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阅读 4283 次 某复杂高层框支梁设计分析

摘要:框支梁是框支结构高层建筑重要的竖向荷载转换结构构件,本文介绍了某框支短肢剪力墙框支梁的分析与设计,着重叙述了该梁的计算分析及相应抗震构造措施等,通过有限元软件对该框支梁的受力特点进行了讨论,可为类似工程提供参考资料。...
 
某复杂高层框支梁设计分析
 
何青峰  王小慧
(中煤西安设计工程有限责任公司,西安710054)
1、工程概况
    框支短肢剪力墙结构是为了满足建筑功能需要而发展起来的一种新型的结构形式。它是将短肢剪力墙结构与框支剪力墙结构相结合的产物,由于短肢墙布置灵活,容易满足建筑平面的要求,结构刚度又不致过大(与全剪力墙结构相比),因而受到建筑师和结构设计人员的青睐,在很多地方被广泛使用。某工程地上23 层、地下2 层,建筑功能分别为:底层甲类核六级人防地下室,地下一层为库房和设备用房,地上1、2层为商用辅助用房及生活配套服务用房,3层以上是住宅公寓;该工程剖面图见如图1,地下及地面1、2层层高为4.50米,其余层高为2.8米,建筑物总高度68.7米。标准层东西总长67.30m,南北总宽15.00m。室内外高差0.30m。建筑物的高宽比为4.6,长宽比为4.5。

    本高层的建筑安全等级为二级,结构设计使用年限为50 年。建筑的抗震设防类别为丙类,抗震设防烈度为7 度,设计地震分组为第一组,设计基本地震加速度为0.15g。场地类别为II类,场地特征周期为0.45s,底部加强区及框支框架的抗震等级为二级,非加强区抗震等级为三级。基本风压为0.50KN/m2,地面粗糙度类别为B 类,基本雪压为0.40kN/m2

    该工程因建筑功能需要导致竖向承重构件不连续,并且上部标准层采用了短肢剪力墙,为传力明确,从结构上设置了部分框支框架,上部结构体系为剪力墙结构,下部为框支短肢剪力墙结构,裙房  为框架结构,主次梁楼盖布置。该楼在三层通过框支框架及转换梁与将层3以上剪力墙传来的竖向内力转换到框支柱上,此种转换形式为梁式转换;框支转换层结构平面布置及标准层结构布置见图2、图3。

2、结构设计
    本工程结构较为规则,底下二层商住用房层高较高,长宽比较大,在水平地震及风荷载作用下结构层质心和刚心偏心较大,导致扭转效应明显,考虑偶然偏心和双向地震作用。对竖向不连续的承重构件,采用部分框支框架进行转换。框支剪力墙结构以转换层为分界,上下两部分的内力分布规律是不同的。在上部楼层外荷载产生的水平力大体上按各片剪力墙的等效刚度比例分配;在下部楼层,由于框支柱与落地剪力墙间的刚度差异,水平剪力主要集中在落地剪力墙上,即在转换层处荷载分配产生突变。转换层楼板承担着上下层剪力重分配的任务;并且由于转换层楼板自身平面内受力很大、面内变形也很大,所以转换层楼板必须有足够的刚度作保证;转换层楼板采用C40 混凝土,厚度180mm。为了协同转换层楼板完成楼层剪力重分配,将转换层上下层楼板也适当加强,取厚度150。对整体结构采用satwe进行三维建模分析计算;抗震计算中,考虑平扭耦联计算结构的扭转效应,振型数18,且应使振型参与质量不小于总质量的90%。按照《高规》[3]3.3.3条运用PMSAP进行时程分析,弹性时程分析时输入地震加速度最大值55cm/s2;初始试算后框支柱截面尺寸800x1000,框支梁截面为700x1400,混凝土强度等级为C45,钢筋等级为HRB400级。结构分析的主要结果见表一。
 
    SATWE 和PMSAP 采用振型反应谱法计算水平地震作用, 计算结果基本吻合,指标基本满足规范要求。最大层间位移角均满足1/ 1000 ;考虑偶然偏心影响的地震作用下,楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移,均小于楼层平均值的1.2,满足规范要求。
 
    SATWE、PMSAP计算周期位移对比表         表一
 
周期
 
楼层层间最大位移与层高之比
第一振型
第二振型
(扭转)
第三振型
X向地震
 
Y向地震
X双向地震
Y双向地震
X风荷载
Y风荷载
Satwe
1.5392
1.1901
1.0454
1/2505
1/1395
1/2504
1/1263
1/9999
1/2059
PMsap
1.5522
1.2071
1..0658
1/2487
1/1470
1/2482
1/1366
1/9885
1/1985
误差
1%
1%
2%
1%
5%
1%
8%
1%
4%
T2/T1=0.7732<0.9 楼层层间最大位移与层高之比均<1/1000
 
3、局部结构应力分析
    通过整体结构线弹性分析后,进行截面配筋设计。在框支转换中,转换构件不仅改变了上部剪力墙对竖向荷载的传力路径,而且将上部抗侧刚度很大的剪力墙转换为抗侧刚度相对很小的框支柱,转换层上下的侧向刚度比很大,易形成结构软弱层和薄弱层,引起地震剪力的剧烈变化,对结构的抗震极为不利;转换部位受力比较复杂。以单片框支剪力墙的实腹转换梁为例,在竖向荷载作用下,框支剪力墙转换层的墙体有拱效应,两支座处竖向应力大,同时有水平向应力(推力),跨中则会出现拉应力。框支梁就像是拱的拉杆,在竖向荷载下除了有弯距、剪力外,还有轴向拉力。分析表明,无论转换梁上部墙体的形式如何,只要墙体存在一定长度,转换梁中的跨中弯矩就会较不考虑上部墙体作用的要小,相应墙体下的转换梁就有一段范围出现受拉区。拉力沿梁全长不均匀,跨中处大,支座处减小。
 
    根据《高规》10.1.5及10.2.10要求对局部部位的结构构件,通过有限元分析对其受力状态进行分析和校核。取E轴一跨框支梁为例,梁截面600x1400,跨度8000mm,采用框支剪力墙有限元分析程序feq对框支梁、框支柱及相邻墙体进行有限元分析。为节约机时间、提高运算效率,计算时取框支梁上部4层内楼层进行计算,根据圣维南原理,对框支梁的受力性能影响较小。
 
    框支梁上下楼层的x 向,y 向应力分布、剪应力应力分布分别如图4 所示,可知σx 应力绝对值最大为9.8MPa,σy向应力绝对值最大为9.3MPa,σxy 绝对值最大为5.5MPa。混凝土材料符合多轴强度要求。

图4 框支梁等应力分布(kPa)
 
4、框支梁配筋设计及抗震措施
    框支梁是转换层中最重要的传力构件之一,通过它将上部剪力墙荷载传递给下部框支柱。框支梁在多数情况下属于偏心受拉构件,同时还承受较大的剪力。如遇梁上墙体开洞位置靠近梁端部,应力集中问题尤为突出;框支梁不仅应同时满足规范对框架梁和框支梁的截面、配筋、配箍要求, 还要通过箍筋加密或梁端加腋等方法加强其抗剪能力。在设计时应留有较多的安全储备,二级抗震等级的框支梁纵筋配筋率不得小于0. 40 %;应配置足够数量的腰筋,腰筋采用D16 ,沿梁高间距不大于200mm ,并且可靠锚入支座内。框支梁受剪很大,而且对于这样的抗震重要部位,更应强调“强剪弱弯”原则,在纵筋已有一定富余的情况下,箍筋更应加强。箍筋不小于Ф12 @100 四肢箍全长加密,配箍率0. 75 %,满足高规框支梁面积含箍率不小于1. 1 ft/ fyv的要求。经计算,梁的底部受力纵筋为14D25,梁的上部受力纵筋为10D25,抗扭纵筋为10D16,箍筋为12@100(6)。
 
    同时本工程从抗震及框支梁抗剪角度对框支梁端部加腋处理,腋角500x250;加腋使转换梁在支座区段的抗剪承载力明显增强,因而可有效减小转换梁的截面高度,同时也可防止转换梁刚度过大,避免转换结构中出现梁刚度接近甚至超过柱刚度而形成不利于抗震的结构形式。
 
5、结论
     框支短肢剪力墙结构因其实用性和布置灵活,将会被广泛的应用于以后的实际工程。文中所述的框支短肢剪力墙属于重要的竖向承重构件,受力典型。通过分析计算和讨论,可以得出如下结论:
 
    (1)对于复杂高层建筑结构体系, 结构概念设计尤为重要;该工程框支框架的
受力较为复杂,通过分析,其设计合理,安全可靠。
    (2)加强转换层及其下部结构刚度,要求转换层及其上下楼层层刚度基本均匀;应尽量强化和提高转换层以及下部结构抗震承载能力。
    (3) 对重要部位和关键构件, 应进行必要有效的局部应力分析, 采取相应的处理措施。采用有限元法分析转换梁及上部墙体的内力、应力, 以此作为设计转换梁和上部墙体的依据。
    (4) 框支梁加腋使梁端塑性铰的位置发生了变化,梁端出现塑性铰的位置从梁上靠近柱边的位置向跨中偏移,更易实现“强柱弱梁,强剪弱弯”的抗震设计原则。
 
参考文献:
[1] 钟树生,祁勇,倪忠,加腋梁式框支短肢剪力墙转换结构试验研究[J].重庆建筑大学学报,2007,29(6).
[2] 沈朝勇,罗学海,黄襄云,陈建秋,金建敏.高层建筑转换层结构的研究现状及发展方向[J].四川建筑科学研究,2010,36(2).
[3] JGJ3—2002高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.
[4] GB50010—2002 混凝土结构设计规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2002.
 
(本文来源:陕西省土木建筑学会  文径网络:文径 尹维维 编辑  刘真 审核)
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