消除钢筋混凝土框架结构薄弱层的方法.pdf

王金来等 ： 消除钢筋混凝 土框架结 构薄弱 层的方 法 6 1 消除钢筋混凝土框架结构薄弱层 的方法 王金来 ， 刘建强 ， 佟盛勋 ， 王宝民 ( 1 大连 市建 筑设计研究院有限公 司 辽宁大连1 1 6 0 2 1； 2 大连理工大学 。 辽宁大连1 1 6 0 2 4) 【 摘要】 钢筋混凝土框架结构的底部层高较大时经常会造成结构竖向不规则并产生薄弱层， 因而需对薄 弱层进行较繁琐的弹塑性变形分析。通过楼层受剪承载力的计算原理和算例发现： 增加竖 向抗侧力构件即框架 柱的配筋是提高薄弱层受剪承载力的最有效方法。通过此方法可以消除薄弱层的出现。采用这种设计方法既能 保证结构主体安全， 满足规范的相关要求， 又简单易行， 能够减少结构设计师的计算工作量， 提高工作效率。 【 关键词】 钢筋混凝土框架结构； 薄弱层 ； 受剪承载力 【 中图分类号】 T U 3 7 5 4 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 1 ) 0 8 0 0 6 1 0 3 在钢筋混凝土框架结构的建筑设计中经常会 出 现底部 为公建 ， 上 部为住 宅 或办公 的模式 。 由于 建筑 使用功能上的要求， 底部公建的层高一般较高 ( 大多 在4 5 m以上) ， 而住宅或办公的层高较低( 大多在 3 3 6 m) ， 这种层高的差异往往会造成结构侧向刚度的 突变。当公建楼层的侧向刚度小于相邻上一层( 住宅 或办公楼层) 的7 0 或小于其上相邻三个楼层侧向19 f - 度平均值的 8 0 时， 造成结构侧向刚度不规则 ， 使公 建楼层成为软弱层 ； 当公建楼层抗侧力结构的受剪承 载力小于相邻上一楼层的 8 0 时， 造成结构楼层承载 力突变， 使公建楼层成为薄弱层。文献 1 第 3 4 4 条第 2款规定： 平面规则而竖向不规则的建筑 ， 应采用 空间结构计算模 型 ， 刚度小 的楼层 的地震 剪力应 乘 以 不小于 1 1 5的增大系数 ； 如果刚度小的楼层在乘以地 震力放大系数后楼层受剪承载力仍小于相邻上一楼 层的 8 0 时 ， 该 楼层 ( 薄弱层 ) 应进行 弹塑性 变形分 析 并满足规范的相关要求。结构设计 中应采取措施， 减 少结 构 的不 规则 情 况 ， 尤 其是 竖 向不规 则 ， 避免 软 弱 层及薄弱层 的出现 ， 当结构设 计 中无 法避 免侧 向刚 度 突变时应采取 相应 的结 构措施 ， 减小 薄弱层 及软 弱层 的数量， 尽量使薄弱层转化为软弱层， 软弱层转化为 非软弱层 。本文通过分析楼层受剪承载力的计算 原理和算例总结 出了一个钢筋混凝土框架结构如何 避免薄弱层 的设计 方法 。 1 楼层 受剪承载 力的计算原理 钢筋混凝土结构楼层受剪承载力的具体计算方 法在结构设计 常用 的几 本 规范 中均未提 及 ， 笔者 经 过 查阅相关资料发现， 我国现有的几个结构设计的计算 软件都是采用文献 3 附录 c的算法来计算楼层现有 受剪承载力的， 计算公式如下 J ： = V o + 0 7 V m + 0 7 ( 1 ) 式中， 为楼层现有受剪承载力； V o 为 框架柱 层间 现有 受剪承载力之和； 为砖填充墙框架层 间现 有受剪承载力之和； 为抗震墙层间现有受 剪承载力之 和。 对 于框 架结 构 ， 楼层 受 剪承 载力 只需 考虑框架柱层间现有受剪承载力， 即公式 ( 1 )中的第 一 项 即可。 矩形框架柱层间现有受剪承载力可按下式计算 ， 并取较小值 ： = ( 嵋 + L ) H ( 2 ) = L b h 。 +0 0 5 6 N( 3 ) 式中， 、 蛾 分别为验算层偏压柱上、 下端的现 有受弯承载力； A为框架 柱的计算 剪跨 比， 取 A = H 2 h 。 ； 为对应于重力荷载代表值的柱轴向压力， 当 N 0 3 f o k b h时 ， 取 N =0 3 f o k b h ； A 为配 置在 同一截 面内箍筋各肢的截面面积 为箍筋抗拉强度标准 值 为混凝土轴心抗压强度标准值 ； s 为箍筋间距； 6 为验算方向柱截面宽度 ； 、 h 。 分别为验算方向柱截面 高度、 有效高度； 日 为框架柱净高。 对称配筋矩形截面偏压柱现有受弯承载力可按 下式计 算 ： 当N d o 。 b h 。 时 ： M = k A ( h o一0 )+0 5 N h ( 1一N f o k b h ) ( 4 ) 当 N b h 。 时： M = A ( h 。一0 )+ ( 10 5 ) 厂 c b h N( O 5 h一 ) ( 5 ) = 0 8 f c , k b h ( 一 ) 。一 A 、 式 中， 为对应于重力荷载代表值的柱轴向压力； A 。为柱实有纵向受拉钢筋截面面积 为现有钢筋抗拉 强度标准值 为现有混凝土弯曲抗压强度标准值； o 6 2 低温建筑技术 2 0 1 1 年第 8 期( 总第 1 5 8期) 为受压钢筋合力点至受压边缘的距离； 为相对界限 受压区高度， H P B级钢筋取 0 6 ， H R B级钢筋取 0 5 5 ； 、 h 。 分别为柱截面高度和有效高度； 6为柱截面宽度。 由上述计算公式可看出， 框架结构楼层受剪承载 力的大小与框架柱的净高 、 截面尺寸、 混凝土强度等 级和配筋关系密切 ， 而实际工程中建筑专业往往会根 据建筑使用功能的要求对结构层高和框架柱 的截面 尺寸进行限制 ， 此时提高框架结构楼层受剪承载力的 方法只能是提高框架柱的混凝土强度等级和配筋。 薄弱层框架柱增加配筋有三种方法 ： 增加薄弱 层的水平地震力 ； 增大薄弱层的框架柱截面 ； 提 高薄弱层框架柱的抗震等级 ( 即增加框架柱的抗震承 载能力， 增大框架柱 的配筋 ) 。第一种方法在现有的 结构计算软件中较难实现 ， 因为普通钢筋混凝土结构 的薄弱层一般都是软弱层， 现有结构软件对软弱层的 地震力已经放大了 1 1 5 倍 ， 如果要再放大薄弱层的地 震力， 只能全楼乘以放大系数， 这对增大薄弱层的受 剪承载力意义不大； 第二种方法中框架柱的截面往往 受到建筑使用功能的限制而不能增大 ； 第三种方法提 高薄弱层框架柱的抗震等级具有可操作性。 2 算例 计算模型为一 9层钢筋混凝土框架结构 ， 首层层 高为 5 4 m， 其余 8层层高均为 3 6 m。结构在两个方 向各 三跨， 柱距 6 m， 框 架 柱截 面 尺寸 为 5 0 0 ra m X 5 0 0 m m， 框架梁截面尺寸为 4 0 0 m m6 0 0 ra m， 楼板厚度 为 2 0 0 ra m， 框架柱的混凝土强度等级为 C 4 0 ， 框架梁和 楼板的混凝土强度等级为 C 3 0 ， 结构平面布置见图 1 。 结构的抗震设防烈度为 7度( 0 1 g ) ， 设计地震分组为 第二组( = 0 4 s ) ， 场地类别为 类。抗震设防类别 为丙类 ， 框架抗震等级为二级， 周期折减系数为 0 6 5 。 2 1 弹性计算分析 图l 计算模型结构平面布置 计算程序采用中国建筑科学研究院编制的 P K P M 系列计算软件( 2 0 0 8版) 。为便于对比， 将此算例计算 模型记为模型 1 ， 模型 2仅将模型 1首层框架柱的抗 震等级等级提高到一级 ， 模型 3仅将模 型 1首层框架 柱的混凝土强度等级提高到 C 4 5 ， 其余部分不变 ， 三个 模型计算结果见表 1 。 表 1 不同模型的楼层侧向刚度和受剪承载力 由表 1 可以看出： 提高首层框架柱 的混凝土强 度等级对增大楼层的侧向刚度和受剪承载力作用不 大； 提高首层框架柱的抗震等级对楼层 的侧向刚度 没影响， 而对楼层的受剪承载力有明显提高 ， 模型2的 首层层间受剪承载力与上一层之比大于 0 8 ， 从而避 免首层成为薄弱层。通过模型 2的计算也进一步验证 了提高薄弱层框架柱的抗震等级可增加薄弱层框架 柱的配筋 ， 进而可以有效提高楼层抗剪承载力的结论。 2 2 静力弹塑性计算分析 采用 P K P M的 E P D A软件分别对模型 1 、 2进行静 力弹塑性 ( p u s h o v e r ) 分析， 计算中考虑 PA效应， 荷载采用倒三角形。在静力弹塑性分析过程中， 模型 1 的塑性铰首先出现在底层柱的底端 ， 然后发展到柱 上端 ， 框架梁未出现塑性铰， 模型 1 属于强梁弱柱型 ； 模型2的塑性铰首先出现在首层框架梁的梁端 ， 然后 逐步发展到首层柱的上端和底端 ， 模型 2属于强柱弱 梁型 。模型 2与抗震设计的期望 目标是相符的， 即 在罕遇地震作用下， 塑性铰应首先出现在梁端， 使结 构在 破坏 前 有较 大 变形 ， 吸 收和 耗 散 较 多 的地 震 能 量， 提高整体结构的抗震性能。模型 2的需求谱与能 力谱曲线见图 2 。 鬻 等效单自由度体系周期T( s ) 所在地区： 全国； 场地类型： 2 ； 设计地震 U a l ：2 ； 抗震翻朔池 臣 欧震； 地震影响系数最大值 ( 层 ：0 5 0 0 ； 特征周期T d s ) ：0 4 0 0 ； 弹性状态阻 尼比：0 0 5 0 ； 能力曲 线与需求曲线的交点【 s ) A ( q ) 】 ：1 6 3 7 ， 0 1 1 9 ； 性能点最大层间位移角： l 2 4 5 ； 性能点基底剪力：2 5 4 4 3 k N ； 性能点 顶点位移： 1 0 1 9 ra m ； 性能点附加阻尼比： 0 0 6 7 0 7 0 = 0 0 4 7 ； 与性能 点相对应的总加载步号： 1 7 4 ； 相应的数据文件 ：抗倒塌验算图 T X T 图2 模型2 的需求谱与能力谱曲线 由图 2可以看出， 在罕遇地震作用下 ， 弹塑性层间 0 3 8 3 9 7 7 l 1 3 O 3 0 价 小 小 脚 啪 蠹 罾 皑暮 蹲 匿噬 蜗霉竿 手 程旭东等： 地震作用下储罐参数对其应力影响分析 6 3 地震作用下储罐参数对其应力影响分析 程旭东， 胡晶晶， 朱兴吉 ( 中国石油大学 ( 华东 ) ， 山东青岛2 6 6 5 5 5) 【 摘要】 考虑固液耦合以及储罐与地基的相互作用， 运用 A D I N A有限元软件建立了三种不同体积储罐的 有限元数值分析模型， 设置不同的储液高度， 分析储罐罐壁在水平地震作用下的应力响应， 得到了相关结论。 【 关键词】 储罐； 地震作用 ； A D I N A ； 应力分析 【 中图分类号】 T U 3 5 2 【 文献标识码】 A 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 1 ) 0 8 0 0 6 3 一 O 3 ANALYS I S oF T HE P ACT oN S T RES S UNDER S EI S M I C ACTI oN CAUS ED BY S TORAGE T ANKSP ARA【 ETERS C H E N G X u d o n g ， HU J i n g - j i n g ， Z H U X i n g i e ( C h i n a U n i v o f P e t r o l e u m ( E a s t C h i n a ) ， S h a n d o n g Q i n g g d a o 2 6 6 5 5 5 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： C o n s i d e r i n g s o l i d - l i q u i d c o u p l i n g a n d t h e i n t e r a c t i o n b e t we e n t a n k s a n d f o u n d a t i o n，t h e f i n i t e e l e me n t n u me ri c a l mo d e l s o f s t o r a g e t a n k s wi th thr e e d i ff e r e n t v o l u me s a n d d i ff e r e n t l i q u i d s t o r i n g d e p t h s a r e b u i l t b y t h e c o mp u t e r p r o g r a m ADI NAT h e s t r e s s r e s p o n s e s o f tan k w a l l u n d e r h o r i z o n t a l s e i s mi c a c t i o n a r e a n aly z e d a n d s o me c o n c l u s i o n s a r e o b t a i n e d Ke y wo r ds： s t o r a g e t a n k s；s e i s mi c a c t i o n；ADI NA；s e s s a na l y s i s 由于储油罐在地震灾害后可能造成严重 的后果， 储油罐的抗震问题倍受关注 ， 储罐的地震响应成为研 究的焦点。长期以来 ， 人们对储罐地震响应研究开展 了很多工作。本文选取了三种不同尺寸的储罐 ， 设置 不同的储液高度 ， 利用大型有限元分析软件 A D I N A ， 建立立式圆柱形无锚 固储罐 的罐 一液 一地基整体三 维模型， 分析储罐的尺寸等参数对其在地震作用下应 力的影响 。 1 储罐 系统 有限元模 型 ( 1 ) 储罐相关参数及单元选取： 选取三种不同 位移角为 1 2 4 5 ， 远 小 于文 献 规 定 的 弹塑性 层 间位 移角 1 5 0的限值。由此可见， 通过提高薄弱层框架柱 的抗震等级即提高框架柱的配筋 ， 可以达到提高结构 的抗震承载力 ， 增加结构安全储备的目的。 3结语 通过对楼层受剪承载力计算原理 的分析及工程 算例实际计算说明， 消除框架结构薄弱层最有效的方 法是提高框架柱 的配筋。该方法可通过提高薄 弱层 框架柱抗震等级来实现。通过该方法 ， 既可消除框架 结构薄弱层 ， 又可避免复杂的弹塑性计算， 还能在满 足规范要求基础上增加结构主体安全储备。 容积的储罐 ： 2 0 0 0 、 1 0 0 0 0、 1 0 0 0 0 0 m ， 对每种储罐都设 置不同的储液高度， 分别为 0 、 1 4 H 0 、 1 2 H 0 、 3 4 H 0 及 矾 ， 风 为储罐的设计液位高。罐壁厚度按最底层厚度 取均匀厚度， 储罐基本参数见表 1 。 罐壁及底板均采用4节点壳单元模拟。液体采用 8节点三维流体单元， 在液体表面为自由面单元， 其他 为流体面单元， 采用势流理论进行计算， 该理论假设 条件如下： 液体是无旋、 无粘、 不可压缩的， 并且没有 热传递 ； 液体边界是相对较小的位移 ； 液体没有静流 速。地基单元选取三维实体单元( 3一D S o l i d ) ， 罐底 参考 文献 1 G B 5 0 0 1 1 2 0 1 0 ， 建筑抗震设计规范 S 2 朱炳寅 建筑结构设计问答及分析 M 北京： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 9 3 G B 5 0 0 2 3 2 0 0 9 ， 建筑抗震鉴定标准 S 4 黄世敏， 杨沈 ， 等 建筑震害与设计对策 M 北京： 中国计划 出版社 ， 2 0 1 0 收稿日期】 2 0 1 1 一 O 3 2 4 作者简介 】 王金来 ( 1 9 7 3一) ， 男 ， 辽宁大连人 ， 从 事建筑结构 设计。