林寶新,許加義,李 躍
(1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,安徽合肥230022;2.安徽建筑大學(xué)建筑設(shè)計研究院,安徽合肥230022)
帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑在轉(zhuǎn)換處往往下部大開間、上部小開間,使得建筑物的豎向剛度發(fā)生突變,同時豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù),應(yīng)有合理的結(jié)構(gòu)布置方案保證豎向荷載和水平剪力有效傳遞。帶轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)一旦缺失傳力途徑會導(dǎo)致連續(xù)倒塌。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》10.1.5條規(guī)定:“復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)中的受力復(fù)雜部位,尚宜進(jìn)行應(yīng)力分析,并按應(yīng)力進(jìn)行配筋設(shè)計校核”[1]?!督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》3.6.2條規(guī)定:“不規(guī)則且具有明顯薄弱部位可能導(dǎo)致重大地震破壞的建筑結(jié)構(gòu),應(yīng)進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性變形分析”[2]。
合肥濱湖某小區(qū)5#住宅樓,剪力墻結(jié)構(gòu),建筑總高度89.9m。地下1層,地上31層,在建筑端部局部商業(yè)部分帶托墻轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換層以下 軸附近存在錯層[3]。轉(zhuǎn)換層平面布置如圖1,框支轉(zhuǎn)換部分在 軸計算立面如圖2。圖中KZZ2截面為700mm×1400mm,未注明的框支柱均為KZZ1,截面為700mm×1100mm,框支梁截面均為900mm×1000mm。該工程安全等級為二級,抗震等級二級,抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計基本地震加速度0.1g,設(shè)計地震分組選用第一組,場地類別II類,特征周期0.35s,基本風(fēng)壓0.40kN/m2。
本工程為超限高層建筑[4],存在三項不規(guī)則,簡要概述如下:
(1)豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù):在建筑端部商業(yè)2F頂帶托墻轉(zhuǎn)換;
(2)平面不規(guī)則:在 軸附近存在錯層,樓板不連續(xù);
(3)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則:考慮偶然偏心的樓層最大位移比大于1.2。
由于篇幅有限,本文僅就單體框支轉(zhuǎn)換部分作為研究重點(diǎn)。
(1)豎向抗側(cè)力構(gòu)件(不落地剪力墻)直接落在轉(zhuǎn)換梁上,轉(zhuǎn)換梁承受很大的豎向荷載。轉(zhuǎn)換梁截面易設(shè)計過大,導(dǎo)致強(qiáng)梁弱柱。
(2)框支柱要求有比一般框架柱更大的延性和抗倒塌能力。
(3)轉(zhuǎn)換層樓板要將不落地剪力墻的水平剪力傳遞到落地剪力墻上,要保證樓蓋能可靠地傳遞面內(nèi)相當(dāng)大的剪力。
(4)轉(zhuǎn)換部分底部大開間,上部小開間,上剛下柔,須控制剛度比。
根據(jù)“三水準(zhǔn)兩階段”抗震設(shè)防原則,為保證建筑物“小震不壞,中震可修,大震不倒”,進(jìn)行小震下的彈性分析,大震下的變形驗算,以實(shí)現(xiàn)三水準(zhǔn)的設(shè)防要求[2]。在滿足基本設(shè)防目標(biāo)的前提下,結(jié)合抗震性能設(shè)計要求,選用等級為C的性能目標(biāo),其中框支柱、框支梁按“關(guān)鍵構(gòu)件”設(shè)計[1],如表1所示。
表1 抗震性能目標(biāo)
采用SATWE程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析,剛性樓板假定,連梁折減系數(shù)為0.7,結(jié)構(gòu)阻尼比為5%,計算結(jié)果如表2。計算結(jié)果表明結(jié)構(gòu)周期比T3/T1=0.739<0.9,結(jié)構(gòu)樓層最小剪重比大于1.6%,在考慮偶然偏心和雙向地震作用下,樓層最大位移比小于1.4,最大層間位移角均小于1/1000,轉(zhuǎn)換層與相鄰上層的側(cè)向剛度比γe1>0.6,轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比γe2>0.8,表明結(jié)構(gòu)具有良好的剛度,可保證“小震不壞”的設(shè)防目標(biāo)。
根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》5.1.2條,本工程應(yīng)采用彈性時程分析方法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計算[2]。考慮峰值、頻譜特性、持續(xù)時間三要素,選取RH1TG040(人工波)和TH4TG040、Taf-2(天然波)進(jìn)行彈性時程分析。分別沿X向和Y向加載,將所采用三條地震波的主分量峰值加速度值調(diào)整為35cm/s2,主次方向加速度最大值按1:0.85的比例。三條地震波加速度時程曲線如圖3。
由表3可知,各時程曲線計算所得基底剪力,均大于振型分解反應(yīng)譜求得的基底剪力的65%;計算所得基底剪力的平均值,大于振型分解反應(yīng)譜求得的基底剪力的80%。由圖4可知,三條地震波的最大層間位移角均在反應(yīng)譜法外包范圍內(nèi)。由圖5可知,從23層起,時程分析的層剪力平均值結(jié)果開始大于反應(yīng)譜分析結(jié)果,實(shí)際設(shè)計中宜采用時程法的包絡(luò)值與反應(yīng)譜法的較大值進(jìn)行設(shè)計。
表3 時程法與反應(yīng)譜法基底剪力(KN)結(jié)果對比
為進(jìn)一步了解框支部分的受力性能、特點(diǎn),運(yùn)用FEQ程序?qū)蛑Ъ袅M(jìn)行平面有限元分析,程序采用三角形單元,自動劃分(單元控制長度取400mm)[5]??蛑Ъ袅ψ饔邢拊治鰰r,一般取到轉(zhuǎn)換梁以上2~3層即可。由圣維南原理,更高處的情況對托梁受力已影響很小[6]。本工程采用梁式轉(zhuǎn)換,端部轉(zhuǎn)換部分詳見圖1,選擇 軸所在的框支梁柱與剪力墻,取2~5層進(jìn)行分析。
圖6為模型恒載簡圖及配筋結(jié)果文件,轉(zhuǎn)換梁所受荷載為均布荷載 (KN/m)和集中荷載(KN)。圖中(1)…(7)為程序?qū)Ρ鹃瘶?gòu)件劃分的編號,KZL1與KZL2截面尺寸相同。由表4可知,多遇地震下,與SATWE計算結(jié)果相比,F(xiàn)EQ計算得到的框支梁柱的縱筋和剪力墻水平分布筋、邊緣構(gòu)件配筋結(jié)果較大。
表4 小震下FEQ與SATWE配筋結(jié)果對比(cm2)
2.3.1 豎向荷載作用下的工作特點(diǎn)
圖7為模型在豎向恒載作用下的等應(yīng)力線圖。圖中壓應(yīng)力為負(fù)值實(shí)線,拉應(yīng)力為正值虛線,黑線為零應(yīng)力線。
水平應(yīng)力σx:剪力墻水平應(yīng)力σx主要分布在墻高L0(L0為支承框架凈跨的平均值,約3m)范圍內(nèi)。中柱上方存在拉應(yīng)力區(qū),拉應(yīng)力在中柱正上方 最 大 (1.0~2.2Mpa),可 達(dá) 到 (0.2~0.4)q/bw(q為上部結(jié)構(gòu)傳遞到5F的均布荷載,bw為剪力墻厚度)。由于拱的效應(yīng),邊柱上方墻肢底部靠近框支梁處存在較大的壓應(yīng)力(-5.6~-9.7Mpa),可達(dá)到(1~1.6)q/bw??蛑Я核綉?yīng)力σx在下部最大(3.5~5.1Mpa),達(dá)到(0.65~0.8)q/bw。
豎向應(yīng)力σy:剪力墻豎向應(yīng)力σy在4F以上基本均勻分布。由于拱的效應(yīng),豎向應(yīng)力σy在邊柱上方的集中程度大于中柱上方,邊柱上方σy(-8.5~-11Mpa)達(dá)到(1.5~2.1)q/bw,中柱上方σy(-5.4~ -8.5Mpa)達(dá) 到 (0.9~1.5)q/bw。
剪應(yīng)力τxy:剪切效應(yīng)向上傳遞至一定范圍,在墻肢底部引起較大剪應(yīng)力(-1.1~-2.4 Mpa),可達(dá)(0.2~0.4)q/bw,剪力墻剪應(yīng)力τxy主要分布在墻高為L0的范圍內(nèi),4F以上接近于零??蛑Я杭魬?yīng)力τxy在與框支柱的交界處最大(-2.0~-3.8Mpa),可達(dá)(0.3~0.6)q/bw。
2.3.2 在水平力作用下的工作特點(diǎn)
圖8為模型在Y向地震(多遇地震)作用下的等應(yīng)力線圖。Y向地震作用下,在剪力墻底部與框支梁交界處,存在較大的水平應(yīng)力σx、豎向附加應(yīng)力σy和剪應(yīng)力τxy。
水平應(yīng)力σx:剪力墻水平應(yīng)力σx在墻梁交界區(qū)域受水平力作用一側(cè)受拉(1.4~4.3Mpa),另一側(cè)受壓(-0.2~-1.4Mpa)。
豎向應(yīng)力σy:剪力墻豎向應(yīng)力σy從墻肢中部由零向兩邊逐漸增大(一拉一壓),豎向應(yīng)力σy最大值出現(xiàn)在墻肢外側(cè)靠近轉(zhuǎn)換梁的部位,受拉(2.6~4.6Mpa),受壓(-1.3~-2.7Mpa)。Q1、Q2各自獨(dú)立出現(xiàn)拉壓區(qū),沒有出現(xiàn)聯(lián)肢墻共同作用,應(yīng)整體進(jìn)行分析。
剪應(yīng)力τxy:剪力墻剪應(yīng)力τxy在底部靠近轉(zhuǎn)換梁的部位存在應(yīng)力集中(-0.9~-2.2Mpa),墻肢中的剪應(yīng)力由墻肢外側(cè)向內(nèi)側(cè)逐漸增大。
在水平力作用下,框支梁主要承受剪力和彎矩,與普通梁的應(yīng)力分布形式相同。連梁與墻肢交接處水平應(yīng)力σx、豎向應(yīng)力σy和剪應(yīng)力τxy均存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,地震中能很好的消耗地震能。
2.3.3 框支剪力墻共同工作程度
轉(zhuǎn)換梁同其承托的剪力墻形成了一個共同承受彎曲變形的整體及其產(chǎn)生傳力拱都會對轉(zhuǎn)換梁的受力狀態(tài)產(chǎn)生影響[6,7]。
為研究框支剪力墻的共同工作程度,對模型進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,KZL1上一層墻滿跨布置,KZL2上一層剪力墻不變。兩種模型在豎向恒荷載作用下轉(zhuǎn)換梁的內(nèi)力值如表5。對比表中數(shù)據(jù)可知,滿跨墻布置時,KZL1跨中彎矩和剪力明顯變小,軸力變大;KZL2變化不大。非滿跨布置時,框支梁為大偏心受拉構(gòu)件;滿跨墻布置時,剪力墻與框支梁共同作用,形成深梁,表現(xiàn)為拱在KZL1內(nèi)的拉桿作用更強(qiáng),使得軸力變大,彎矩變小。
表5 滿跨墻布置與非滿跨墻布置轉(zhuǎn)換梁內(nèi)力值對比(豎向恒荷載作用下)
采用靜力彈塑性分析方法(Pushover)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震驗算。鋼筋的本構(gòu)關(guān)系采用雙折線模擬,混凝土本構(gòu)關(guān)系采用單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線[8]??蛑Я褐捌胀褐捎美w維束空間桿單元模型,剪力墻為非線性殼單元模型[8]。
樓板剛性假定,初始荷載選用建筑的重力荷載代表值,水平加載模式采用倒三角形側(cè)推荷載,停機(jī)位移取結(jié)構(gòu)高度的1/20,材料強(qiáng)度采用標(biāo)準(zhǔn)值,桿件鉸截面剛度破壞程度和墻高斯點(diǎn)破壞程度指數(shù)均取0.7,框支梁柱采用實(shí)配鋼筋,其余采用計算配筋,放大系數(shù)1.15,并考慮梁柱交接剛域[9]。
2.4.1 結(jié)構(gòu)抗震性能評價
由圖9、圖10可知,能力譜曲線較為平滑,能力曲線和需求曲線存在交點(diǎn),曲線在設(shè)定位移范圍內(nèi)未出現(xiàn)下降段,表明在抗倒塌能力上有較大余地。性能點(diǎn)時最大層間位移角在X、Y向分別為1/363(第21加載步)和1/393(第22步),均小于1/120;X向頂點(diǎn)位移為197.9mm ,基底剪力為18334.1KN,剪重比為7.19%;Y向頂點(diǎn)位移為199.6mm,基底剪力為17639.9KN,剪重比為6.93%。性能點(diǎn)時的X、Y向大震基底剪力分別為小震彈性基底剪力的4.3倍和3.9倍,結(jié)構(gòu)剛度有所退化,仍能滿足“大震不倒”的設(shè)防要求。
2.4.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能
(1)Pushover分析結(jié)果顯示,中間樓層的一些連梁最先出鉸,進(jìn)入彎曲屈服狀態(tài),隨后向底部、頂部樓層發(fā)展。隨著推覆力繼續(xù)施加,剪力墻的連梁普遍進(jìn)入屈服狀態(tài),部分框梁也進(jìn)入屈服狀態(tài),表明結(jié)構(gòu)具有良好的耗能體系。
(2)性能點(diǎn)時,結(jié)構(gòu)外墻及凸出部分角部翼緣局部墻肢出現(xiàn)拉應(yīng)力水平裂縫,裂縫至5層止,個別墻肢的局部部位受剪屈服,但比例極小,受剪截面和抗剪承載力經(jīng)復(fù)核后,均能滿足受剪不屈服要求,不會出現(xiàn)整片墻肢的剪切屈服和破壞。框支梁柱均未出鉸,處于彈性狀態(tài),滿足“關(guān)鍵構(gòu)件”的抗震性能目標(biāo)。
(1)框支柱頂、框支梁均出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象,說明此處最易破壞,需要特別加強(qiáng)。
(2)本著“強(qiáng)剪弱彎”原則,框支梁、柱抗震等級提高一級,框支梁箍筋通長加密,并加強(qiáng)腰筋。
(3)轉(zhuǎn)換層上一層剪力墻水平分布筋、邊緣構(gòu)件配筋加強(qiáng)。
(4)嚴(yán)格控制框支柱軸壓比、剪壓比。
(5)轉(zhuǎn)換層樓板厚180mm,混凝土等級C50,雙層雙向配筋,配筋率不小于0.25%;轉(zhuǎn)換層相鄰上下層板厚、配筋加強(qiáng),以加強(qiáng)轉(zhuǎn)換豎向構(gòu)件約束。
(6)轉(zhuǎn)換梁上部剪力墻盡量滿跨布置,以提高共同工作程度。
(1)在多遇地震作用下,結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于彈性階段,承載能力和變形能力均能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。時程分析與反應(yīng)譜結(jié)果基本一致,符合力學(xué)概念及工程經(jīng)驗,能夠滿足“小震不壞”的抗震性能目標(biāo)。
(2)通過對框支剪力墻采用有限元分析,了解轉(zhuǎn)換構(gòu)件的受力特點(diǎn)及易產(chǎn)生應(yīng)力集中的薄弱部位,指出此類結(jié)構(gòu)重點(diǎn)加強(qiáng)區(qū)域,強(qiáng)調(diào)按應(yīng)力分析結(jié)果校核配筋。
(3)Pushover推覆分析結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)層間彈塑性位移角均小于規(guī)范相關(guān)限值要求,轉(zhuǎn)換構(gòu)件及主要抗側(cè)力構(gòu)件沒有發(fā)生嚴(yán)重破壞,結(jié)構(gòu)各項設(shè)計控制指標(biāo)在罕遇地震作用下滿足性能水準(zhǔn)要求。
1 JGJ3-2010,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.
2 GB50011-2010,建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.
3 李躍,林寶新,陳明.某帶錯層高層剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能分析[J].安徽建筑大學(xué)學(xué)報,2015,23(2):23-29.
4 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點(diǎn)[Z].北京:中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部,2010.
5 中國建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部.高精度平面有限元框支剪力墻計算及配筋軟件FEQ[Z].北京:中國建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部,2010.
6 程曉杰,王文勇.高位寬扁梁轉(zhuǎn)換體系受力及抗震性能分析[J].安徽建筑大學(xué)學(xué)報,2014,22(5):7-12.
7 趙西安.鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].中國建筑工業(yè)出版社,1992.
8 中國建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部.PUSH&EPDA多層及高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性靜力、動力分析軟件用戶手冊[Z].北京:中國建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部,2010.
9 林寶新,王健.合肥某高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2013(6):727-732.
10 林寶新,賈鑫.某帶斜柱框剪結(jié)構(gòu)的抗震性能分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2014(6):713-719.
11 林寶新,張瑞.某平面回字形高層框架結(jié)構(gòu)的抗震性能分析[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2014,22(2):13-18.
12 彭偉,魏文杰.框支剪力墻結(jié)構(gòu)的彈性靜力分析[D].成都:西南交通大學(xué),2008.