高层建筑薄弱连接凝土楼板应力分析及抗震设计.docx
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高层建筑薄弱连接凝土楼板应力分析及抗震设计
高层建筑薄弱连接凝土楼板应力分析及抗震设计
第38卷第3期建筑结构2008年3月
高层建筑薄弱连接混凝土楼板应力分析及抗震设计
1221
扶长生刘春明李永双应俊
1上海长福工程结构设计事务所200011;2北京金土木软件技术有限公司100044
[提要]楼板作为水平抗侧力构件,在承受和传递竖向力的同时,把水平力传递和分配给竖向抗侧力构件,协
调同一楼层中竖向构件的变形,使建筑物形成一个完整的抗侧力体系。
连接两个主体结构的连接板是楼板的
薄弱部位,针对薄弱连接板的平面内应力分析及其抗震设计,采用分块刚性力学模型作一些探讨。
工程实例
表明,时程分析法反映了连接板两端主体结构潜在反相运动产生的平面内应力增大效应。
对于连接板的截面
设计,推荐采用主拉应力表达式。
小震作用下,按裂缝控制等级二级,采用混凝土抗裂强度标准值作为控制连
接板混凝土核心层开裂的指标。
中震作用下,采用
水平钢筋的抗拉强度设计值作为连接板承载能力的指
标。
[关键词]水平抗侧力构件连接板平面内应力中震
分析
12
StructuralSeismicDesignandAnalysisofLinkingRCSlabinTall-buildingPAuthors:
FuChangsheng,LiuChunming,
21
LiYongshuang,YingJun1ShanghaiChinaFuStructuralDesignInc.,Shanghai200011,China;2CivilKingSoftware
TechnologyCo.,Ltd.,Beijing100044,China
Abstract:
Inseismicdesignofbuildings,floorsarehorizontalelementsofthelateralforceresistingsystem,whichplayan
importantroleintransferringanddistributionofthehorizontalforcesgeneratedbyearthquakeexcitationstoverticalelementsof
thelateralforceresistingsystem.Thelinkingslab,connectingtwomainstructuresatitstwoends,istheweakplaceofthe
floor.Aprocedureforanalysisofin-planstressesofthelinkingslabisproposedItisshownthatthepotentialou-tphase
motionofthetwomainstructureswouldcausethestressconcentrationinvicinityofholesandcornersoftheslab,whichcould
beobservedintheresultsobtainedbytimehistoryanalysisItissuggestedthattheformulafordesignofreinforcedconcrete
linkingslabunderthehorizontalseismicactionwouldbetheexpressionsintermsoftheprincipaltensilestressKeywords:
horizontalelements;lateralforceresistingsystem;linkingslab;in-planestresses;mediumstrongseismicanalysis
1钢筋混凝土楼板在地震中的作用楼板的抗震设计
研究成果已经在美国的UBC-97,
[5]
5建筑抗震设计规范6GB500112001以下简称ASCE7-95,ACI318-95等规范中得到了体现。
5高层
抗规的抗震设计方法以反应谱理论为基础,以重现周建筑混凝土结构技术规程6JGJ32002简称高规
[6]
也制订了关于楼板设计的若干条款。
例如,第4.316
期为设防目标,以构造措施保证结构具有足够延性,称
[2,3]
作基于承载力和构造保证延性的设计方法。
在地条~第41318条和第415节对楼板的构造措施分别作
震过程中,楼板自始至终地在传递和分配水平力,协调了比较详细的规定。
表81118规定了横向剪力墙沿长
方向的间距。
第101213条第6,7款规定了对于框支剪
同一楼层中竖向构件的变形。
因此,应该赋予它比竖
向抗侧力构件更高的抗震性能。
延性设计思想,结构力墙结构长矩形平面建筑中落地剪力墙的间距和落地
的延性耗能机制不应体现在楼板之中。
相反,应该采剪力墙与相邻框支柱的距离。
第1012118条对转换层
取各种措施保证楼板的抗震性能目标为B。
即小震作楼板的抗剪设计提出了要求。
第101613条对多塔楼
结构大底盘屋面楼板厚度做出了规定。
对楼板平面内
用下达到性能水准1a,中震作用下达到性能水准1b,
[4]
大震作用下达到性能水准2。
楼板的抗震设计,除应力的分析手段和方法,我国规范未作明确的规定。
了需要考虑竖向力引起的平面外弯矩、扭矩和横向剪针对结构平面具有楼板局部不连续时,对楼板薄弱部
力以外,尚应该考虑在协调变形、传递和分配水平力时位的平面内应力分析及其抗震设计,采用分块刚性力
产生的平面内剪力和轴力。
然而,现浇钢筋混凝土楼学模型作一些有益的探讨,给规范中构造措施的具体
板平面内几乎无限刚性的物理力学性能使人们对楼板落实提供一些计算依据。
的平面内应力没有给予应有的重视。
在目前的设计2薄弱连接板及其受力特点
中,往往只是在竖向荷载的作用下,确定楼板的厚
度和抗规对楼板的尺寸和平面刚度急剧变化,例如,有
配筋。
对厨房和卫生间等小跨度的楼板,厚度有时只效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%,或开洞面
取90mm。
分离式的配筋方式还常常能看到。
积大于该层楼面面积的30%,或较大的楼层错层等都
106定义成楼板局部不连续。
哑铃形平面中的哑铃把,刚方法。
但是,精确分析需要的计算工作量很难满足设
性连接连体结构中的连接体以及楼板开大洞等都具有计周期的要求。
以下应用分块刚性力学模型对连接板
应力作实用分析。
楼板局部不连续的不规则性,是楼板的薄弱部位。
薄
3分块刚性力学模型
弱楼板的两端往往连接着两个主体结构,协调着主体
分块刚性力学模型认为连接板两端主体结构的楼
结构在地震作用下的变形,形成一个抗震单元。
定义
板仍符合无限刚的假定,对连接板,放弃无限刚的假
这些薄弱部位为薄弱连接板,简称连接板。
连接板往
定,采用弹性楼板模型。
分块刚性把一个楼层平面模
往不符合刚性楼板的假定。
在地震作用下,它有可能
拟成为用弹性连接板连接的两块或若干块刚性隔板,
早于竖向抗侧力构件发生破坏。
一旦破坏,两个主体
它们有各自的质心和刚心。
地震时,刚性隔板分别平
结构成为两个独立的双塔,完全改变了结构的动力特
[1]
动以及绕各自的刚心扭转并通过连接板协调变形。
性,改变或降低或破坏了结构的抗震承载能力。
因此,
为了方便表示,图1仅给出了两块刚性隔板的示意图
连接板的应力分析和抗震设计就显得十分重要。
和对应的弹簧质量系统计算简图。
连接板两端的主体结构有着各自的自由振动特
性。
在地震波激励下,两个主体结构不仅会发生同相
运动,还会发生反相运动。
潜在的反相运动将增大连
接板在协调两端主体变形时产生的平面内应力。
它们
在连接板的截面设计中有时会起到控制作用。
当采用
弹性楼板力学模型,总刚度矩阵中计入连接板的实际
刚度,连接板内力是可以计算的。
但是对于上述的应
力增大效应,应用振型分解反应谱分析法难以得到反
图1分块刚性模型与计算简图映,因为反应谱法中的地震作用是不具备相位的。
其
一个楼层平面凝聚为6个自由度,即4个平动自
次,在结构的前几个振型中一般不具有方向相反的振
由度及2个扭转自由度。
采用带质量的拉压弹簧和剪
型。
存在于高振型中的反相振型,对于整个结构地震
切弹簧模拟弹性连接板。
应用ETABS程序,可以直接
反应的贡献是相当有限的。
因此,振型分解反应谱分
建立分块刚性模型。
程序可以采用振型分解反应谱分
析法计算得到的连接板的平面内应力往往偏小、不安
析法对结构作地震反应分析,也可以直接输入地震波
全。
当连接板两端的主体结构对称或基本对称时,板
作时程分析。
程序的后处理可以同时输出数字文件和
中的应力将有可能成倍地偏小。
振型分解反应谱分析
[7]
图形文件。
法的计算结果不能直接作为配筋依据。
4连接板的应力分析
应用通用有限元程序建立全弹性楼板力学模型,
下面通过实例来说明连接板的分析及抗震设计。
作三维时程分析是对连接板应力作精确分析的最有
效
#-2
图215楼结构标准层平面图3第10层连接板应力S分
布云图015@10MPa
11
107411弹性分析结构自由振动特性参数汇总表表1#
计算软件SATWEETABS
图2是上海阳光水景城15楼的结构平面,为不周期s21112101
等边L形平面,L形的肢长约3311~3419m,肢的典型第一振型方向角b1701916011宽度1514m。
肢之间的夹角110b。
lPb2,lPBmax
平扭动系数01980196+0102,010211000194+0106,0100
35%。
除框支层和屋顶层以外,楼盖系统采用预应力周期s11941190
第二振型方向角b81157318
平板,L形的两个肢实质上是结构的两个主体。
主体平扭动系数01990102+0197,010111000107+0193,0100
之间用楼梯平台板、候梯厅楼板等连接。
有效楼板宽
周期s11601156
度小于该层楼板典型宽度的50%。
L形的双肢中设凹
第三振型方向角b56177417
槽,槽宽118m,槽深413m,为肢宽1514m的28%。
立面
平扭动系数01050102+0103,019501010100+0101,0199
无突出或收进。
地下1层,层高5m;地上31~32层,首
了上海市抗震规程DBJ08-9-2003中规定的三条时程曲
层层高517m,层2层高3128m,其他各层层高2198m。
线SHW2波,SHW3波和SHW4波。
程序自动确定左右
檐口标高9514~98138m。
小塔楼塔顶结构标高
两块刚性楼板各自的质心和刚心。
层间位移角和位移
102188m。
采用部分框支剪力墙结构,层1框支,采用
比较大的楼层往往是连接板应力的控制楼层。
图3给
宽扁梁转换形式。
工程7度抗震设防。
剪力墙抗震等
出了振型分解反应谱法得到的层10顶板应力S的分
11
级:
底部加强部位二级,非底部加强部位二级。
框支框
布云图,同时也给出了沿y方向输入SHW3波作弹性
架抗震等级一级。
混凝土强度等级:
层1~5为C50,其
时程分析得到的应力分布云图。
高应力区集中在洞口
余各层为C40。
计算结果表明,最大位移比112。
结
边缘及核心筒和L形两个肢连接处的南北两侧,充分
构不规则性归纳如下:
1竖向抗侧力构件不连续,层1
反映了开洞引起的应力集中及双肢的变形对连接板根
框支;2平面凹凸不规则,L形平面中lPb2,lPB
max
部处应力的影响。
35%;3连接板局部不连续,有效连接板宽度小于该层
振型分解反应谱法中,程序计入了左右两个主体
典型连接板宽度的50%;4扭转不规则,楼层的最大弹
结构在同相位平动中的位移差及绕各自刚心转动引起
性水平位移或层间位移角大于该楼层两端平均值的
的位移差。
时程分析法中,不仅考虑了上述同相位
的
112倍。
位移差,还计入了潜在相位差引起的错动。
如预期的结构标准层平面和弹性连接板的范围见图2。
其
那样,时程分析法求得连接板的应力要高于反应谱法。
自由振动特性参数汇总于表1。
应用ETABS程序采用
应用摩尔应力圆求出最大剪应力S和主拉应力R。
max1
分块刚性模型分别按振型分解反应谱法和时程分析法
表2列出了有代表性的层10,21和31顶板中北侧电梯
作连接板应力分析。
考虑到震源机制、地震波的传播
井和楼梯间之间宽212m连接板中的最大剪应力S
途径和场地的地质条件三个要素,时程分析法中选取max
图4连接板最大正应力S柱状超越图
11
108和最大主拉应力R,及其对应的时刻。
图4是三条波美国ATC40对梁铰和柱铰以及其性能水准有明确的定
1
[8]
义。
对剪力墙的模拟有等代柱模型和纤维模型两大作用下S的柱状超越图。
它记录了时程分析计算所11
类,
升级会员 