概述
1. 建筑功能需要,在高度比較高的首層平面約中間層高位置設置一夾層,夾層平面面積占首層平面面積比例大小不一,如下圖所示:
圖1-1
圖1-2
圖1-3
1-4
2. 在結構設計時,規范對結構的某一些整體指標是以“層”為基準,要求自然層樓板基本完整,具有一定的平面內剛度來協調各豎向構件共同工作,自然層各豎向構件按一整體進行考慮;
3. 規范對于“側向剛度比”、“位移比”和“抗剪承載力比”等指標均以“層”為基準,對于結構“層”不明顯的結構,統計的指標沒有實質意義。
4. 當夾層平面面積占首層平面面積比例大小不同,指標統計方法也不盡相同,下面參考一些資料如下:
(1)上海市工程建設規范《建筑抗震設計規程》DGJ08-9-2013第3.4.4條條文說明:
(2)四川省超限高層建筑抗震設計圖示:
盡管兩本資料規定不完全相同,但其概念基本是一致,當夾層面積占比較小時,如1-3三維視圖所示,指標統計時夾層不能按一結構層來計算,應把夾層樓板下和夾層樓板上合并為一結構層來對待,如圖4-2所示;當夾層占比較大時,如1-1三維視圖所示,夾層樓板下和夾層樓板上分別作為一結構層來對待,如圖4-3所示。
圖4-2
圖4-3
位移比
5. 對于位移比的計算的假定要求可參照一些規范,如廣東省標準《高層建筑混凝土結構技術規程》DBJ/T15-92-2021第3.4.4條,如圖5-1所示;《建筑抗震設計規范》GB50011-2010第3.4.3條條文說明,如圖5-2所示;上海市工程建設規范《建筑抗震設計規程》DGJ08-9-2013第3.4.4條條文說明,如圖4-1所示。
圖5-3在兩柱頂加兩個X正向水平力500KN ,圖5-4為采用“不強制采用剛性樓板假定”參數計算的水平位移圖,圖5-5為采用“對所有樓層采用強制剛性樓板假定”參數計算的水平位移圖,兩種計算結果完全不同,設計時應意識到不同的計算假定對計算結果的影響,根據實際情況而定。
圖5-5
綜合以上,位移比可分塊剛性板進行計算,而不限于計算模型全層剛性板假定,比如三維視圖1-4,夾層樓蓋處位移比統計時,按左和右兩塊剛性樓板分別計算位移比,并且軟件參數設置中應選擇“不強制采用剛性樓板假定”,分塊剛性樓板功能在前處理板屬性指定。
6. 以一簡單算例進行計算說明,計算條件如下:
(1)各層層高均為4000mm,共6層(含夾層),柱網尺寸為6000mmx6000mm;
(2)柱截面尺寸為500mmx500mm,梁截面為250mmx500mm,板厚120mm;
(3)梁板柱混凝土強度等級均為C30;
(4)梁上線荷載為10KN/M,板恒荷載為1.5Kpa,活荷載為2.5Kpa,基本風壓0.65 Kpa,B類場地;
(5)地震動參數:7度0.1g,一組二類場地;
(6)模型三維視圖如下圖;
(7)軟件參數設置中選擇“不強制采用剛性樓板假定”,以確保為分塊剛性板,而不是全層剛性板假定;
7. YJK軟件位移比計算結果如下所示
對于夾層,YJK軟件統計出來的位移比包括了ACDF區域,此位移比是沒有實質意義的,夾層正確的位移比只需統計BCDE區域即可,提取夾層Y正偏規定水平力Y向水平位移,下圖所示:
手工復核,夾層樓層與層間正確位移比應該是
而YJK軟件計算的位移比為
YJK軟件結果是不正確的,因為軟件統計的平面范圍不正確。
提取二層和夾層Y正偏規定水平力Y向水平位移,下圖所示:
二層樓層位移比計算:計算對象為上圖的左圖青色兩柱。
最大位移為12.53mm,最小位移為5.73mm
手工復核,二層樓層位移比
YJK軟件計算的位移比也為1.37,兩者相等,因為手工與軟件統計的平面范圍一致。
二層層間位稱比計算:計算對象為上圖的右圖青色兩柱,應與下層樓蓋范圍相對應。
最大位移為8.28-3.45=4.83mm,最小位移為5.73-2.31=3.42mm
手工復核,正確的二層層間位移比應該是
而YJK軟件計算的位移比為
YJK軟件結果是不正確的,因為軟件統計的平面范圍不正確。
8. 位移比小結:
(1)位移比可分塊剛性板進行計算,而不限于計算模型全層剛性板假定,分塊剛性樓板功能在前處理板屬性指定(平板默認為剛性板)。
(2)對于帶夾層結構的位移比統計時,僅需對有樓板的區域進行統計,無樓板僅有柱節點的區域無需統計,故,需要手工復核每塊剛板位移比,而不能采用軟件計算結果。
側向剛度比
9. 當夾層面積占比比較小時,應采用并層的側向剛度,即把夾層樓板下層和夾層樓板上層合并為一層計算側向剛度,再與上層側向剛度進行對比,而不能把夾層與上層進行側向剛度對比,如下圖所示:
側剛比分層模型方法:夾層按一標準層輸入,需要手工復核側向剛度比。
下圖為分層模型計算的側向剛度
模型一層與模型二層X向剛度比為3.8111/2.7091=1.407
模型一層與模型二層Y向剛度比為4.4936/2.5845=1.739
誤判一層為非軟弱層,計算結果有誤
為避免提取質心位移值的麻煩,簡化處理,參照MIDAS Building結構大師計算原理說明書,側向剛度采用地震剪力與非偶然偏心平均位移比值進行計算,如下圖所示:
提取各樓層地震剪力如下圖所示:
提取各樓層位移如下圖所示:
一層(合并樓層)X向側向剛度:力/平均位移=1555.87/10.03=155.122
一層(合并樓層)Y向側向剛度:力/平均位移=1413.68/10.06=140.525
二層X向側向剛度:力/平均位移=1356.82/3.94=344.371
二層Y向側向剛度:力/平均位移=1233.84/4.38=281.699
一層(合并樓層)與二層X向剛度比為155.122/344.371=0.450
一層(合并樓層)與二層Y向剛度比為140.525/281.699=0.499
由以上結果可知,一層為軟弱層
側剛比并層模型方法:把模型1層和模型2層合并為一層,夾層按層間梁輸入,板按層間板輸入(下圖柱子連續不斷開,層高為8000的并層模型)
下圖為采用并層模型計算的側向剛度
一層(合并樓層)與二層X向剛度比為1.4672/3.3534=0.438
一層(合并樓層)與二層Y向剛度比為1.4806/2.9979=0.494
由以上結果可知,一層為軟弱層
并且,手工復核分層模型的一層判斷結果與并層模型判斷結果基本一致,這個才是帶小面積夾層的合理側剛比結果。
10. 側向剛度比小結:
(1)對于帶小面積夾層的結構在側向剛度比判斷時,小夾層不可以當作一樓層,應與下一層合并為一大樓層進行計算判斷。
(2)在計算相鄰樓層側向剛度比時,如果夾層采用分層模型進行整體計算,需要手工復核判斷結構是否為軟弱層,不允許采用軟件的判斷結果;當采用并層模型時,軟件計算的側向剛度比可直接使用。
(3)可根據實際情況需要,采用分層模型或并層模型中的一種進行整體計算,哪個方便建模選哪個。
位移角
10. 帶夾層的結構采用分層模型整體計算時,對于越層柱的位移角統計采用分段的結果是不正確的,應按柱子總高度進行計算。
軟件計算Y向位移角如下圖所示:
提取非偶然偏心非雙向地震位移結果,如下圖所示:
復核軟件計算過程
一層位移角:5.42/4000=1/738,與上圖一致
二層位移角:(13.26-5.42)/4000=1/510,與上圖一致
但是,都是不正確的,越層柱分兩段計算了,該部位層高應為8000,按并層計算才合理。
以下手工復核Y向位移角,提取非偶然偏心非雙向地震位移結果,如下圖所示:
一區位移角:3.14/4000=1/1274
二區位移角:MAX(7.58-3.14,6.36-2.79)/4000=1/901
三區位移角:13.26/8000=1/603
取最不利結果,位移角取為1/603,這個才是合理的位移角
11. 位移角小結:
(1)對于帶夾層結構的位移角,應按樓板范圍、柱子總長度進行分區分別統計。
(2)軟件統計的位移角有誤,需要手工復核,不可直接取用軟件計算結果。
風荷載
12. 以一個新模型采用常規方法和精細化方法分析對風荷載計算的不同。
(1)常規方法:
采用常規方法對風荷載計算時,軟件總是把樓層總風荷載分配到樓層各個節點上進行整體計算,如下圖所示:
(2)精細化方法:
對于樓板完整性不是很好的結構采用常規方法計算就很有問題了,如本算例,在X向正風壓作用下,左側24米通高無樓板相連,X向左側風荷載體型系數為0.8,右側風荷載體型系數為-0.5,總體型系數為1.3,也即是左側將承受全樓0.8/1.3=61.5%的風荷載,如果還采用常規方法計算,這個誤差應該不小。
這個問題可以采用精細化方法進行計算,如下圖參數設置:
精細化方法的風荷載僅直接作用在最左側和最右側表面,中間豎向構件水平力將只能通過樓板傳遞過去,這才是符合真實受力的計算簡圖,在X向風荷載作用下,整體變形圖如下所示,變形形狀符合實際。
13. 風荷載小結:
(1)對于內部高大空擴的結構,風荷載應采用精細化方法進行計算,不能按一般常規結構方法計算。
(2)風荷載只能直接作用在建筑物表面,而不能直接作用于建筑內部,內部只能通過樓板和豎向構件剛度進行傳遞分配。
構件設計
14. 框架柱
對于柱子,軟件可自動識別構件實際長度,如下圖,但有些項目發現識別不出來構件實際長度,高大柱子還是每個都復查一遍穩妥。
15. 剪力墻
(1)分層輸入剪力墻,計算結果如下:每端邊緣構件面積為1428mm2
從以上計算書可發現,墻體計算高度僅一層高度4000mm,其真正的高度應為24000mm,軟件也沒有修改墻體高度的功能,配筋需要手工復核。
(2)僅頂層伸入的剪力墻,通過修改墻底標高下伸,計算結果如下:每端邊緣構件面積為39824mm2
手工復核此墻邊緣構件配筋,按《混混凝土結構設計規范》GB 50010-2010第6.2.15條軸心受壓:
計算長度系數
總配筋面積As=(1210.1*1000/0.9/0.038-2500*200*14.3)/(360-14.3)=81669mm2
墻身配筋面積(0.25%配筋率)As1=(2500-400*2)*200*0.25%=850mm2
每端邊緣構件As2=(81669-850)/2=40410 mm2與軟件結果39824 mm2基本一致,軟件結果無誤。
16. 構件設計小結:
(1)對于越層框架柱,計算長度軟件可以識別,但也有項目發現不能識別的情況,為安全起見,對每根越層柱長度進行復核較為穩妥。
(2)對于越層剪力墻并且按分層輸入時,軟件不能識別實際剪力墻高度,也沒有修改高度的功能,剪力墻配筋和穩定性只能通過手工復核才能使用。
(3)對于越層剪力墻,比較以上兩構件計算書可發現,分層輸入和通過修改墻底標高輸入的剪力墻計算結果相差巨大,可以說分層輸入的計算結果完全是錯的,分層輸入計算配筋很小,穩定性也沒有超限提示。
大震彈塑性分析
17. 以一簡單算例進行計算大震彈塑性計算,計算條件如下:
(1)各層層高均為4000mm,共6層(含夾層),柱網尺寸為6000mmx6000mm;
(2)柱截面尺寸為500mmx500mm,梁截面為250mmx500mm,板厚120mm;
(3)梁板柱混凝土強度等級均為C30;
(4)梁上線荷載為10KN/M,板恒荷載為1.5Kpa,活荷載為2.5Kpa,基本風壓0.65 Kpa,B類場地;
(5)地震動參數:7度0.1g,一組二類場地;
(6)模型三維視圖如下圖;
(7)計算軟件:彈性小震采用YJK計算,大震采用SAUSAGE非線性軟件計算
(8)主要參數如下圖:僅用一條人工波進行計算
18. 帶夾層的本模型有幾個特點:
(1)長柱和短柱數量一樣多,但兩者剛度完全不一樣,水平力主要先由短柱承受,損傷后重新分配于長柱,長柱與短柱抗震能力不能同時發揮作用,被逐個擊破。
(2)長柱偏于左邊,短柱偏于右邊,左側柔右側剛,質心剛心不重合,扭轉會產生附加內力;
(3)在塑性階段短柱損傷過于集中,降低結構變形能力,剛心相對于彈性階段發生較大變化,同樣因扭轉產生附加內力;
19. 下面截些彈塑性分析主要內容圖片
(1)能量圖
(2)大震位移角:Y向位移角已超過規范限值1/50
(3)左下角框架柱頂點時程位移:Y向位移已偏離原點,時程結束后頂點未能回到原點
(4)梁和柱混凝土損傷
(5)梁和柱鋼筋塑性應變:
(6)構件性能狀態:柱重梁輕
20. 大震分析小結:
(1)本算例未能滿足大震要求。
(2)框架柱損壞比較嚴重,梁相對比較輕,未能滿足強柱弱梁要求。
(3)從各時刻損壞視頻中可以看到,損壞是先從右側短柱開始,損傷后剛度退化重分平水平力于長柱,隨后長柱損傷剛度退化又加劇右側短柱,重復循環。