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某掉层结构设计分析

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摘要:随着城市用地日益紧张,为了节约城市用地,实际工程中经常遇到掉层结构,本文通过具体工程实例,对掉层结构的抗震概念设计分析、柱底不等高嵌固端设置、水平地震影响系数的调整、挡土墙设计等问题进行分析探讨。

关键词:掉层结构;抗震概念设计;水平地震影响系数;挡土墙

由于古田县属于山区县城,山地面积多于平地面积,随着城市用地日益紧张,为了节约城市用地,利用自然地貌和坡地地形相适应的坡地建筑越来越多,实际工程中经常遇到有掉层结构的建筑。所谓掉层结构是指建筑利用坡地高差处的空间,部份结构位于陡坎上部,部份位于陡坎下部,并且最高接地点以下按层高设置楼面的接地结构。本文通过具体工程实例,对掉层结构的抗震设计概念分析、柱底不等高嵌固端设置、水平地震影响系数的调整、挡土墙设计等问题进行分析探讨。

1工程概况

本程为三层框架结构,建筑面积为2296平方米,建筑高度为12.00m,位于福建省古田县,抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度值为0.05g,设计地震分组为第一组,建筑场地类别为Ⅱ类。基础采用钢筋混凝土条型基础,以粘性土层为持力层,建筑单体立面图。

2从抗震概念设计分析出发,加强掉层结构抗震构造措施

根据《建筑抗震设计规范》(GB2011-2010)第3.4.3条及表3.4.3-2规定:“该层的侧向刚度小于相邻上一层的70%,或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%”,掉层结构刚度沿竖向突变,竖向构件不连续,明显属于竖向不规则建筑类型,而且由于首层柱底标高与基础相连不在同一标高,即底部嵌固端标高不同,产生平面刚心向短柱方向偏移,上下层刚心偏心过大,在地震作用下,扭抟效应明显加大,极易形成薄弱层。根据汶川地震及其它震害图片分析,掉层结构局部破坏严重,从震害特征分析来看,局部构件的破坏不仅发生在下掉层部位,还发生在上接地层接地的框架柱处,“研究发现,破坏的直接原因是强度和刚度不匹配,这时若再无保证框架柱延性的有效措施,破坏会更加严重。所以本工程采取加大下掉层结构抗侧移刚度,加大柱断面尺寸,加大掉层柱刚度,并在边坡陡坎挡土墙部位设置200*500的柱肋板与柱相连,在与挡土墙垂直相连的掉层结构两侧边,增设两道剪力墙来减小陡坎边坡处土压力对主体结构的不利影响;同时也加大上接地层接地部位柱断面尺寸,加大接地部位柱刚度,并且上接地层柱与非接地柱之间设置拉梁,以增强主体结构的整体性;适当加大下掉层与上接地层接地部位柱钢筋,柱箍筋均全长加密。由此同时还严格控制楼层周期比、位移比、刚度比等指标,使其满足规范要求。

3柱底不等高嵌固端如何建模设置

根据《建筑抗震设计规范》(GB2011-2010)第3.5.2条规定:“结构体系应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径”[1],所以掉层结构的柱底嵌固端正确设置是计算模型真实合理的关键所在。(1)本工程建模时下掉层柱设为一层柱,上接地面柱设为二层,在PMCAD设计参数总信息中,修改与基础相连构件的最大底标高,即下层结构层高减去此柱至条形基础顶面高度(3.6-0.6=3.0),本工程修改为3.0;(2)在接PM生成SATWE数据菜单中修改构件计算长度系数,修改上接地面柱构件计算长度系数由原来1.25改为1.0,然后计算形成SATWE数据文件。很多设计人员会忽略这一点,应引起注意。

4水平地震影响系数的调整

根据《建筑抗震设计规范》(GB2011-2010)[1]第4.1.8条及条文规定说明:“所谓局部突出地形主要是指山包、山梁和悬崖、陡坎等,情况比较复杂,对各种可能出现的情况的地震动参数的放大作用都作出具体的规定是很困难的”[1]。由此可见,规范并未明确规定掉层建筑结构或吊脚层结构地震影响系数是否需要放大,但根据汶川地震及其它震害表明,利用坡地地形高差设计的掉层结构或吊脚层结构震害比周边平地建筑震害严重多,这就需要设计人员根据实际地形地貌具体分析。所以笔者分析认为应对掉层结构的水平地震影响系数调整放大,否则在地震作用下,计算反应跟实际结果相比偏小,从而导致整体结构在地震作用下偏于不安全或安全储备不够,而且本条文为强制性条文,设计人员必须高度重视并严格执行。笔者认为掉层结构也可根据《建筑抗震设计规范》(GB2011-2010)[1]第4.1.8条文说明提供的公式:λ=1+ξα(λ为局部突出地形顶部的地震影响系数的放大系数)来确定掉层结构的地震力放大作用。本工程根据地勘报告及高程地形图分析计算:本工程5≤H<15(H为突出地形高度),L1/H=5/8=0.625,小于2.5(L1为与突出台地边缘距离),ξ取1.0;H/L=8/35=0.23,小于0.3,查表2,α=0.1(α局部突出地形地震动参数的增大幅度),所以λ=1+ξa=1+0.1*1=1.1,即本工程地震影响系数应乘以放大系数1.1。

5陡坎部位挡土墙设计应注意的问题

为减小边坡挡土墙对主体结构不利影响,尽量采用与主体结构脱离的形式设置掉层结构陡坎处挡土墙。本工程为了充分利用场地自然地貌,减少场地大挖大填对自然地貌的破坏,节约工程造价,实现绿色建筑理念,采取钢筋混凝土挡土墙与主体结构相连设计,挡土墙与主体结构共同受力的结构体系。(1)挡土墙水平荷载计算:外墙水平荷载包括地面活荷载、侧向静止土压力、地下水压力;地面活荷载侧压力:Q1=p*ka(p为地面活荷载,ka为静止土压力系数);土侧压力:Q2=ka*γ*h(γ为土的重度,h为挡土墙高度);地下水侧压力:Q3=γw*h2(γw为水的重度,h2为地下水位高度)。(2)主体结构水平侧推力计算。由于现有PKPM软件的不完善及局限性,无法输入挡土墙模型建模,进行整体计算,只能当作剪力墙输入模型,挡土墙的水平荷载不能传导至主体结构,只能通过人工换算为柱间线荷载输入主体结构进行整体计算,但此近似算法不能完全模拟真实受力状态,所以设计人员必须重视抗震概念设计,加强抗震构造措施来弥补计算软件的局限性。(3)钢筋混凝土挡土墙受力配筋计算。本工程挡土墙厚度取300mm,利用理正软件把钢筋混凝土挡土墙作为三边固端、顶部简支的板构件进行受力计算配筋。

6结语

掉层结构是坡地建筑结构中常见的一种结构形式,充分利用场地自然地貌,减少场地土方开挖,与大自然更加和谐融合,这也是现在大力倡导的绿色建筑设计理念。但由于掉层建筑自身的特殊性,结构刚度沿竖向突变,竖向构件不连续,震害比平地建筑更严重,结构设计人员更应该重视抗震概念设计,结合实际地形地貌具体分析计算,严格控制设计的各项指标,加强抗震构造措施,使掉层结构抗震性能设计更加合理优化。

参考文献

[1]GB2011-2010建筑抗震设计规范[S].

[2]龙彬.掉层结构设计中的若干问题研究[D].重庆大学,2010.

作者:黄鹤熙 单位:古田县建筑设计院

某掉层结构设计分析责任编辑:冯紫嫣    阅读:人次