/4608F8 1701/36780451/37379701/37675891/3957F9 2151/32690901/33090221/33384461/3556F9 9031/30398091/30697521/30890471/3325F102001/294101141/297100661/29892301/3254F101431/296100871/297100481/29990901/3303F9 6491/31196201/31295861/31386061/3492F8 6051/34986071/34985841/34976251/3931F7 6451/52376751/52176691/52268151/587层间位移分布符合典型带剪力墙结构的分布特点,上下小、中间大,最大层间位移出现在 4 5层;根据 高规2 3 7 5,框剪弹塑性层间位移角限值 P=1/100,各模型所有楼层均满足最大位移限值,达到大震不倒的最低抗震设防目标。整理层间位移结果见图 7 图 8。图 7层间最大位移角图 8节点最大绝对位移在层间位移最大的 4 5 层处,增设拉梁的两组模型位移减小量均在 2%以内,减小位移的作用较为有限;而增设抗震板的 MOD B 在该处位移减小量达 10%以上。取 4 组模型第 9 层楼板罕遇地震单工况应力列于图 9(a)图 9(d)中。应力值取有效应力(von Mises 应力)。2023 年第 2 期(第 40 卷)张元琦 平面凹进框剪结构处理方式研究 19 图 9MOD 0、MOD 4、MOD 6 和MOD B 的楼板应力初始模型 MOD 0 的楼板在凹槽处产生较为明显的应力集中现象;编号 MOD 4/6 模型增设拉梁后,应力集中现象有一定程度的缓解;观察到模型 6 由于拉梁截面和刚度增大,其传递水平力的能力强于弱连梁的模型 4,缓解应力集中效果更好。MOD B 缓解应力集中的效果最为明显,轴尽管增设板带的处理方式无法填满凹槽,但处理效果仍远强于增设拉梁的 2 个模型,源于其本质上已非平面凹进结构。取大震最终墙铰状态图(见图 10),图例中Level 1 5 分别对应高规10 性能化设计;依次是:基本完好 轻度破坏 中等破坏 重度破坏 严重破坏。4 组模型塑性发展最严重的位置均在底部 2层加强区域;增设拉梁或抗震板的 3 组模型墙根出现 Level4 铰较初始模型为少,出铰状况好于初始模型。整理最终状态 step20 步骤墙铰第二阶段延性系数(D/D2),绘制成图 11。根据程序前处理中墙纤维铰设置及程序定义,墙铰设置为 M PHi,图示结果为截面曲

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