楼梯对超限框架-剪力墙结构抗侧性能影响非线性分析及穿层柱抗侧性能评估

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框架-剪力墙结构因布置灵活、抗侧性能良好等特性在高层建筑中运用广泛。框架-剪力强结构内楼梯与主要抗侧构件剪力墙紧密相连,故楼梯对结构抗侧性能的影响不可忽略。楼梯作为建筑的竖向通道,自身受力性能也极为重要。目前关于楼梯对框架-剪力墙结构抗侧性能影响的研究较少,本文以某超限框架-剪力墙结构为分析对象,着重分析水平地震力下楼梯对框架-剪力墙结构抗侧性能的影响。本文首先通过SATWE和ETABS软件对比分析以验证结构设计可靠性,再采用基于三维实体退化虚拟层合单元非线分析法的有限元程序建立楼梯间开洞、布置楼梯、布置弹性楼梯三个有限元模型,楼梯选用现浇混凝土板式楼梯。三维实体有限元分析结果表明,水平地震力作用下,楼梯能延缓结构进入荷载-位移曲线的水平台阶,较好的提升结构极限承载力及变形能力,结构刚度退化更为彻底。楼梯间剪力墙受楼梯作用影响较大,楼梯显著抑制了墙体钢筋应力的发展及屈服,楼梯间剪力墙所受影响大于其他区域墙体;楼梯对结构框架柱,框架梁钢筋应力亦表现出一定的抑制作用,但作用效果弱于剪力墙。地震作用下楼梯实际起到了斜撑的作用,楼梯梯段板呈现前期受弯后期偏心受拉/受压状态。设计方面,梯段配筋可双向双层拉通;梯梁跨中受到较大水平剪切作用,可加密箍筋以提高梁截面抗剪能力,施工方面应确保施工缝的正确留设。弹性楼梯模型的计算结果表明楼梯提升楼梯间刚度的同时会使得楼梯间承受更大的地震剪力,从而导致结构更易发生破坏,楼梯的加强需合理设计。为满足视野及造型要求高层建筑常于底层设置穿层柱,故超限框架-剪力墙结构内的穿层柱作为关键构件,其抗侧性能需特别关注。采用基于三维实体退化虚拟层合单元非线分析法的有限元程序对结构底部穿层柱和普通柱进行整体性分析,结果表明地震作用下穿层柱内纵向钢筋屈服较普通柱更晚屈服,穿层柱的剪力分配系数随着加载过程逐渐提升。穿层柱较普通柱破坏更晚,可见在地震力作用下,穿层柱不利于充分发挥其在结构整体抗侧性能的作用,在抗震设计中,应予以重视,建议采取提高普通柱的承载力和穿层柱的延性的措施,以改善或加强结构的抗侧性能。上述研究可为超限框架-剪力墙结构抗震设计中准确把握楼梯及穿层柱的影响提供借鉴和参考,从而有助于进一步完善超限框架-剪力墙结构抗震设计理论。
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