某平面L形不规则框架结构的抗震性能研究_林宝新
0卷第6期 第2012年12月 2
自然科学版)安徽建筑工业学院学报(
JournalofAnhuiInstituteofArchitecture&Industr y
Vol.20No.6
Dec.2012
某平面L形不规则框架结构的抗震性能研究
21
,林宝新1, 田 浩
()安徽建筑工业学院土木工程学院,安徽合肥 2安徽建筑工业学院建筑设计研究院,安徽合肥 21.30022;2.30022
摘 要:以某平面L形幼儿园框架结构为例,通过对该结构进行多遇地震下的弹性计算和罕遇地震下的弹塑性分析及楼板应力分析,检验其结构布置合理性和结构的抗震性能,供类似工程参考。关键词:框架结构;特别不规则;罕遇地震;弹塑性时程分析;抗震性能L形平面;()中图分类号:TU375 文献标识码:A 文章编号:1006454020120602305---
erformanceTheresearchonseismicofirreular pg
structurewithLshaedlaneframe - pp
121
,LINBaoxinIAN Hao - T
,
(,;1.DeartmentofCivilEnineerinofAnhuiuniversitofarchitectureHefei230022,China pggy
,H)2.ThearchitecturaldesinandresearchinstituteofAnhuiarchitecturalEnineerinColleeefei230022,China gggg
:laneAbstractAirreularframestructurewithLshaedforkinderartenisanexamle.Throuh - pgpgpgerforminlastictheelasticcalculationunderfreuentearthuakeandtheelasticanalsisunderrare -p pgqqy
,uroseearthuakeandfloorstressanalsistothestructuretheofthisarticleistoexaminethera -ppqytionalitofthestructurearranementandtheseismicerformanceofthestructure.Thesimilareni -ygpg neerincanbereferenced. g
:;;;;KewordsFramestructureLshaedlanesecialirreularrarelearthuakeelasticlastictime - -p pppgyqy
;historanalsisseismicerformance yyp 活泼、感性的特点,往 幼儿园建筑具有个性、
立面形体不规则,体型复杂,尤其是L形建往平、
筑由于其几何形状不对称,结构扭转易产生震害。
[1]
()我国《建筑抗震设计规范》以下简称《抗规》提
。关规定进行罕遇地震作用下的弹塑性变形分析”
1 工程实例及不规则性
1.1 工程实例
合肥某平面L形幼儿园建筑地上四层,采用钢筋混凝土框架结构体系,结构标准层平面如图房屋主体高度1各层层高均为31,5.6m,.9m。建
筑物所在场地抗震设防烈度为7度,设计基本地,设计地震分组为第一组,场震加速度值为0.10g,地类别为Ⅱ类,特征周期0抗震等级为二.35s
2
/。级,安全等级二级,基本风压0.35kNm
出“三水准两阶段”抗震设防原则,为进一步提高《防震减灾能力,建筑工程抗震设防分类标准》
[]
“教育建筑中,幼儿园、小学、中6.0.8条规定2:
学的教学用房以及学生宿舍和食堂,抗震设防类
,别应不低于重点设防类”应按高于本地区抗震设抗规》第防烈度一度的要求加强其抗震措施。《
[]
“不规则且具有明显薄弱部位可3.6.2条规定1:
能导致重大地震破坏的建筑结构,应按本规范有
收稿日期:20121207--
,作者简介:林宝新(男,教授级高级工程师,一级注册结构师,主要研究方向为结构工程。1966-)
图2 结构整体模型
图1 结构标准层平面图
1.2 结构不规则性
()该结构L形平面凸出最大尺寸111.2m,为相应投影方向总尺寸2大于规范规6m的43%,属于凹凸不规则结构;定的30%,
()为满足建筑功能的要求,在结构三层顶有2
存在梁上立柱的情况,属于竖局部水平转换构件,向抗侧力构件不连续;
)(考虑偶然偏心的地震作用,在规定的水平3
力作用下,楼层的最大弹性层间位移大于该楼层属于扭转不两端弹性层间位移平均值的1.2倍,规则结构。
基于建筑形体及其平面、竖向的构件布置存在三项不规则类型,该幼儿园建筑属于特别不规则建筑。根据《抗规》第3.4.1强制性条文规定
[1]
2.1 多遇地震下反应谱分析
[]
《“抗规》第5质量和刚度分.1.1强条规定1:
应计入双向水平地震作用下布明显不对称的结构,
。本工程多遇地震下的弹性振型分解的扭转影响”
反应谱分析采用S按双向水平地震AP2000软件,。作用下的扭转耦联法计算。整体计算结果见表1
表1 整体计算主要结果
周期/s周期比基底
剪重比楼层最大位移比最大层间位移角
T1=0.6333(X向平动)T2=0.5975
(扭转)T3=0.5238
(Y向平动)
/T3T1=82.7%
(4.67X向)(1.33X向)/(11057X向)
(4.83Y向)(1.12Y向)/(11123Y向)
周期比小于0结构楼层.85, 计算结果表明:
最小剪重比大于1在考虑偶然偏心和双向.6%,地震作用下,刚性楼板最大位移比小于1楼层.4,/最大层间位移角小于1各计算指标满足规550,可保证“小震不坏”的设防水准。范要求,
2.2 多遇地震下弹性时程分析
[]
《“抗规》第5特别不规则的建.1.2条规定1:筑,应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计
[],算”按此条文及表5根据本工.1.2-2的规定1,
:“特别不规则的建筑应进行专门研究和论
。证,采取特别的加强措施”1.3 抗震性能设防目标
本工程通过两阶段设计,即采用小震下的强大震下的变形验算来实现三水准“小震不度设计,
坏,中震可修,大震不倒”的基本抗震设防目标。考虑该工程为重点设防类和特别不规则特点,根抗规》附录M,实现抗震性能设计按“性能3”据《
1]
。其中结构角柱构件、目标设计[水平转换梁构1]”。件按“性能2低延性构造设计[
程所处Ⅱ类场地的频谱特性,选取2条实际强震记录Elcentro波、Taft波和1条人工模拟加速度时程曲线l采用Sanzhou1波,AP2000软件对结构进行多遇地震下的弹性时程分析。其中输入的,主分量峰值加速度为3阻尼比05al.05。双向g地震波输入时,其加速度最大值按1∶0.85的比例调整。三条地震波的峰值和波形曲线见图3,计算结果见表2和图4
。
2 结构计算分析
本工程结构计算以基础顶作为嵌固部位,梁、柱采用空间杆单元,楼板采用刚性楼板假定。在充分考虑框架梁、柱多遇地震弹性计算的基础上,
的截面与配筋以及楼板的真实状况,采用SAP2000空间分析软件进行罕遇地震下的弹塑
性分析。三维整体结构模型如图2
。
()aELCentro波
2.3 罕遇地震下的简化弹塑性分析
采用S各楼层弹塑性层间ATWE程序计算,位移角如表3。
表3 规范简化弹塑性计算的层间位移角
()bLianZhou1
波
层数4 3 2 1
向
/1244 /1259 /1192 /1199 向
/1243 /1259 /1192 /1199 规范限制
/150/150/150/150
楼层屈强系数最小为0最大.69, 分析表明:
/(),层2满足结构“大震不倒”层间位移角为1192
()cTaft波
图3 输入地震波(x、y方向)
表2 时程分析与反应谱分析底部剪力结果对比//地震波向(kN)VxVcxY向(kN)VVcelcentro波16411.1115661
波10590.7212420.79lanzhou1
taft波13520.8910640.68 平均值13500.9112910.82
1480115671CQC法 //——分别为各地震波及平均基地剪力与注:VxVcx、VVcyy—CQC法得到的底部剪力
比值
的设防要求。但该简化方法本质上是基于荷载设计法的弹性分析,考虑到本工程为重点设防类的特别不规则结构,为了找到结构的薄弱部位,以及了解结构在大震时的破坏机制以及构件损伤情需对结构进行非线性分析。况,
2.4 罕遇地震下弹塑性动力时程分析
考虑到本工程为平面L形不规则结构,扭转反应明显,若采用P则水平加载不仅ushover分析,要沿结构高度方向分配,同时还要沿结构宽度方向分配。结构进入弹塑性阶段后,这种影响更为明更准确研究结构变形显。为了反映结构动力特性,
形态、构件的塑性及其损伤情况和整体结构的弹塑性行为,现采用S在选定的三条AP2000分析软件,
()aX
方向层间位移角
地震波作用下进行罕遇地震下的弹塑性分析。动力弹塑性时程分析采用的地震波与弹性时程分析一致,双向地震输入,主、次方向峰值加速度比值为:,,主分量峰值加速度为2持续时间为10.8520alg
,,。时间间隔0阻尼比010s.02s.05
()bY方向层间位移角
图4 弹性时程分析主方向层间位移角
2.4.1 材料模型的选取及塑性铰的定义弹塑性计算时,混凝土采用三线性模型;钢筋采用理想弹塑性二折线模型,不考虑钢筋硬化和柱塑性铰本构模型如图5,循环过程的退化。梁、
3]
根据构件截面、配筋和内力情况,按美国规范[塑
由表2看出:每条波作用下的基底剪力均大于C且三条波作用下的QC法计算结果的65%,基底剪力平均值大于CQC法计算结果的80%,所选三条波符合《抗规》5.1.2规定
[1]
。三条波基
性变形容许准则选取塑性铰性能指标如表4。梁
[,]单元两端指定弯矩M柱单元两端指3塑性铰45,
4~6]
。定轴力与双向弯矩PMM耦合塑性铰[
底剪力平均值在X、Y方向剪重比分别为
各地震波在X、4.26%、3.98%。由图4看出:Y方向的层间位移角均在层2最大,最大层间位移/满足抗震规范的规定。角小于1550,
以上分析表明,结构小震下的弹性分析各项特性满足规范要求,可保证结构“小震不坏”的设实际设计中采用时程法的包络值和振型防水准,
分解反应谱法的较大值进行设计。
图5 塑性铰本构关系
表4 梁、柱构件转角性能指标/rad
2.4.3 构件损伤情况
CP0.020.015
构件梁柱
IO 0.005 0.003
LS 0.01 0.012
经比较三条波的计算结果,持续时间10s内elcentro波作用下的结构构件损伤情况最严重,
如图8
。
2.4.2 结构整体抗震性能指标
结构在罕遇地震下的整体计算结果见图6、图7。对比三条地震波作用,该结构在X、Y向的其中e层间位移角均在层2最大,lcentro波引起的结构响应最为强烈,在层2的L轴处角柱变形/最大,最大层间位移角小于1结构整体性能50,满足“大震不倒”的设防目标;X、Y向最大层间位移角分别约为4倍弹性时程分析位移限值,满足
1]《。结构X向最大抗规》附录M“性能3”目标[基底平均剪力为4剪重比为1046KN,2.8%,Y向
()
结构整体损坏情况a
最大基底平均剪力为3剪重比为1874KN,1.9%,约为多遇地震下弹性时程分析基底平均剪力的3倍。罕遇地震下所选地震波的加速度峰值约为多遇地震时的6倍,但剪力比却小于6,说明罕遇地震下造成了一定的结构损伤,混凝土刚度退化
。
()边跨
)bK轴构件损坏情况(
()层2梁损坏情况c
图8 构件损坏情况
()aX
方向层间位移角
分析表明:第1.82s开始部分框架梁出现IO状态塑性铰,第5.10s层2框架梁开始出现LS状第8态塑性铰,.04s楼梯2顶层框架边柱出现CP、状态塑性铰;从图8梁出铰较多(ab看出,IO、),。由图8框架柱仅底层柱脚屈服(LSB)a看出,
;层3水平转换梁仅一端屈服(从图8边B)c看出,榀框梁处于L中等破坏,中间框架梁至多处于S,轻微损坏,因X向扭转位移比偏大,边榀框架IO,
破坏相对严重,结构扭转边榀效应较明显。
以上分析表明,结构满足“强柱弱梁”的屈服机制,整体破坏符合框架预期损伤机制;破坏最严这与结构扭重的塑性铰分布主要集中于边框架,转效应相一致。2.5 楼板应力分析
结构平面凹凸不规则,尤其是L形转角部位楼板有效宽度较小,采用SAP2000对多遇地震及罕遇地震下各层楼板应力进行分析。经对比,结构在e其应lcentro波作用下层2楼板应力最大,力云图如图9所示。
()bY方向层间位移角
图6
弹塑性时程分析主方向层间位移角
()aX
方向楼层剪力
()bY方向楼层剪力
图7 弹塑性时程分析主方向楼层剪力
,。部出铰(部分柱上部各层出铰(B)B)
3.2 角部增设少量剪力墙控制扭转
产生扭转效应。L形建筑质心与刚心不重合,
为控制平面L形结构的扭转,结构平面四周角部,及凹凸部位增设少量混凝土剪力墙(翼墙)见图10。采用SAP2000程序对加翼墙后结构进行多
()
多遇地震时a
遇地震下的反应谱分析和罕遇地震下动力时程分析
。
()罕遇地震时b
图9 层2楼板应力云图
图10 结构增设少量翼墙布置图
分析表明:各楼板在竖向构件附近区域、楼梯洞
口及平面凹凸的部位应力集中;在楼板有效宽度较小区域内产生较大拉应力。多遇、罕遇地震作用时,拉应力最大值均出现在该窄板带部位。在多遇地震,作用下产生的楼板拉应力最大值为0不大于.28MP
;在罕遇地震作用下产生的楼板拉应力最1.27MPa,大值为4但大部分楼板应力仍不大于.1MPa
。对出现较大应力部位,设计时提高该范1.27MPa
围内楼板配筋率且板筋双层双向拉通。
多遇地震下反应谱分析计算结果和原结构对比如表5:
表5 框架结构与少墙框架结构结果比较
框架结构
少墙框架结构0.56890.54320.453479.7%4.945.23/11593/119461.171.06
T1
周期/s
周期比剪重比(%)
最大层间位移角最大位移比
0.6333 0.5975 0.5238 82.7%4.67 4.83 /11057 /11123 1.33 1.12
T2T3X向Y向X向Y向X向
Y向
3 抗震加强措施研究
3.1 按中国地震局文件规定复核
[]
中国地震局中震防发[2009]49号文规定7:“对于中小学、幼儿园教学用房,要求提高地震动峰值加速度取值,位于地震动峰值加速度0.1g分。采用区的,地震动峰值加速度提高至0.15g”SAP2000程序对结构进行设防烈度0.15g多遇地震下的反应谱分析,得到:X、Y向最大层间位/、/,/移角分别为1层2)层2)小于1855(1833(
仍可保证“小震不坏”设防水准。550,采用SAP2000程序对结构进行设防烈度为
选定e0.15lcentro波,g罕遇地震下弹塑性分析,,输入主分量峰值加速度3计算得到X、10alY向g
/、/,层间位移角分别为1层2)层2)仍214(1275(能满足规范“大震不倒”设防水准和“性能3”目标构件损伤情况表明:梁先出铰,柱滞后,符合要求;
“强柱弱梁”损伤机制,但梁铰状态发生改变,地震破坏加重,框架柱底层全IO变为LS,B变为IO,
加少量翼墙后结构自振周期减 由表5看出:
少,刚度略有增加,所以剪重比稍加大;但变形减
//小,X、Y向最大层间位移角分别降为11593、1结构周期比、位移比均降低,说明扭转效应1946;
得到一定程度的控制。
罕遇地震下的动力时程分析表明:加翼墙后结/、/构X、层2)Y向层间位移角分别降为1513(1();层2构件损伤情况表明:翼墙处梁先出铰,其627破坏减轻,如L他梁铰状态发生改变,S变为IO,IO
)。变为B,框架柱只有底层部分柱脚出铰(B3.3 设计加强措施
本工程平面、竖向存在三项不规则,通过以上分析,结合性能目标要求,在进行结构设计时,应()通过相应措施进行加强:结构抗扭角柱应加强1截面和配筋;楼梯间柱尤其是梯2的F轴边框柱()层3局部转换梁一端屈服应设计应特别加强;2
(下转第75页)
是否基本一致,影像重叠区域不允许出现明显的模糊或重影。接边精度检测时采取相邻两DOM影像图重叠区域处同名地物点作为检测点,分别量取两同名点的距离,或者是读取同名点的坐标,算出两点间的距离,检查其较差是否符合限差。3.3 DOM整饰及附件的质量检查
整饰内容主要检查图廓内整饰是否符合图式规定,内容是否正确、完整,注记的内容及位置是否恰当。附件质量主要检查元数据文件的完整性、正确性,对文档簿逐项必填内容是否完备,是否符合文档簿的填写要求。
一定的作用。参考文献
的制作与质量控制1 王兴国.数字正射影像图(DOM)
[]():J.地矿测绘,2009,25217-20.利用JX4数字摄影测量工作站制作DOM2 宗伟丽.[]():铁道勘察,J.2007234-36.生产数字正射影像图(的若干技术问题3 方剑强.DOM)
]():探讨[测绘与空间地理信息,J.2007391-93.数字正射影像图生产工艺流程及质量控制4 方 辉.
[]():城市勘测,J.2007370-72./GBT17941-2008数5 国家测绘局测绘标准化研究所.字测绘成果质量要求[S].北京中国标准出版
社,2008.
/6 国家测绘局测绘标准化研究所.GBT18316-2008数
北京中国标准出版字测绘成果质量检查与验收[S].
社,2008.
4 结束语
DOM是数字城市建设及地理国情监测所需
的重要基础地理信息产品,并越来越多的应用在
文中通过对正射影城市规划及政府决策支持上,
像图制作原理、工艺流程、质量控制方法进行了阐
述和讨论,希望能对DOM制作及质量控制起到
(责任编辑:陈 玲)
(上接第27页)
加强截面及配筋,按中震弹性、大震不屈服设计;()平面凹凸和转角部位加大板厚,提高楼板配筋3
()率且板筋双层双向拉通;进一步提高结构抗扭4能力,可通过在结构平面四周合理布置少量翼墙
[8](。长度≤5倍墙厚)
筑工业出版社.
建筑工程抗震设防分类标准[北2 GB50223—2008,S].
京:中国建筑工业出版社./3 ASCESEC41-46SeismicRehabilitationofExistin g
[BuildinsS].USA:AmericanSocietofCivilEni -gyg
,neers2007.
中国建筑标准设计研4 北京金土木软件技术有限公司,
究院.北京:人民交通SAP2000中文版使用指南[M].
出版社,2006.
TC,SeismicEvaluationandRetrofitofConerete5 A
[,BuildinsR]ReortNo.ATC-40.AliedTeehn -gppp,,oloCouneilRedwoodCitCalifornia.1996. gyy
6 FEMA273&274,TheNEHRPGuidelinesforSeismic
enceofBuildFederalEmerManaRehabilitation -gyg
,,mentAencWashintonDC,1997. gyg中震防发[7 中国地震局文件,2009]49号文关于学校、
医院等人员密集场所建设工程抗震设防要求确定原
]则的通知[S.
杨 洁,贾 莉.少剪力墙框架结构在多遇地8丁永君,
]()震下的抗震性能计算分析[J.建筑结构,201204.
4 结 论
()结构小震下的弹性分析各项特性满足规1
范要求,保证结构“小震不坏”的设防水准;()大震弹塑性分析结果表明,结构整体性能2满足“大震不倒”的设防水准,构件性能满足“强柱弱梁”预期损伤机制;()该重点设防类的特别不规则结构,可保证3
1]
《“,抗规》三水准”基本抗震设防目标[并按中国
满足《抗规》附录M抗震地震局文件规定复核后,
性能设计目标要求;
()在大震下扭4L形结构质心与刚心不重合,转效应明显,通过角部布置少量翼墙调整刚心,可改善结构扭转边榀效应现象。参考文献
建筑抗震设计规范[北京:中国建1 GB50011—2010,S].
[1]
(责任编辑:陈 玲)