结构不等高嵌固工程计算分析

Calculation and analysis of a typical structure with varied solid ends 1 2 2 Sun Baifeng , Li Haishan , Zhong Yang
( 1 Kunming Hengfeng Architecture Engineering Design Co. , Ltd. , Kunming 650041, China; 2 Yunnan Architecture Design Institute, Kunming 650041, China) Abstract: The solid end of the structure is the starting point of seismic design, and the structure with varied solid ends is a puzzled problem for eng ineers. Based on a rare and typical project, through the comparison and analysis of different calculation methods, the suggestions were given to design. Keywords: varied solid end; seismic design; declining horizon
图5
楼层地震剪力对比
出: 1) 在恒荷载作用下, 三个模型的柱下端 轴力值基本
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单体模型楼层剪力 kN
SATWE 单元 层号 X 8 1 7 6 5 2 4 3 3 2 1 212 55 377 30 499 40 372 02 621 84 754 03 381 49 545 55 反应谱 Y 160 25 288 65 380 85 256 29 508 63 632 63 312 22 451 67 X 196 03 358 32 479 96 345 36 363 74 333 30 344 46 335 64 反应谱 Y 145 95 274 13 365 61 239 28 431 54 412 57 288 18 362 97 X 160 93 301 56 433 27 348 70 359 23 310 94 285 70 304 91 人工波 Y 145 00 263 64 350 69 231 50 414 31 395 54 236 19 335 62 X 192 86 335 73 481 68 316 75 311 40 280 84 297 29 276 30 ETA BS 天然波 1 Y 129 73 239 07 342 35 209 32 387 59 392 90 256 61 305 65 X 195 26 358 97 496 03 330 05 339 92 318 36 369 48 342 25 天然波 2 Y 135 96 272 19 373 69 186 16 370 29 331 49 282 63 421 71 X 183 01 332 08 470 32 331 83 336 85 303 38 317 49 307 82 平均值
1
工程概况 昆明市某高 级 住宅 区, 总 建 筑面 积约 8 万 m2 , 地
处山地, 地面标高介于 1 970 63~ 2 044 58m 之间, 相对 高差 73 95m 。场地类别为 类, 抗震 设防烈 度为 8 度 ( 0 2 g ) , 地震分组为第二组, 抗震设防 类别为丙类。数 段长条形的建筑顺山就势, 由坡脚向坡 顶延伸, 造成结 构的连续不等 高嵌固, 其嵌 固高度 的差 异远大 于建筑 自身高度。典型剖面及结构计算模型简图见图 1, 2。 2 结构分析 初步设计采用 SATWE 程序进行常规 计算, 在初步 设计审查中, 其计算成果的合理性受到 专家质疑, 甲方 随即委托专业咨询公司进行结构技术优化。 面对这样的 一个结 构单 元, 上下 部分 的嵌固 位置 高差近 20m, 而户型是类似叠加别墅 洋房类, 结合地形 连续 退 台、 收 进, 建 筑 抗 震 设 计 规 范 ! ( GB50011 ∀ 2001) [ 1] ( 简称抗震 规范 ) 和 常用 计算 分析 手段都 受到
恒荷载作用下框架柱下端轴力 kN
柱编号 8 7 6 5 PK 51 2 380 3 657 5 630 0 ETABS ETABS ( 整体模型) ( 单榀模型) 55 14 384 81 679 14 647 20 55 60 374 07 654 58 622 77 柱编号 4 3 2 1 PK 480 3 291 9 554 8 486 9 ETABS ( 整体模型) 503 61 262 28 551 21 501 93
表2
ETABS (Biblioteka Baidu单榀模型) 479 25 292 88 546 44 476 04
涵, 该 榀框架为一 个结构系统, 将 该结构系统 划分为 1 ( 层 6~ 8) , 2( 层 3~ 5) , 3( 层 1~ 2) 三个结构单元, 三个 结构单元又包括若干结构构件, 如图 8 所示。
图2 计算模型简图
2 1 基本认识
挑战, 结构设 计需要 新的解 决方 案。有意见 认为 该结 构竖向刚度极不连续, 结构 最大高度 大于 28m, 应该按 复杂高层建 筑处理, 甲方感 到难 以接受。设 置多 条防 震缝是另一思路, 这样 可以减 少每 个结构 单元 内的嵌 固位置高度的变 化幅 度和数 量, 有 利于在 一定 程度上 简化模型[ 2, 3] 。但在该项目 中, 每 一台的 宽度较 小, 设 缝在建筑和结构两方面都会带来较多的 问题。咨询过 程中提出这样一 个指 导性结 构模 型: 倾斜 的地 平线结 构模型( 图 3) 。该 模型 得到 大 多数 专家 的 认同, 即从 本质上该项目应 该仅 仅是一 个低 层建筑, 一个 条件特 殊的低层建筑, 不解决这个问题, 难免就会 如初步设计
表1
Y 136 89 258 3 355 57 208 99 390 73 373 31 258 47 354 32
一致; 2) 在地震作用和竖向荷载作用下, 框架柱下端弯 矩均具有 较好 的一 致性, ETABS 与 PK 的计 算结 果相 近; 两者的基本模型是一致且可行的。 用传统的弯矩分配法进行手算, 也得到和 PK 基本 相同的结果。
构件失效或部分 退出 工作, 对 与其 相连接 的构 件或支 承其上的构件造成不利影响, 严重的会一 起失效, 该构 件即为这些构件的相关构件。 # 分别结算, 嵌 固清 零∃ 分 析方法 的提出 体现 了相 关单元或相关构 件对 结构系 统、 结 构单元 及构 件本身 的影响。以前 例 轴 单 榀 框架 为 例来 说 明其 具 体内
图6
ETABS 时程分析与反应谱分析的楼层地震剪力
图7
ETABS 时程分析与反应谱分析的最大层间位移角
类场地上的实际记录。分析得到的楼 层地震剪力
和最大层间位移角结果见图 6, 7。由图可见, 与常规工 程类似, 时程分 析结果 普遍比 反应 谱法计 算结 果偏小 一些, 采用反应谱法进行设计可以保证安全。 2 4 单元建模分析 随后对结构模 型进 行人工 干预, 在 保证 边界 荷载 基本正确的前提 下, 以 各部分 交叉 投影范 围最 小为原 则, 把建筑分为三 个独立 的结 构单 元, 即 层 6~ 8, 层 3 ~ 5, 层 1~ 2 三部 分, 连 接部 位仅 传递 部分 荷载, 分别 用 ETABS 和 SATWE 进 行计 算比较。鉴 于结 构形 式较 特殊, 也为了充分对比, 同样进行了地震反 应谱分析和 时程分析, 计算结 果见表 1。由 表可见, 对于相 对较规 则的结构, 即层 6~ 8, 单独建模不存在不等高嵌固的问 题, 两者计算结果 相近。 对于 不规 则结构, 层 3~ 5 单 独建模存在不等高嵌固的问题, 层 5 的计 算结果相近, 层 3, 4 计算结 果差异 较大, 且 变化 趋势 与整 体建 模分 析相同; 层 1, 2 单独建模也存在不等 高嵌固的问题, 层 2 的计算结果相近, 层 1 计算结果 差异较 大, 且 变化趋 势与整体建 模分析 相同。因 为单独 建模 时层数 较少, 所以差异相对整体建模时变小。三个单元 的单体模型 分 析结果反映出同样的特点, 即 SATWE 和 ETABS 程序 计算结果很接近, 而一 旦出现 类似 不等高 嵌固 的竖向 构件不连续的问题, 两者的差别就很大, 且 越到下部的 楼层差异程度就越大。 2 5 单榀建模分析 为了进一 步验 证 采用 ETABS 进行 建 模分 析 的正 确性, 通过 PK 模块对单榀框架进行计算。选取轴 单 榀框架, 并选取沿退台方向的 柱子( 编号 1~ 8, 见图 8) 进行比较。 柱下 端轴 力、 弯矩 结果 见 表 2, 3。可 以看
第 40 卷 第 10 期
建
筑
结
构
2010 年 10 月
结构不等高嵌固工程计算分析
孙柏锋 ,
[ 摘要 ]
1
李海山 ,
2
钟
阳
2
( 1 昆明恒锋建筑工程设计有限公司, 昆明 650041; 2 云南省建筑工程设计院 , 昆明 650041)
在工程抗震设计中 , 上部结构嵌固位置的确定 是设计的出发点 , 而同一结构单元的不等高嵌固问题 长期困 扰设计人员。针对一极为少见而又颇具代表性的工程实例 , 通过概念分析和不同计算手段的比较 , 对目前电 算方法 的合理性进行了有效判别 , 并提出了明确的设 计建议。 [ 关键词 ] 不等高嵌固 ; 抗震设计 ; 倾斜地平线
图1
建筑剖面示意
作者简介 : 孙柏锋 , 硕士 , 工程师 , Email : sbf119@ sina. com 。
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图3
倾斜的地平线结构模型
图4
S ATWE 与 ETABS 周期对比
一样, 出现# 3 层的建筑、 9 层的模型∃、 # 低 层的建筑、 高 层的模型∃ , 设计成果失真。类似结构还 存在其他技术 难点, 如整体稳定问 题、 基础 与挡 墙的关 系、 挡墙 与主 体结构的关 系等, 均 需要 仔细处 理。以下 主要研 究其 上部结构的计算模型及不同分析手段与实际状况的吻 合程度。 2 2 整体建模反应谱分析 分别采用 SATWE 和 ETABS 程序 独立 建模并 进行 反应谱分析, 为保证对比的有效性, 主要 计算参数和构 件尺度均保持一致。 2 2 1 周期 选取 前 10 阶 振型 进行比 较, 如图 4 所 示, SATWE 和 ETABS 计算结 果均 表明 第 1 阶 振型 以 Y 向平 动为 主, 第 2 阶振型以 X 向平动为主, 第 3 阶振型以扭转为 主, 且两种软件的计算结果相近。 2 2 2 楼层剪力 两种软件计 算所 得的地 震引起 的楼 层剪力 ( 简称 楼层地震剪力) 比较见图 5。可以看 出, 在结构 相对完 整的上部层 6~ 8, 两 种计算程 序的结 果保持了 高度的 一致 性, 而自出现 局部嵌固的 层 5, 两条 数值曲线的差 距随着楼层的降 低开始 越来越大, SATWE 楼层 地震剪 力依然从上至 下呈连 续单 调增加, 与常 规建筑 并无不 同, 而 EATBS 的曲线则出 现突变、 反弯, 在底层 两者计 算结果最大相差近 5 倍, 这早已超出普 通误差的范围, 可见, 这是基本 模型的问 题。分析 其原 因在于 SATWE 的层模型核心 概念在 此处 并不适 用, 层 模型隐 含着结 构作用由上而下的累计、 叠加关系, 虽然 上部楼层很多 框架柱已经在不同高度落地, 不再和下 部结构有关, 但 在层模型分析中依然将其作用继续向下传递。 2 3 整体建模时程分析 采用 ETABS 进行了时 程分析, 输入 调幅后 的三条 地震波( 两条天然地震波, 一条人工地震 波) , 天然波取 自