[12-11 17:00:02] 来源：http://www.tmgc8.com 工程设计 阅读：3288次
1 引言
近几年来,小高层住宅建筑中短肢剪力墙这种结构形式越来越多,短肢剪力墙是较常用的构件。这种结构形式平面布置时利用楼梯间、电梯间、山墙、分户墙布置一般剪力墙,其余布置短肢剪力墙。这种布置既使厅和卧室没有突出的梁柱,又能通过调整剪力墙的位置满足现代居住空间的要求,因此深受开发商和住户的青睐。
短肢剪力墙特别是墙长不大于5倍墙厚的墙肢的抗震性能,从受力特性到构件的安全储备有别于普通剪力墙的性能。因此,设计中至关重要的是把握“二阶段三水准”的设计原则,针对具体工程、具体问题采取符合结构概念的设计方法,满足规范精神。实际应用过程中也会出现这样或那样不尽如人意之处,或结构偏保守、或安全系数较低,或造价不合理等等,因此,对结构设计进行科学合理条件下的优化设计便成了设计中的必不可少的程序。
2 小高层住宅结构设计方案的优化过程分析
某结构设计方案布置参见图1,本结构方案剪力墙布置不合理,造成刚度过大且不均匀,重量增加导致地震反应增强,并使上部结构和基础造价提高,因此,必须对此方案进行优化,使结构更加安全科学合理。
优化的结构方案应尽量使结构平面形状和刚度均匀对称,短肢剪力墙双向布置,尽量拉通、对直。竖向布置中,力求规则均匀,避免有过大的外挑、内收,以及楼层刚度沿竖向突变,使整个房屋的抗侧刚度中心靠近水平荷载合力的作用线,以免房屋发生扭转。
根据建筑的平面布置,在房间、楼梯间、电梯问的四角采用z形、L形T形或异形的墙肢。在设计过程中还应注意同周期的关系,使结构的第一自振周期避开场地特征周期,以免地基与结构形成共振或类共振。既保证结构在风和地震荷载作用下的变形控制在规范允许的范围内,又要保证建筑物有相对合理的自振周期,做到结构设计经济、合理,经优化结构后的平面布置见图2。
3 两种方案的分析与比较
3.1 分析软件介绍
SATWE是专门为多、高层建筑结构分析与设计而研制的空间结构有限元分析软件,适用于各种复杂体型的高层钢筋混凝土框架、框剪、剪力墙、简体结构等,也适用于混凝土一钢混合结构和高层钢结构。
3.1.1 SATWE的计算模型
SATWE是用墙元来模拟剪力墙。SATWE中的墙元是在板壳单元的基础上构造出的一种通用墙元,它采用静力凝聚原理将由于墙元的细分而增加的内部自由度消去,将其刚度凝聚到边界节点上,从而保证了墙元的精度和有限的出口自由度,而且墙元的每个节点都具有空间全部6个自由度,可以方便地与任意空间梁、柱单元连接,而无需任何附加约束,同时也降低了剪力墙的几何描述和板壳单元划分的难度,提高了分析效率。
板壳单元是目前模拟剪力墙的最理想单元,SATWE选用这一单元并对墙元的细分和墙上开洞作了自动化处理。
3.1.2 sATWE在对楼板的处理上采用了四种不同的假定
①刚性楼板:假定楼板平面内无限刚,忽略楼板平面外刚度。其中“假定楼板整体平面内无限刚”多用于常规结构;
“假定楼板分块平面内无限刚”适用于多塔式错层结构。
②弹性楼板6:“弹性楼板6”采用壳单元真实计算楼板平面内和平面外刚度,适用于板柱结构和板柱一抗震墙结构。
③弹性楼板3:“弹性楼板3”假定平面内刚度无穷大,面外刚度真实计算。适用于厚板转换层结构。
④弹性膜:“弹性膜”采用壳单元真实计算楼板平面内刚度,忽略楼板平面外刚度,适用于空旷的工业厂房和体育场馆结构、楼板局部开大洞结构、楼板平面较长或者有较大的凹入以及弱连接结构。
为提高计算效率,在保证一定的分析精度的前提下,针对不同类型的工程,采用不同的楼板假定。
3.2 结果分析
从构件力学特性上来说,短肢剪力墙的肢长与肢厚比≥5,更接近于剪力墙,故计算时将短肢剪力墙作为剪力墙而不是柱考虑应更合理。SATWE采用的是在每个节点有V1个自由度的壳元基础上凝聚而成的墙元模拟剪力墙墙元不仅具有平面内刚度也具有平面外刚度,可以较好地模拟工程中剪力墙的真实受力状态,计算结果较精确:同时,对楼板SATWE可以考虑其弹性变形。虽然主楼结构平面较规则,立面也无刚度突变现象,但由于刚度较大的电梯井处简体有点偏置,会产生扭转的影响。为了计算准确,地震作用计算考虑了结构的扭转耦联和5%偶然偏心的影响,取了20个振型计算。
3.2.1 自振周期的控制www.tmgc8.com
考虑扭转耦联时的自振周期(计算时自振周期折减系数取0,95),如表1(只列了前8个)所示。从表1可得,优化方案结构扭转为主的第一自振周期T4=0.6545s,平动为主的第一自振周期T1=2.0836s,T4/T1=0.3141<0.9,满足高规(JGJ3-2002)第4.3.5条的规定。
3.2.2 结构位移的控制
风荷载、地震荷载作用下最大层间位移角(应≤1/1000)、最大水平位移与层平均位移的比值(不宜大于1.2,不应大干1.5)及最大层间位移与平均层间位移的比值(不宜大于1.2,不应大于1.5)见表2、表3。从表2、表3中可以看出结构在风荷载和地震作用下的位移均能很好地满足规范限值。
3.2.3 剪重比、刚重比控制
剪重比是反映结构承受地震作用大小的指标之一。地震力计算不能偏大,但也不能太小,因为短肢剪力墙本身抵抗地震的能力较差。如果短肢剪力墙分配的地震力太大,则很有可能不满足要求。新方案x方向的最小剪重比为0.84%,Y方向的最小剪重比为0.83%,根据“抗震规范”第5.2.5条及第5.1.4条要求的X、Y向楼层最小剪重比均为0.8%～1%。
刚重比是影响重力二阶(p～△)效应的主要参数,且重力二阶效应随着结构刚重比的降低呈双曲线关系增加。高层建筑在风荷载或水平地震作用下。若重力二阶效应过大则会引起结构的失稳倒塌,故控制好结构的刚重比,则可以控制结构不失去稳定。新方案×方向、Y方向的刚重比均满足“高规”第5.4.4条的规定,所以各层均满足要求。结构优化前后的剪重比、刚重比见表4。
3.2.4 轴压比控制
轴压比是体现墙肢抵抗重力荷载代表值作用下的能力。为了控制在地震力作用下结构的延性,新的“高规”和“抗震规范”对剪力墙均提出了轴压比的计算要求。“规范”对短肢剪力墙(尤其一字墙肢)要求更高一些。原方案底部剪力墙最大轴压比为0.58,新方案底部剪力墙最大轴压比为0.59,上述方案出现的短肢剪力墙轴压比小于规范规定值,即满足要求。
3.3 优化前后结构方案的经济比较
为了与工程实际情况相符,假设混凝土的成本与混凝土的体积成正比,钢筋的成本与钢筋的体积成正比。在总造价上,暂不考虑模板及楼板等工程的造价影响,材料的单方造价混凝土为280元/m3,钢筋为3760元/t。表5为方案的经济指标汇总,由表5知,方案二比原结构在总造价上要节约17.6%。
通过以上两种方案的电算分析指数表明,方案二的竖向结构体系的截面面积虽然较小,但仍可保证满足承载力、刚度、位移的要求。显而易见,优化后的方案不仅节约了业主的投资费用,更重要的是节约了资源。
3.4优化设计过程中其它应注意的事项
本文针对小高层住宅楼的结构特点,进行了结构优化设计,在比原设计方案节省投资19.3%的情况下,使结构受力更合理,整体变形能力和结构吸能能力对抗震更为有利,但设计过程中还应注意以下几点:
1)剪力墙结构的抗震薄弱环节是建筑平面外边缘及角点处的墙肢,因而设计时在以上部位布置L型或一z字型短肢墙,受条件所限也出现了少量一字型短肢墙。设计时严格控制其轴压比<0.6,且相差不应太悬殊,以避免墙肢应力差异过大。
2)小高层建筑中的连梁是一个耗能构件,对抗震不利。多、小高层结构设计中允许连梁的刚度有所下降,但应注意短肢剪力墙结构中,墙肢刚度相对较小,连接各墙肢的梁已类似普通框架梁,而不同于一般剪力墙间的连梁,不应在计算的总体信息中将连梁的刚度大幅下调,使其设计内力降低,应按普通框架梁的要求进行设计。
4 结语
综上所述,从这个结构设计方案优化中,可以发现短肢剪力墙结构小高层住宅合理的结构选型和结构布置对工程的安全、经济性的影响是重大的,只有对结构整个体系的承载能力、性能以及对结构分体系与结构构件相互作用的关系了解透彻,才能避免只依赖规范、设计手册、计算程序的设计习惯,从而实现结构优化设计,实现安全、科学合理、经济的设计目标。
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