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摘要：本文根据对工程实际的研究，分析和讨论了边框框架对板柱剪力墙结构产生的影响，有一定的参考价值。
关键词：边框框架；板柱剪力墙结构
中圖分类号：TU323文献标识码： A
1 工程背景
本项目地下1层,地上5层,屋顶结构标高为17.500 m。抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度为0.20 g,设计地震分组为第一组,场地类别为Ⅲ类,场地卓越周期为0.45 s。本结构体系地下为框架剪力墙体系,基础采用梁筏式整体基础,并采用天然地基。地上结构为现浇钢筋混凝土带边框的板柱-剪力墙。工程实景照片如图1所示,每个建筑具有典型体块组合而成,典型体块模型三维简图如图2所示。平面布置简图如图3所示。
2 分析模型
模型基本跨度如图3所示为7.2、8.4 m,最大为10.8 m,楼盖厚度为300 mm,不设柱帽,中央框架柱尺寸为600 mm×600 mm,边榀框架柱尺寸为300 mm@600 mm及600 mm@600 mm,边榀框架梁为300 mm@700 mm,剪力墙厚度为200 mm。混凝土强度等级:楼盖及框架梁为C30;框架柱及剪力墙为C40。
分析模型采用四种工况:A.边榀为密柱式框架;B.边榀为非密柱式框架;C.边榀为密柱无框架梁;D.边榀为非密柱式无框架梁。分析软件采用通用有限元软件SAP2000,无梁楼盖及剪力墙采用壳单元模拟,框架梁柱采用线单元模拟。对上述四种模型进行反应谱分析。
3 计算结果
3.1 结构模态分析
A~D工况的结构模态如表1所示。
由表1可知,边榀不设边梁较之设边梁第一周期的增长幅度为11%~18%,边框柱约密,增长幅度越大,说明边框梁对整体结构水平刚度有较大贡献。
3.2 基底剪力分析
在设计反应谱下的各工况基底剪力比较如图4所示,工况A的基底剪力最大,工况D的基底剪力最小。当周边设置边框梁且布置密柱时,双方向水平刚度接近,基底剪力只相差约8%。由于边框梁的存在,相同框架柱布置时,X向基底剪力提高13%~21%,说明对结构整体水平刚度有较大幅度增强。Y向由于剪力墙较多,边框的影响较小。
3.3 层间位移分析
各工况设计反应谱下的最大层间位移响应如图5、图6所示。
由图5可知,相同框架柱情况下,带边框梁工况的X向层间位移均小于不设边框梁情况,随楼层层数的增加层间位移的增幅越大。由图6可知,由于Y向的剪力墙刚度较大,边框刚度贡献不明显,各工况的层间位移基本接近。
3.4 边框承担的基底及楼层剪力分析
板柱结构不仅抗侧刚度小,其板柱连接自身的抗震性能亦较差,导致板柱结构抗震性能较弱。在GB 50011-20115建筑抗震设计规范6中规定,房屋周边和楼、电梯洞口周边应采用有梁框架,并且抗震墙按承担100%地震作用进行设计,在新版的GB50011-20105建筑抗震设计规范6中对板柱-剪力墙结构的要求适当放松。
各工况的边框框架柱承担的水平地震剪力及比例情况如表2~表9所示。
从表2~表9可以看出,X向剪力墙刚度较弱,边框承担的地震剪力比例较大,尤其是工况A,边框承担的基底剪力达到38%,可以大大分担剪力墙承担的地震剪力。按照GB 50011-20105建筑抗震设计规范6规定,超过12 m的板柱剪力墙结构,抗震墙应承担100%的地震水平剪力,按此原则进行设计可大大提高结构的安全储备。
3.5 边框对重力荷载的影响分析
板柱结构的重力荷载分析有等代框架法和有限元法,应用有限元法对重力荷载引起的竖向变形及应力分布进行分析后发现,边框框架刚度对局部应力重分布有一定影响。以工况A和工况B的恒荷载分析为例,楼盖应力云图如图7、图8所示。弹性计算结果显示,工况A最大拉应力为4.88N/mm2,最大压应力7.45N/mm2;工况B最大拉应力为2.60 N/mm2,最大压应力7.55 N/mm2。二者最大压应力接近,但工况A的最大拉应力已超过混凝土抗拉强度,在设计时应考虑边框梁引起的局部应力变化。
4 结 论
1)板柱-剪力墙结构体系虽属抗震性能较差的结构体系,但通过合理的布置边框框架,适当提高边框框架侧向刚度,可以有效的提高结构的整体抗震性能。
2)适当增强边框框架刚度可有效减小结构楼层位移及转角。
3)边框框架刚度提高后,虽然基底剪力会有所增大,但框架部分承担的剪力也将增加,当抗震墙按承担100%地震作用设计时,可大大加强结构的安全储备。
4)边框框架对重力荷载的分布有一定影响,边框附近的楼盖拉应力有所提高,设计中应当引起重视,进行配筋加强,限制楼板开裂。
参考文献
[1]刘文珽,姚谦峰.重力荷载对板柱连接抗震性能影响的分析[J].工业建筑, 2009,39(5): 33-38.
[2]董欣,吴强.板柱-剪力墙结构的动力特性分析[J].世界地震工程, 2007,23: 130-133.
[3]吴强,程文瓖.边梁对板柱结构侧向刚度影响的研究[J]建筑结构, 2006,36: 34-36.
[4] GB 50011-2001 建筑抗震设计规范[S].
[5] GB 50011-2010 建筑抗震设计规范[S].
关键词：边框框架；板柱剪力墙结构
中圖分类号：TU323文献标识码： A
1 工程背景
本项目地下1层,地上5层,屋顶结构标高为17.500 m。抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度为0.20 g,设计地震分组为第一组,场地类别为Ⅲ类,场地卓越周期为0.45 s。本结构体系地下为框架剪力墙体系,基础采用梁筏式整体基础,并采用天然地基。地上结构为现浇钢筋混凝土带边框的板柱-剪力墙。工程实景照片如图1所示,每个建筑具有典型体块组合而成,典型体块模型三维简图如图2所示。平面布置简图如图3所示。
2 分析模型
模型基本跨度如图3所示为7.2、8.4 m,最大为10.8 m,楼盖厚度为300 mm,不设柱帽,中央框架柱尺寸为600 mm×600 mm,边榀框架柱尺寸为300 mm@600 mm及600 mm@600 mm,边榀框架梁为300 mm@700 mm,剪力墙厚度为200 mm。混凝土强度等级:楼盖及框架梁为C30;框架柱及剪力墙为C40。
分析模型采用四种工况:A.边榀为密柱式框架;B.边榀为非密柱式框架;C.边榀为密柱无框架梁;D.边榀为非密柱式无框架梁。分析软件采用通用有限元软件SAP2000,无梁楼盖及剪力墙采用壳单元模拟,框架梁柱采用线单元模拟。对上述四种模型进行反应谱分析。
3 计算结果
3.1 结构模态分析
A~D工况的结构模态如表1所示。
由表1可知,边榀不设边梁较之设边梁第一周期的增长幅度为11%~18%,边框柱约密,增长幅度越大,说明边框梁对整体结构水平刚度有较大贡献。
3.2 基底剪力分析
在设计反应谱下的各工况基底剪力比较如图4所示,工况A的基底剪力最大,工况D的基底剪力最小。当周边设置边框梁且布置密柱时,双方向水平刚度接近,基底剪力只相差约8%。由于边框梁的存在,相同框架柱布置时,X向基底剪力提高13%~21%,说明对结构整体水平刚度有较大幅度增强。Y向由于剪力墙较多,边框的影响较小。
3.3 层间位移分析
各工况设计反应谱下的最大层间位移响应如图5、图6所示。
由图5可知,相同框架柱情况下,带边框梁工况的X向层间位移均小于不设边框梁情况,随楼层层数的增加层间位移的增幅越大。由图6可知,由于Y向的剪力墙刚度较大,边框刚度贡献不明显,各工况的层间位移基本接近。
3.4 边框承担的基底及楼层剪力分析
板柱结构不仅抗侧刚度小,其板柱连接自身的抗震性能亦较差,导致板柱结构抗震性能较弱。在GB 50011-20115建筑抗震设计规范6中规定,房屋周边和楼、电梯洞口周边应采用有梁框架,并且抗震墙按承担100%地震作用进行设计,在新版的GB50011-20105建筑抗震设计规范6中对板柱-剪力墙结构的要求适当放松。
各工况的边框框架柱承担的水平地震剪力及比例情况如表2~表9所示。
从表2~表9可以看出,X向剪力墙刚度较弱,边框承担的地震剪力比例较大,尤其是工况A,边框承担的基底剪力达到38%,可以大大分担剪力墙承担的地震剪力。按照GB 50011-20105建筑抗震设计规范6规定,超过12 m的板柱剪力墙结构,抗震墙应承担100%的地震水平剪力,按此原则进行设计可大大提高结构的安全储备。
3.5 边框对重力荷载的影响分析
板柱结构的重力荷载分析有等代框架法和有限元法,应用有限元法对重力荷载引起的竖向变形及应力分布进行分析后发现,边框框架刚度对局部应力重分布有一定影响。以工况A和工况B的恒荷载分析为例,楼盖应力云图如图7、图8所示。弹性计算结果显示,工况A最大拉应力为4.88N/mm2,最大压应力7.45N/mm2;工况B最大拉应力为2.60 N/mm2,最大压应力7.55 N/mm2。二者最大压应力接近,但工况A的最大拉应力已超过混凝土抗拉强度,在设计时应考虑边框梁引起的局部应力变化。
4 结 论
1)板柱-剪力墙结构体系虽属抗震性能较差的结构体系,但通过合理的布置边框框架,适当提高边框框架侧向刚度,可以有效的提高结构的整体抗震性能。
2)适当增强边框框架刚度可有效减小结构楼层位移及转角。
3)边框框架刚度提高后,虽然基底剪力会有所增大,但框架部分承担的剪力也将增加,当抗震墙按承担100%地震作用设计时,可大大加强结构的安全储备。
4)边框框架对重力荷载的分布有一定影响,边框附近的楼盖拉应力有所提高,设计中应当引起重视,进行配筋加强,限制楼板开裂。
参考文献
[1]刘文珽,姚谦峰.重力荷载对板柱连接抗震性能影响的分析[J].工业建筑, 2009,39(5): 33-38.
[2]董欣,吴强.板柱-剪力墙结构的动力特性分析[J].世界地震工程, 2007,23: 130-133.
[3]吴强,程文瓖.边梁对板柱结构侧向刚度影响的研究[J]建筑结构, 2006,36: 34-36.
[4] GB 50011-2001 建筑抗震设计规范[S].
[5] GB 50011-2010 建筑抗震设计规范[S].