抗震规范局部修订的计算问题及其处理办法.ppt
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1、抗震规范局部修订的计算问题及处理办法吴文勇 焦 柯,广东省建筑设计研究院深圳市广厦软件有限公司2009年1月,根据住房和城乡建设部建标函2008225号关于做好建筑工程抗震设防分类标准和建筑抗震设计规范的实施工作,严格执行,监管到位的通知精神。大家已组织学习和宣贯培训了新的设计规范,针对局部修订内容的部分规范条文,在执行上还存在疑问,在进行施工图审查中应统一标准。对其中一些新的计算要求,我们做了深入的研究,今天就研究成果作一下介绍,更好地贯彻执行新的国家标准。,背景:1、广厦结构CAD是国内两大结构CAD之一,广厦是陈星总工和容柏生院士 一手指导下建立的一个以设计院为背景的结构研发中心;研发中
2、心的技术骨干来自北大力学系,二十多年来一直从事结构计算的研究工作,使我们的计算中心成为全国兄弟单位的计算中心,目前在北京、深圳和广州都有部门负责技术支持和交流工作。2、计算中心承担两个任务:1)为全国7000多家用户提供计算咨询;2)为超高超限工程进行弹性计算校核和动力弹塑性计算。每年把我们在设计、审图和咨询中遇到的问题,以及对这些问题的认识和处理办法介绍给大家,希望大家在设计过程中遇到同类问题时,在今天的讲座中能找到答案。也希望通过这次讲座,与同行有一次深刻的交流。,1.计算中如何考虑楼梯构件的影响?目前结构设计中计算分析模型一般是不输入楼梯构件的,将其等效为荷载加到周边构件。原因有两个:1
3、)工程师普遍认为楼梯构件对结构受力影响不大,通过构造措施就可以保证安全;2)结构设计软件没有提供楼梯参与整体分析的功能,若用通用有限元程序计算,斜板、梯梁和梯柱的输入和网格剖分较麻烦。思想认识和计算软件,这两个问题使以往整体模型是不考虑楼梯构件的,使我们现在的设计中存在重大的安全隐患。根据汶川地震大量楼梯构件的破坏情况,为避免类似情况再次发生,08抗规要求计算中应考虑楼梯构件的影响。(要求一般情况下都要考虑)本条规定主要考虑到楼梯构件具有斜撑的受力状态,一般情况下对结构整体刚度有较明显的影响。(这个一般情况指的是什么情况,通过本次讲座明确这一点)建设部关于做好新的国家标准实施工作的通知:要求严
4、格执行、监管到位,我们大家应做好以下3方面工作。1)建立新的概念:楼梯是抗震结构中类似墙、柱、梁的重要构件;2)了解楼梯参与空间分析的计算方法;3)明确什么情况下必须考虑楼梯构件的影响。,本次大地震被损坏建筑的一个大的特点:大量楼梯构件的破坏(见下图),影响了逃生通道安全,造成大量人员伤亡,安全通道是最不安全的场所。08抗规的本意是要使楼梯间成为安全岛,人上了楼梯就应保证安全。楼梯构件有如下5种破坏情况:,以下介绍12项内容使我们设计和审图人员定量地了解楼梯对结构的影响:1)楼梯参与空间分析的计算方法?2)楼梯对框架结构的整体影响有多大?3)楼梯对楼梯间角柱的影响有多大?4)楼梯的布置位置对框
5、架结构的影响有什么规律?5)楼梯对高层结构的周边剪力墙有无大的影响,高层结构要不要算楼梯?6)梯柱本身的计算;7)梯梁本身的计算;8)楼梯板本身的计算;9)楼梯在大震作用下如何破坏?10)实际工程有无楼梯板的计算结果对比;11)12种楼梯类型可参与空间整体结构计算;12)4点总的结论。,1)楼梯参与空间分析的计算方法?,输入模型:8层两侧有两楼梯间,计算模型,a)确定有限元计算模型;b)举一个算例,采用GSSAP和ETABS两套软件计算,证明计算方法的可靠性。,准确的计算模型:楼梯构件包括:楼梯板、平台板、梯梁、梯柱。楼梯空间计算包括:计算单元、节点关系、互相影响、结果输出。1)楼梯板和平台板
6、采用自动剖分的空间壳单元;2)梯梁和梯柱采用多节点的空间杆单元;3)楼梯板、平台板、梯梁、梯柱、楼梯间角柱、楼梯间混凝土墙、楼梯间砖墙和框架梁之间 所有节点自动对应和剖分;4)所有构件一起参与空间分析,楼梯刚度将影响结 构刚度、周期、位移和内力等所有计算结果;(彻底处理无限刚和弹性计算的矛盾,楼梯永远是弹性的)5)输出梯梁、梯柱、楼梯板和平台板的 计算结果。(得到楼梯构件本身的受力状况)6)审图时注意在结构信息-总体信息中输出:计算中考虑楼梯构件的影响:考虑,Y向地震作用下位移:,GSSAP参数化输入楼梯并自动剖分单元,ETABS斜板输入及手工剖分单元。计算中考虑楼梯构件的GSSAP和ETAB
7、S结果对比:,结论:周期、地震作用、位移,GSSAP和ETABS的结果基本一致,所采用的计算方法是可靠的。,2)楼梯对框架结构的整体影响:框架结构特点是:本身刚度较弱,支撑的刚度远大于柱的刚度。,算例:8层两侧有两楼梯间,比较两种情况:有梯梁梯柱和无梯梁梯柱时楼梯对框架结构的整体影响,有梯梁梯柱时楼梯形成一个更复杂的支撑体系。,楼梯对框架结构的整体影响:,有楼梯(有梯梁梯柱)和没楼梯比较:,有楼梯(无梯梁梯柱)和没楼梯比较:,结论:1)有无梯梁梯柱的楼梯,对结构的整体影响不同,但都较大;2)有梯梁梯柱时楼梯对框架结构的整体影响更大。,PKPM把楼梯简化为折梁与广厦的比较:,PKPM把楼梯简化为
8、折梁模型,广厦实际计算模型,广厦(无梯梁梯柱)和PKPM简化折梁比较:,结论:1)简化折梁方法的刚度小了10%;2)PKPM的方法不适用有梯梁梯柱的楼梯;3)无法计算梯梁梯柱梯板。,广厦(有梯梁梯柱)和PKPM简化折梁比较:,每层X、Y向位移比较,楼梯刚度对结构X向和Y向的刚度都有影响,对Y向影响更大。,每层X、Y向位移角比较,对2、3层的影响最大,层数增加影响逐渐减少,所以引起的破 坏一般从2、3层开始。结论:楼梯对框架结构的整体影响:1)影响较大;2)对2、3层的影响最大。,3)楼梯对楼梯间角柱的影响:,角柱在地震中的破坏如下图:角柱跨中可能破坏,计算配筋时不能只计算柱上下端的配筋,有柱间
9、荷载和柱跨中节点时,计算应自动同梁一样求5个截面配筋,取包络。,1)楼梯间角柱首层的情况:,有楼梯(无梯梁梯柱)和没楼梯比较:,本算例结论:a)楼梯对楼梯间角柱的影响很大,因扭转不大对其它柱影响较小;b)当梯梁梯柱破坏后对角柱配筋影响增大。,有楼梯(有梯梁梯柱)和没楼梯比较:,结论:1)楼梯对楼梯间角柱的每一层的轴弯剪影响很大。,楼梯间角柱8有无楼梯时各层的轴力和弯矩:,2)楼梯间角柱每层的情况:,4)楼梯的布置位置对框架结构的影响:,改变楼梯位置从上图位置1逐渐往右移至位置6,分析对结构的影响。,从位置6到位置1:1、层间位移比从位置6的1.0增加到位置1的1.29;2、楼梯刚度对框架结构的
10、扭转变形影响增大,边柱46的轴力、弯矩和剪力在位置1比在位置6增大40%左右。,1)楼梯不同布置计算结果比较(Y向地震结果),2)楼梯在不同位置的每层位移及层间位移角比较:,结论:楼梯布置在结构的侧边,对结构的扭转刚度和每层边柱的内力有很大的影响。,按如下3种情况分析楼梯对高层结构剪力墙的影响:a)如下图1楼梯支撑在同一片墙;b)如下图2楼梯支撑在两片墙;c)如下图3楼梯支撑在两片短肢墙。,5)楼梯对高层结构剪力墙的影响 剪力墙结构特点是:本身刚度较大,斜板支撑的刚度小于墙的刚度。但楼梯搭在两片墙上形成一个组合墙来增加局部刚度(楼梯类似连梁的作用)。,结论:楼梯支撑在同一片墙时,楼梯相对墙的刚
11、度是一个小量,楼梯对结构的整体影响较小。,对结构的整体影响:,15层结构中楼梯间一侧布置一片剪力墙,a)楼梯支撑在同一片墙,结论:楼梯支撑在两片墙时,类似连梁组成一个组合墙,楼梯对结构的整体影响较大。,对结构的整体影响:,15层结构中楼梯间一侧布置两片剪力墙,b)楼梯支撑在两片墙,结论:楼梯支撑在两片短肢墙时,楼梯对结构的整体影响很大,并趋近对框架的影响。,对结构的整体影响:,15层结构中楼梯间一侧布置两短肢剪力墙,c)楼梯支撑在两片短肢墙,结论:剪力墙结构中,楼梯支撑在两片墙时,计算中应考虑楼梯构件的影响。,6)梯柱的计算:,支撑梯板的梯柱(板凳柱)承受较大拉力,梯柱上端节点破坏,有些甚至拉
12、断。,如下算例,求不同地震烈度下首层梯柱的最大拉力和钢筋直径。,结论:1)7度和7度以上时梯柱最大拉力与地震作用的大小有较大的关系;2)实际工程中7度时梯柱最大拉力也有达到200kN,7度和7度以上时梯柱按 最大拉力配筋。,底层梯柱的钢筋直径(二级钢):,7)梯梁的计算:,如下图梯梁地震中破坏比较严重,大多在梯梁的跨中发生剪扭破坏。,如下梯梁算例,给出首层梯梁在不同地震烈度下剪扭验算情况。,结论:1)梯梁剪力和扭矩随地震作用增大而增大,地震引起的剪扭起控制作用;2)7度和7度以上时梯梁须考虑抗震计算和设计。,不同地震烈度下首层梯梁跨中的剪力和扭矩。,8)梯板的计算:,如下图梯板作为斜撑构件,地
13、震作用下破坏也比较严重,一般为施工缝处拉断破坏。,两方面进行分析:a)计算梯板和楼层普通板拉压应力的量级差别;b)计算梯板施工缝处在不同地震烈度下平均拉应力,并求相应的抗拉钢筋。,90度地震下楼板拉应力云图,90度地震下楼板压应力云图,以上算例所有板采用壳元计算表明:梯板的拉、压应力2.0MPa远大于楼层楼板的拉、压应力0.3MPa,随着地震作用增加,梯板构造钢筋抵抗不了拉、压应力。,a)计算梯板和楼层普通板拉压应力的量级差别,b)梯板算例,给出梯板(施工缝在靠近上下层1/4跨处)在不同地震烈度下平均拉应力,并求相应的抗拉钢筋。,根据如下Y向地震作用下X向正应力求平均拉应力,结论:1)梯板作为
14、斜撑,拉应力随地震作用增大而增大,地震引起的拉应力起控制作用;2)7度和7度以上时梯板须按平均拉应力计算板钢筋,按恒活载计算的钢筋可能不够。,不同地震烈度下首层梯板施工缝处的平均拉应力:,9)楼梯在大震作用下如何破坏?A、采用ETABS静力弹塑性分析(PUSHOVER)柱两端采用P-M-M铰梁两端采用M3铰楼梯板为弹性壳元模拟采用顶层目标位移加载形式,铰屈服 直接使用 生命安全 防止倒塌 失去承载力 倒塌,Step1:二层梯梁屈服,Step2:1)2、3层及楼梯周围大部分梁出现屈服;2)2层梯柱上端开始失去承载力(变黄色),Step3:1)Y向框梁和梯梁进一步屈服(变蓝色);2)2层、3层梯柱
15、上端已失去承载力(倒塌变橙色),Step4:1)梯间角柱、其它梯柱进一步屈服(变青色);2)梯板弹性情况下破坏顺序:梯柱梯间角柱整个结构,B、采用ABAQUS软件进行罕遇地震条件下动力弹塑性分析.一维弹塑性单元采用ABAQUS的B31梁单元二维楼板和梯板采用壳元S4R模拟。采用弹塑性损伤模型本构关系。选取EIcentro波作为非线性动力时程分析的地震输入,三个分量峰值加速度的比值符合X:Y:Z=1.0:0.85:0.65。计算持时取20s,最大加速度取为220gal。按计算钢筋布筋,发现梯板过早损伤破坏,无法迭代下去,所以梯板取配筋率2%,钢筋D18100。,20S 最大应力,1、大震下,二层
16、柱的应力较大,部分钢筋屈服2、结构最大应力发生在梯柱上端,达到367MPa。,大震下,梯梁、梯柱、梯间角柱的塑性应变较大。梯柱钢筋塑性应变0.00525,梯间角柱塑性应变0.00306,这些位置混凝土已失去承载力。,20S 塑性应变,混凝土受压损伤图,5S开始损伤,20S,大震下2、3层梯板的损伤较为严重,与弹性计算2、3层的层间位移角较大一致。,混凝土受拉损伤图,梯板的受拉损伤下层比上层严重,而楼面板在大震下刚度基本没损失。破坏顺序:梯板梯柱梯间角柱整个结构,楼梯间是个薄弱部位。,10)实际工程有无楼梯的计算结果对比 多层框架布置两个楼梯,平面图,立体图,1)有楼梯时X向与Y向的刚度提高,层
17、位移明显减少,2)各层层间位移比表明:a)梯板造成X向刚心下移,X向地震作用下有楼梯模型扭转变形更大;b)Y向位移比表明楼梯也可能对结构有利也可能不利。,3)X、Y向地震作用下梯间角柱各层轴力表明:楼梯使梯间角柱的轴力增加很大,4)X、Y向地震作用下梯间角柱各层弯矩表明:楼梯使梯间角柱的弯矩增加很多,两端楼梯中间缝的工程算例:,本工程算例:无楼梯时根本没有扭转位移,应分成两工程计算。,11)12种楼梯可参与空间整体结构计算,每一种都形成一个复杂的支撑体系,只有参与空间分析才能实际地考虑对结构的影响。楼梯间可以任意多边形。,参数化、快速、直观布置12种楼梯,参数内容有:1)楼梯类型;2)楼梯时针
18、走向;3)是否自动布置梯梁梯柱;4)梯板的定义。(平台板自动形成),12)4点总的结论:a)结构分析中应考虑楼梯构件的刚度贡献,(地震和计算都可证明)仅通过构造措施无法保证楼梯及周边构件安全;b)楼梯刚度对框架结构影响更大,楼梯及周边构件承担更多地震力,梯间角柱、梯柱、梯板跨中应局部配筋加强;c)楼梯布置在端部会导致楼层刚心偏心加大,对边柱和角柱不利;(所有的框架结构应与楼梯一起空间分析,审图时必须严格把关。)d)剪力墙结构中,梯板支撑在两片墙时,则楼梯刚度贡献不可忽视。特别对短肢剪力墙模型,楼梯应进入空间分析。,2.填充墙刚度不均匀布置对结构的不利影响,地震中许多框架首层柱子破坏了,二层以上
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- 抗震 规范 局部 修订 计算 问题 及其 处理 办法
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