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              干貨!對大跨度平板-剪力墻結構體系的可行性研究

              干貨!對大跨度平板-剪力墻結構體系的可行性研究

              打印 0條評論來源:CABR建筑工業化(id:cabr-jzgyh)

              1. 研究背景


              對于住宅來說,房間可隨意隔斷、靈活安排居住空間已經成為人們追求的生活品質。傳統剪力墻結構住宅由于套內存在剪力墻兼做房間隔墻,且位置已經固定,人們無法更改建筑使用功能。而平板-剪力墻結構體系將套內剪力墻全部取消,只保留外圍護剪力墻,套內僅布置輕質隔墻,相比于傳統剪力墻結構可獲得更大的建筑空間;同時樓蓋系統采用無梁樓蓋,加大樓板厚度,樓板具有較強的承載力,可允許任意位置設置隔墻,十分適合有分戶要求和靈活隔斷的住宅建筑(圖1)。


              在平板-剪力墻結構體系中,樓面梁和戶型套內剪力墻的去除,使得樓板不僅要承擔板面豎向荷載(恒載、活載),又要和外圍護剪力墻組成抗側力結構共同抵抗水平荷載(地震、風荷載)?,F行規范抗震設防目標是"小震不壞、中震可修、大震不倒",如何保證平板-剪力墻體系在小震或風荷載下滿足承載力和彈性變形要求、在大震下滿足彈塑性變形等延性要求是該體系能否實現的關鍵,目前相關研究成果不多,尤其是大跨度平板-剪力墻結構體系的研究工作甚少,本文將對其進行重點探討。



              2. 研究內容


              為了深入研究平板-剪力墻體系的抗側力性能,選取兩個典型工程實例,采用平板-剪力墻結構布置,建立準確的可進行地震全過程分析的計算模型。首先對其進行多遇地震和風荷載下的彈性分析,完成結構設計;然后在罕遇地震下進行彈塑性時程分析,研究其在罕遇地震下的抗震性能及破壞形態;最后對平板-剪力墻結構的材料用量進行統計分析。


              3. 平板-剪力墻體系結構布置


              針對兩個有代表性的已建住宅項目(項目1、2),進行平板-剪力墻體系的結構布置。需考慮以下兩個方面:


              (1)為方便后期更靈活的建筑功能布局,取消套內剪力墻,盡可能實現“一戶一樓板”;


              (2)根據《混凝土結構設計規范》GB 50010-2010第9.1.2條規定,無梁支撐的無柱帽雙向板跨厚比不宜大于30。參考該規定,結合對建筑凈高的影響,平板-剪力墻體系的板厚初步選為跨度的1/30~1/35,并經計算復核確定其安全性。


              3.1 項目1結構布置


              項目1由地下兩層、地上十六層組成,建筑高度53.7m。其中地上首層層高5700mm,為架空層(非住宅功能),二層及以上各層層高均為3200mm,建筑功能為住宅。按傳統剪力墻體系布置的標準層建筑平面如圖2所示。



              根據圖2的建筑布置,初步確定平板-剪力墻體系的標準層結構布置如圖3所示。其中套內板跨為9100mmx9300mm,受建筑凈高所限,選定板厚為250mm,則板的跨厚比9100/250=36.4;樓、電梯間公共區域的短向跨度4500mm,選定板厚150mm,則板的跨厚比為4500/150=30。此外,墻、柱混凝土等級地下~地上3層采用C50,4~16層采用C40;各層梁、板混凝土等級均為C30。



              3.2 項目2結構布置


              項目2的地下有兩層、地上共三十層,建筑高度90m。其中地上各層層高均為3000mm,建筑功能為住宅。按傳統剪力墻體系布置的標準層建筑平面如圖4。



              根據圖4的建筑布置,初步確定平板-剪力墻體系的標準層結構布置如圖5所示。其中北側戶型套內板跨為10600mmx8450mm,受建筑凈高所限,選定板厚為250mm,則板的跨厚比8450/250=33.8;南側戶型套內板跨為10300mmx7000mm,選定板厚200mm,則板的跨厚比為7000/200=35。此外,墻、柱混凝土等級地下~地上8層采用C60,9~16層采用C50,17~30層采用C40;各層梁、板混凝土等級均為C30。



              4.平板-剪力墻體系受力性能


              4.1 小震和風荷載分析


              4.1.1 計算模型


              根據上述項目1、2的平板-剪力墻體系結構布置,利用SATWE軟件建立結構計算模型,分別如圖6(a)、(b)所示。



              4.1.2 計算參數及荷載


              由于平板-剪力墻體系中樓板與外圍護剪力墻共同組成抗側力結構抵抗水平荷載,故與傳統剪力墻體系相比,計算參數的設定有以下區別:


              1)樓板需要按彈性板考慮,而不是傳統剪力墻體系中的剛性板假定;


              2)樓板采用有限元方法進行設計;


              3)剪力墻既承擔面內水平荷載,又和樓板組成抗側力體系協同抵抗面外水平荷載,故墻體需要補充面外承載力驗算。


              地震和風荷載參數如下:抗震設防烈度為7度(0.1g),場地類別Ⅲ類,設計地震分組第一組;基本風壓0.85kN/m2,地面粗糙度B類。


              4.1.3 分析結果


              (1)周期


              表1列出了兩個項目的1~4階周期和振型,前兩階振型均為單向平動,第3階振型變為整體扭轉。扭轉周期比分別為1.39/2.03=0.68(項目1)、2.15/2.49=0.86(項目2),均小于0.9,滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ 3-2010要求。



              (2)位移比


              在考慮偶然偏心的X向、Y向地震作用下,兩個項目各樓層的最大位移比和層間位移比見表2??梢钥闯?,樓層最大位移比和層間位移比均在1.2左右,小于規范限值1.5,滿足要求。



              (3)層間位移角


              如表3所示,在小震和風荷載工況下,項目1、2的層間位移角最大值分別為1/1267、1/1119,均滿足規范限值1/1000的要求。其中X向層間位移角為地震工況控制,Y向層間位移角則由風荷載控制。



              (4)墻體軸壓比


              兩個項目底層墻體的軸壓比分別如圖7(a)、(b)所示。由圖可知,項目1在南側小墻肢位置軸壓比達到最大0.51,其余位置均小于0.3;項目2墻體的最大軸壓比為0.48。均小于限值0.6,滿足規范要求。



              (5)板配筋


              由于厚板板面配筋較板底更大,本文僅給出各層樓板的最大板面配筋分布,如圖8所示??梢钥闯?,板面配筋最大值集中分布在厚板的周邊支座處,跨中板面配筋均為構造。



              4.2 罕遇地震分析


              利用SAUSAGE軟件對項目1、2的平板-剪力墻體系進行罕遇地震下的彈塑性時程分析,研究其破壞模式、抗震性能等。


              4.2.1 地震波選取


              選取3組地震波,其中兩組天然波,一組人工波。表4為所選地震波的基本信息,圖9為地震波的加速度時程曲線。地震波考慮X、Y雙向輸入,按1:0.85調整主、次向加速度峰值,加速度峰值取為220 cm/s2,持續時間20s。



              4.2.2 項目1結果


              (1)層間位移角


              項目1在罕遇地震作用下層間位移角沿樓層的變化曲線如圖10所示??梢钥闯觯篨向層間位移角在中間偏下樓層(5/6層)最大,最大層間位移角為1/218;Y向層間位移角在中上樓層(10/11層)最大,最大層間位移角1/257。均滿足彈塑性層間位移角限值1/120的規范要求。



              (2)墻體損傷


              項目1的墻體分組見圖11,“外墻一”為X向墻體,“外墻二”和“內墻”為Y向墻體,后續墻體損傷情況將按此分組展示。由于不同地震波作用下各組墻體的損傷規律基本一致,限于篇幅,本文僅給出人工波下的墻體損傷情況,如圖12所示。


              可以看出:外墻一損傷較大的位置位于樓梯間的窗洞連梁及兩側短肢剪力墻,厚板范圍內的墻體幾乎無損傷;外墻二和內墻的損傷均不大。



              (2)樓板損傷


              根據樓板的損傷分布,沿高度方向選取三個不同樓層——首層、中間層、頂層分別展示。由于不同地震波作用下樓板的損傷規律基本一致,本文僅給出在天然波1 X向主向輸入下的樓板損傷情況,如圖13所示。


              可以看出:樓板損傷均不大;250mm厚樓板損傷主要集中在靠近山墻位置,150mm厚樓板損傷主要集中在樓、電梯間附近。



              4.2.3 項目2結果


              罕遇地震作用下,項目2的X向最大層間位移角為1/245,Y向最大層間位移角為1/296,均小于規范限值1/120。限于篇幅,其層間位移角分布曲線不在文中列出。


              (1)墻體損傷


              項目2的墻體分組見圖14,“外墻一”和“內墻”為Y向墻體,“外墻二”為X向墻體,“外墻三”為斜向墻體,后續墻體損傷情況將按此分組展示。由于不同地震波作用下各組墻體的損傷規律基本一致,限于篇幅,本文僅給出人工波下的墻體損傷情況,如圖15所示??梢钥闯觯簤w損傷均不大,主要集中在連梁部位。



              (2)樓板損傷


              同項目1,沿高度方向選取首層、中間層、頂層樓板分別展示。不同地震波作用下樓板的損傷規律基本一致,本文僅給出在天然波2 X向主向輸入下的樓板損傷情況,如圖16所示。


              可以看出:南側200mm厚樓板損傷主要集中在中間分戶墻位置,同時由于應力集中在樓板外邊緣的角部也出現了一定損傷;北側250mm厚樓板損傷主要集中在與薄板的交接處,同時在樓板外邊緣的角部也有損傷。



              5.平板-剪力墻體系經濟性分析


              為進行經濟性分析,對兩個項目分別采用傳統剪力墻體系和平板-剪力墻體系的混凝土用量、鋼筋用量進行統計對比,詳見表5~6。由表中數據可知,平板-剪力墻體系的材料用量與傳統剪力墻體系相比略低或持平。



              6.結論


              (1)在小震和風荷載作用下,平板-剪力墻體系的周期比、層間位移角、位移比等整體指標均滿足規范要求,構件驗算也滿足承載力要求。整體能夠實現“小震不壞”的設防目標;


              (2)在罕遇地震作用下,平板-剪力墻體系的層間位移角滿足規范限值要求,墻體和樓板的損傷均不大,在規范規定的中等破壞程度以內。整體能夠實現“大震不倒”的設防目標;


              (3)根據傳統剪力墻體系和平板-剪力墻體系的材料用量對比,平板-剪力墻體系的材料用量與傳統剪力墻體系相比略低或持平。


              綜上所述,平板-剪力墻體系在結構受力性能和經濟性方面均可行。


              (編輯:奚雅青)


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              [責任編輯:Susan]

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