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卓越維港名苑別墅異形柱與短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2014-05-30 17:40:43文靜
中華民居·學(xué)術(shù)版 2014年9期
關(guān)鍵詞:短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘 要:卓越維港名苑聯(lián)排別墅為深圳市高檔別墅群,主體結(jié)構(gòu)地下一層,地上三層,局部地上4層。為滿足建筑對(duì)平面和空間的要求,本項(xiàng)目采用異形柱與短肢剪力墻結(jié)合的框剪結(jié)構(gòu),本文對(duì)設(shè)計(jì)中的一些問(wèn)題,如計(jì)算方法、受力性能及其軸壓比控制等進(jìn)行探討,提出建議,供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員參考。

關(guān)鍵詞:異形柱;短肢剪力墻;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

近年來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,人們對(duì)住宅平面與空間的要求也越來(lái)越高??蚣芙Y(jié)構(gòu)往往因柱楞突出隔墻,妨礙美觀,影響使用效果。而一般剪力墻結(jié)構(gòu),對(duì)于房屋高度不太大的小高層建筑、別墅,會(huì)造成剛度過(guò)大,重量增加,導(dǎo)致地震反應(yīng)過(guò)強(qiáng),使得上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)造價(jià)提高。為了避免上述缺陷,以一般剪力墻結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),吸取框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),使結(jié)構(gòu)剛度調(diào)整到適宜,因此,異形柱與短肢剪力墻結(jié)構(gòu)能較好的滿足要求。

1 工程概況

卓越維港名苑項(xiàng)目北區(qū)位于深圳市南山區(qū)蛇口東填海區(qū),由4棟高層住宅,1棟聯(lián)排別墅及2棟多層住宅組成。設(shè)計(jì)使用年限50年,抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)地震加速度分組為第一組,設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g,場(chǎng)地土類(lèi)別Ⅱ類(lèi)。其中聯(lián)排別墅為地下一層地上三層,局部四層的框剪結(jié)構(gòu)。

根據(jù)本工程特點(diǎn),從建筑功能、結(jié)構(gòu)抗震性能、工程造價(jià)等方面考慮,結(jié)構(gòu)布置采用異形柱與短肢剪力墻結(jié)合的框剪結(jié)構(gòu)。異形柱采用肢長(zhǎng)600,柱肢厚度200的L型異形柱,短肢剪力墻采用200×1000~1400的一字型剪力墻。

由于地下車(chē)庫(kù)局部架空,層高7.5m,車(chē)庫(kù)部分在負(fù)一層布置了普通框架柱,二層以上轉(zhuǎn)換為異形柱。平面布置中,異形柱和短肢剪力墻均采用均勻?qū)ΨQ(chēng)布置以減小偏心,使剛度和承載力分布均勻。

目前,現(xiàn)行國(guó)家規(guī)范或規(guī)程中已有關(guān)于混凝土異形柱結(jié)構(gòu)的技術(shù)規(guī)程,《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010也對(duì)短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)作出了規(guī)定。本文旨在對(duì)異形柱與短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些問(wèn)題進(jìn)行探討,提出個(gè)人看法,供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員參考。

2 異形柱結(jié)構(gòu)型式及其計(jì)算

異形柱是指截面幾何形狀為L(zhǎng)型、T型或十型,且各肢最小截面寬度小于300mm的柱。異形柱截面各肢肢高與肢厚之比不應(yīng)大于4,且肢厚不應(yīng)小于200mm,肢高不應(yīng)小于500mm。由于異形柱截面形心往往與柱肢中軸線不重合,在水平荷載作用下,水平力通過(guò)與柱肢等寬的框架梁傳至柱肢中軸線上,使柱雙向偏心受壓,并產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩。對(duì)于L形柱,在柱肢軸線不通過(guò)柱截面彎曲中心的情況下,由于彎曲扭轉(zhuǎn)力矩的作用,柱截面產(chǎn)生扇性剪應(yīng)力及扇性垂直應(yīng)力(翹曲應(yīng)力),因此,整體計(jì)算分析時(shí),須按空間體系考慮和采用彈性方法。

在本工程中,我們采用PKPM系列之《多高層空間有限元分析軟件SATWE》進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,計(jì)算精度較高。在使用SATWE計(jì)算時(shí),應(yīng)注意以下參數(shù)選擇:①框架抗震等級(jí):7度區(qū)H≤22mm時(shí)為三級(jí)抗震。②梁柱剛性連接,電算時(shí)應(yīng)注意:由于混凝土異形柱的柱肢較長(zhǎng),梁柱重疊部分較大,因此須點(diǎn)取“梁柱重疊部分作為剛域”進(jìn)行計(jì)算。③柱雙偏壓:異形柱是雙偏壓桿件,須采用雙偏壓計(jì)算。④調(diào)整系數(shù):現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)中梁剛度放大系數(shù)2.0,邊梁剛度放大系數(shù)1.5,框架結(jié)構(gòu)周期折減系數(shù)0.6~0.7。⑤對(duì)全樓強(qiáng)制采用剛性樓板假定。

3 異形柱的受力性能及其軸壓比控制

異形柱的延性比普通矩形柱的差。軸壓比、高長(zhǎng)比(即柱凈高與截面肢長(zhǎng)之比)是影響異形柱破壞形態(tài)及延性的兩個(gè)重要因素。異形柱由于多肢的存在,其剪力中心與截面形心往往不重合,在受力狀態(tài)下,各肢產(chǎn)生翹曲正應(yīng)力和剪應(yīng)力。由于剪應(yīng)力,使柱肢混凝土先于普通矩形柱出現(xiàn)裂縫,即產(chǎn)生腹剪裂縫,導(dǎo)致異形柱脆性明顯,使異形柱的變形能力比普通矩形柱降低。異形柱的延性比普通矩形柱的差,作為異形柱延性的保證措施,必須嚴(yán)格控制軸壓比,同時(shí)避免高長(zhǎng)比小于4(短柱)??刂浦孛孑S壓比的目的,在于要求柱應(yīng)具有足夠大的截面尺寸,以防止出現(xiàn)小偏壓破壞,提高柱的變形能力,滿足抗震要求?!痘炷廉愋沃Y(jié)構(gòu)規(guī)程》JGJ149-2006中6.2.2條也對(duì)異形柱的軸壓比限值做了明確規(guī)定。

4 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)及其計(jì)算

短肢剪力墻是指墻肢截面高度為厚度的5~8倍的剪力墻。和一般剪力墻相比,短肢剪力墻的優(yōu)點(diǎn)在于:

(1)墻肢較短,布置靈活,可調(diào)整性大,容易滿足建筑平面的要求。

(2)減少剪力墻而代之以輕質(zhì)砌體,結(jié)構(gòu)自重相應(yīng)減輕,從而減小結(jié)構(gòu)整體剛度,增大振動(dòng)周期,降低地震作用力。

(3)墻肢高寬比較大,延性較好,對(duì)抗震有利。

(4)墻肢的承載力得到較充分發(fā)揮。

對(duì)短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算,基本上與普通剪力墻結(jié)構(gòu)分析相同,可采用三維桿——系簿壁柱空間分析方法(TBSA、TAT)或空間桿——墻組元分析方法(TBSSAP、SATWE)。其中空間桿墻組元分析方法計(jì)算模型更符合實(shí)際情況,精度較高。目前國(guó)內(nèi)大多采用中國(guó)建研院系列軟件中的TAT和SATWE來(lái)計(jì)算。

本工程所采用的計(jì)算程序SATWE是專(zhuān)門(mén)為多高層建筑結(jié)構(gòu)分析而研發(fā)的空間組合結(jié)構(gòu)有限元分析軟件,適用于各種復(fù)雜體型的高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系計(jì)算。SATWE是以殼元理論為基礎(chǔ)構(gòu)造一通用的超單元墻元為模擬剪力墻,它不僅具有平面內(nèi)剛度,也具有平面外剛度,可以較好地模擬剪力墻的受力狀態(tài)。而且墻元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有空間6個(gè)自由度,可方便地與任意空間梁柱單元連接,無(wú)需任何附加約束。SATWE給樓板4種簡(jiǎn)化假定,即假定樓板整體平面內(nèi)無(wú)限剛、分塊無(wú)限剛、分塊無(wú)限剛帶彈性連接板帶和彈性樓板。

5 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題

(1)嚴(yán)格控制短肢墻的軸壓比,尤其是無(wú)翼緣或端柱的一字形短肢剪力墻。目前,根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果,在承受壓彎作用的剪力墻中,當(dāng)處于小偏壓狀態(tài)時(shí),墻的延性較差。不僅如此,即使在大偏壓狀態(tài)下,若軸壓比較大,混凝土受壓區(qū)的邊緣應(yīng)力很高,如果混凝土沒(méi)有約束或約束不夠,可能混凝土先達(dá)到極限壓應(yīng)變,出現(xiàn)豎向裂縫,甚至壓碎,使構(gòu)件喪失變形能力和承載能力。因此,在設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)嚴(yán)格控制短肢墻的軸壓比,以保證短肢墻的延性。

(2)應(yīng)采取三維計(jì)算方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性分析和桿件內(nèi)力計(jì)算。這時(shí)對(duì)于豎向構(gòu)件又有薄壁桿模型與墻元模型,前者是一種簡(jiǎn)化模型,但精確度較低;后者是板元與膜元的組合,是一種高精度力學(xué)模型。

(3)由于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)相對(duì)于普通剪力墻結(jié)構(gòu)其抗側(cè)剛度相對(duì)較小,設(shè)計(jì)時(shí)宜布置適當(dāng)數(shù)量的長(zhǎng)墻,或利用電梯,樓梯間形成剛度較大的內(nèi)筒,以避免設(shè)防烈度下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大的變形,同時(shí)也形成兩道抗震設(shè)防。

(4)各墻肢分布要盡量均勻,使其剛度中心與建筑物的形心盡量接近;抗震設(shè)計(jì)中,簡(jiǎn)體和一般剪力墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩不宜小于結(jié)構(gòu)底部地震傾覆力矩的50%,必要時(shí)也可以通過(guò)增加長(zhǎng)肢墻的方法調(diào)整剛度中心位置。

(5)小高層住宅在設(shè)計(jì)時(shí),為避免連梁剪切破壞先于彎曲破壞,應(yīng)滿足強(qiáng)剪弱彎的要求;不宜采用窗下墻作為連梁,因?yàn)榇跋聣Ω叨群艽?,形成剛度很大的剪切塊,不利于結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì),所以,宜將連梁設(shè)計(jì)成為截面、剛度較小的弱連梁。

6 結(jié) 語(yǔ)

作為框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)體系的分支,異形柱和短肢剪力墻結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)布置方面的靈活性,在別墅及小高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中已被廣泛采用。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)結(jié)合住宅特點(diǎn),運(yùn)用抗震概念設(shè)計(jì)的原則,采取有效的抗震措施,注重細(xì)部設(shè)計(jì),從而做到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全、經(jīng)濟(jì)、適用。

作者簡(jiǎn)介:文靜,女。

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