第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 某高层建筑结构抗震设计之思考 聂祺,杨韬,罗瑞,唐曹明2 (1.中国建筑科学研究院,北京100013;2.住房和城乡建设部防灾研究中心,北京100013) 提要:某商业中心,地下2层,功能为车库、商业及辅助用房,地上18层,1、2层为商业,3层以上为公寓,为实现育业 层大空间使用需求,商业层部分剪力墙开设洞口,从抗震角度看,剪力墙开设洞口往往容易导致刚度突变,为满足刚度比要 求,落地剪力墙常集中布置在核心简位置,往往刚度过大造成应力集中,容易形成薄弱部位.
对整体结构进行抗震分析,分 析结果表明:商业层核心筒外墙在小震下内力集中,大震作用下结构发展弹塑性以后内力向落地简转移,育业层核心筒外墙 破坏较为严重.
为解决上述问题,对结构方案进行调整,采取如下技术措施:加大商业层独立落地墙肢厚度,减弱落地核心 简厚度,同时弱化核心简上部刚度,并在核心简外墙中部设置结构润.
调整后分析结果表明,育业层核心筒外墙破坏程度大 大减轻,避免形成薄弱部位,说明针对本工程采取的技术措施是有效的,可供同类工程设计参考.
关键词:高层建筑,抗震设计,弹塑性分析,薄弱部位 0引言 对于底部剪力墙开洞框架-剪力墙结构体系,楼层等效刚度比是影响结构抗震性能的主要因素之一,等 效刚度比过小,则下部楼层易形成薄羽层,反之,等效刚度比过大,则上部楼层墙体易于破坏,因此底部 剪力墙的数量和布置就成为这类底部剪力墙开洞框架-剪力墙结构设计中的关键问题,本文针对某具体 工程对底部剪力墙的数量及均匀性进行分析及调整,并给出相关建议,供类似工程设计参考.
1工程概况 某商业中心,由18层主楼和2层裙房组成,主楼及 裙房均设2层地下室,总建筑面积约为40000m²,主楼总 高度为75m,平面尺寸为83mx19m,其中地下2层为车 库,地下1层为商业及辅助用房,主楼及裙房地上1、2 层为商业,3层以上为公寓,主楼高宽比为3.9,长宽比为 4.3,工程效果图如图1所示.
2结构选型及方案比选 本工程建筑平面长宽比较大,纵横向刚度差别较大, 图1工程效果图 不利整体扭转,且平面长度超过规范限值,若分缝将给建 筑造成不利影响,因此不设置结构缝,整体结构采用一个结构单元,结合建筑平面及功能要求,对称均匀 布置剪力墙,重点把剪力墙布置在短向以增加其侧向刚度,为增强结构抗扭刚度,于建筑物两侧楼梯间、 电梯间周边设置剪力墙形成双核心筒,最终两个主轴方向的结构刚度和动力特性相近,具有较好的抗震性 能,能满足建筑要求,使得建筑造型得以实现.
为满足底层商业大空间的建筑功能需求,电梯间和楼梯间周边的剪力墙筒上下对齐落地,周边框架柱 两侧翼墙亦对齐落地,其余内部剪力墙在商业楼层开设洞口,为满足商业层和公寓层的层刚度比要求,对 上部墙体的布置进行弱化以取得尽可能合理的侧向刚度比,为提高商业楼层的整体性,提高非落地墙的内 作者简介:聂横(1977-),男,博士,副研究员
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 力传递的可靠性,将商业层与公寓层之间楼板厚度取为200mm,配筋率为0.3%.
商业层及公寓层的结构 平面布置图详见图2及图3.
图2商业层平面布置图 图3公寓层平面布置图 3结构计算分析 3.1侧向变形 多遇地震作用下主楼结构楼层位移如图4所示,层间位移角如图5所示,由图4可知,结构的侧向变 形特征为典型的弯剪变形特征,说明框架和剪力墙部分的刚度特征值较为合理.
由图4及图5可知,楼层 侧向位移及、层间位移角曲线均较为平缓,商业楼层与公寓楼层交接部位没有明显的刚度突变,无结构薄 弱层存在,说明本工程对刚度的控制措施和方法是有效的.
29 20 8. 鸡 18 I6 14 14 I2 12 0.001 受层位移(=) 层间位移角(rod) 图4地震作用下楼层位移 图5地震作用下楼层层间位移角 3.2关键剪力墙分析 以首层核心筒外墙W-1为例(位置如图2所示)进行分析,剪力墙构件单工况内力及组合内力计算结果 见下表.
从表中可以看出,多遇地震作用下墙肢组合轴力为拉力,构件设计为拉弯构件设计.
原因在于8 度地震作用较大,同时核心筒刚度过大.
落地开洞剪力墙所承担的内力转移到落地核心筒,导致核心简外 墙处于不利的拉剪、弯受力状态,在地震作用下易导致脆性破坏,延性较差.
为验证关键竖向构件的抗震性能,进行大震动力弹塑性时程分析4516,罕遇地震作用后核心简外墙 混凝土受压损伤因子分布如图6所示.
从图6可以看出,大震作用下商业层核心简外墙混凝土最大受压损 伤因子达到0.9,说明墙肢出现严重破坏.
墙肢破坏首先从中部开始,逐渐向墙肢外边缘扩展,最终受压
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 表首层核心简外墙W-1内力 方案修改前 方案修改后 墙胶 X向地震内力 组合内力 X向地震内力 组合内力 N M A N W V N M A N M A W-1 1639 3749 4735 注:轴力、剪力单位:kN,弯矩单位:kNm,方案修改后内力为结构润口两侧单个墙股内力.
损伤因子达到0.9的区域超过墙肢宽度的1/2,破坏较为严重.
综合来看,墙肢破坏机理均为拉伸、剪切破 坏,属于脆性破坏,构件延性较差.
而公实层核心筒外墙墙体受压损伤因子小于0.5,破坏较轻,说明商 业层核心筒塑性变形集中较为严重,形成薄弱部位.
因此,与建筑专业协调,对结构方案做出调整,加大 开洞剪力墙落地墙的厚度,尽可能增加落地墙长度:去掉部分核心简内墙,将上部公寓层核心简墙体厚度 图6方案调整前核心筒外墙损伤图 图7方案调整后核心简墙股损伤图 减薄,同时在核心筒横向外墙中部开设结构洞口,通过调整墙体翼缘长度使得洞口上方连梁跨度适中,这 样即可避免刚度过分减小又可以使得配筋较为经济.
方案调整后墙肢内力见表1,由表1可见,墙肢的拉 力及弯矩大大降低,受力状态趋于合理,有效的调整了构件的破坏机理,提高了构件延性.
方案调整后进 行大震弹塑性分析,大震作用下核心筒外墙破坏情况分析结果见图7,由图中可见方案调整后核心简外墙 的破坏部位由墙肢破坏调整为连梁破坏,破环机理及部位较为合理,避免了竖向关键构件集中破坏的问题.
方案调整前A轴交4轴剪力墙洞口墙肢破坏情况见图8,从图中可以看出,混凝土受压损伤因子达到 0.8且集中在中部,破坏较为严重.
将墙肢厚度由400mm调整为600mm,调整后分析结果见图9,从图可 ▪ -1.0) 图8方案调整前开洞剪力墙损伤分布图 图9方案调整后开洞墙损伤分布图 以看出,墙肢加厚以后墙肢受压损伤因子为0.4,说明增加墙肢厚度有改善了墙肢的破坏程度,可用于施 3
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 工图设计.
4结论及设计建议 本文对某高层结构进行了抗震性能分析,可以得到以下结论供类似工程参考: 1)对于底部剪力墙开洞框架-剪力墙结构体系,底部独立落地剪力墙和核心筒落地剪力墙的刚度比例 关系要合理,尽量增加落地独立墙所占比例,以防止核心筒应力集中成为薄弱部位.
2)落地核心筒由于应力集中,外墙长度超过8m很容易导致剪切破坏,开设结构润口可将其破坏机理 由墙肢剪切破坏转化为连梁剪切破坏,以形成合理的耗能机制.
3)剪力墙开设洞口以后,洞口单侧墙肢破坏较为严重,采取相应技术措施(增加墙厚)有效的降低构件 的破坏程度.
参考文献 [1]GB50011-2010.建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010. [2]JGJ3-2011.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,2010. [4]聂祺高层钢箭混凝土结构非线性动力时程分析研究[D]北京,中国建筑科学研究院.博士学位论文2009. [5] LUBLINER J OLIVER J OLLER S et al. A plastic damage model for concrete[ J . Interational J. of Solids and Structures 1989 25( 2) .102-113 [6] LEE J FENVES G L. Plastic damage model for cyelic loading of concrete structures[ J]. JI. of Engineering Mechanics 1998 124(8) .204-216