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所屬欄目:物理論文 發(fā)布日期:2012-06-26 09:30 熱度:
[摘要]剛度是結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要指標(biāo),但是在實(shí)際設(shè)計(jì)中,由于計(jì)算模型的簡化和非結(jié)構(gòu)因素的作用,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)計(jì)算剛度與實(shí)際剛度存在一定偏差。本文對(duì)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中常見影響剛度各種因素進(jìn)行分析,并初步提出設(shè)計(jì)中的應(yīng)對(duì)措施。
[關(guān)鍵詞]框架結(jié)構(gòu);抗震設(shè)計(jì);剛度
一、 影響結(jié)構(gòu)計(jì)算剛度與實(shí)際剛度偏差的諸多因素
實(shí)際結(jié)構(gòu)往往是很復(fù)雜的,進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算以前,必須加以簡化,用一個(gè)簡化的力學(xué)計(jì)算模型來代替實(shí)際結(jié)構(gòu),這個(gè)計(jì)算模型應(yīng)具有明確的計(jì)算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑[1],反映實(shí)際結(jié)構(gòu)主要受力和變形特點(diǎn),同時(shí)計(jì)算模型可以略去部分次要細(xì)節(jié)以要便于計(jì)算。計(jì)算模型簡化程度取決于所使用計(jì)算工具,有比較符合實(shí)際的有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算模型,也有適用于手算的簡單力學(xué)模型。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的計(jì)算剛度往往與其實(shí)際剛度有較大出入,筆者認(rèn)為,此偏差主要來自于現(xiàn)有計(jì)算軟件對(duì)力學(xué)計(jì)算模型的簡化,沒有計(jì)入那些難于準(zhǔn)確計(jì)算的因素造成的。總體來說,沒有計(jì)入的那些因素,常常使結(jié)構(gòu)的計(jì)算剛度小于實(shí)際剛度,但在特定條件下也會(huì)使計(jì)算剛度大于實(shí)際剛度,主要表現(xiàn)為以下幾方面:
(一)造成計(jì)算剛度小于實(shí)際剛度的原因
1.填充墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度影響
現(xiàn)有計(jì)算軟件對(duì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算中,一般無法計(jì)算填充墻、裝修(飾)材料、支撐、設(shè)備等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度的貢獻(xiàn)。實(shí)際工程中,填充墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件,尤其是磚填充墻的剛度對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響是不能忽略的,由于未考慮磚填充墻的剛度常常使結(jié)構(gòu)計(jì)算周期比結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)自振周期(周期的大小與結(jié)構(gòu)剛度成反比,實(shí)測(cè)周期可以直觀的反應(yīng)結(jié)構(gòu)剛度大。┐蠛芏,填充墻的影響與填充墻的材料性能、數(shù)量、單片墻體長度、墻體完整性(開洞情況)、平面分布及與框架的連接等情況息息相關(guān)。定性地說,填充墻的數(shù)量多、單片墻體長度大、墻體開洞少且小、與框架連接好,它對(duì)框架結(jié)構(gòu)的剛度的影響就加大,反之就小。譬如,由于住宅的內(nèi)填充墻遠(yuǎn)大于廠房,因此框架結(jié)構(gòu)的住宅剛度偏差就大于廠房結(jié)構(gòu)。
一般框架結(jié)構(gòu)都有填充墻,當(dāng)填充墻多,可能會(huì)成為影響結(jié)構(gòu)剛度的主要因素。
2.基坑回填土及混凝土剛性地坪對(duì)底層框架柱的側(cè)向約束作用
通常,在計(jì)算模型中,鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的底層層高(計(jì)算高度),一般取基頂至一層樓蓋頂之間的距離。由于基頂至室內(nèi)、外之間回填土必須嚴(yán)格夯實(shí),例如樁基礎(chǔ)要求承臺(tái)基坑側(cè)壁間隙應(yīng)灌注素混凝土,或采用灰土、級(jí)配砂石、壓實(shí)性較好的素土分層夯實(shí),其壓實(shí)系數(shù)不宜小于0.94[2],同時(shí)通常在室內(nèi)都要作混凝土剛性地坪。填土及地坪將對(duì)底層柱產(chǎn)生較大的約束作用,從而使底層柱的計(jì)算高度減少,柱剛度增加,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體剛度增大。
對(duì)于當(dāng)基礎(chǔ)埋深較大的框架結(jié)構(gòu),填土及地坪對(duì)底層柱的約束,也是造成計(jì)算剛度比偏差的重要原因。
3.層間梁對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響
廠房采用混凝土框架結(jié)構(gòu)的比較多,廠房中往往要求底層層高較大,一般在底層采用上下兩排窗,之間設(shè)窗間梁。對(duì)于該窗間梁,計(jì)算模型中一般予以忽略,從而導(dǎo)致計(jì)算剛度偏小。
4.現(xiàn)澆樓板對(duì)樓面梁的剛度影響
樓板對(duì)框架梁的剛度和承載力,特別是負(fù)彎矩承載力的影響很大[3]。目前,常規(guī)的多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算,通常采用桿元結(jié)構(gòu)模型模擬梁、柱,如PK采用平面桿元模型,TAT、TBSA、SATEWE等采用空間桿元模型。上述軟件均沒有考慮由于現(xiàn)澆樓板的存在,而使梁截面實(shí)際為T形截面,客觀上,現(xiàn)澆樓板增加了框架梁及結(jié)構(gòu)的剛度。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),現(xiàn)有常規(guī)做法采用簡化方法考慮了現(xiàn)澆樓板對(duì)樓面梁的剛度增大系數(shù)1.3~2.0[4]。但是,這并不足以真實(shí)反應(yīng)現(xiàn)澆樓板作為梁的有效翼緣對(duì)線形桿元模型梁的慣性矩增大值,在彈性階段,此增大系數(shù)隨梁截面的變化而變化,見表一。
表一
梁截面
。╞xh) 樓板厚
hf 翼緣寬
b+12hf 矩形梁截面
慣性矩 T形梁截面
慣性矩 梁剛度比
250x400 100 1450 1.33E+09 2.66E+09 2
250x600 100 1450 4.5E+09 8.77E+09 1.95
250x800 100 1450 1.07E+10 2E+10 1.87
250x1000 100 1450 2.08E+10 3.74E+10 1.8
由于不同的梁有不同的增大系數(shù),準(zhǔn)確計(jì)算是無法做到的,只能根據(jù)梁截面大小經(jīng)驗(yàn)考慮,F(xiàn)澆樓板對(duì)樓面梁的剛度增大系數(shù)取值,直接影響著結(jié)構(gòu)的剛度大小。
5.樓梯等構(gòu)件對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響
建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范3.6.6條規(guī)定:計(jì)算模型的建立,必要的簡化計(jì)算與處理,應(yīng)符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀況。而一般情況是,樓梯在計(jì)算模型中通常只考慮了荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響,而沒有考慮樓梯的剛度影響,實(shí)際上樓梯的剛度在框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中是不容忽視的。同時(shí)樓梯的位置對(duì)結(jié)構(gòu)剛度分布影響非常大,對(duì)于一個(gè)樓梯偏置的結(jié)構(gòu),考慮了樓梯以后的剛度中心與質(zhì)量中心的偏心距是很大的,此種情況下結(jié)構(gòu)往往屬于嚴(yán)重不規(guī)則結(jié)構(gòu)(最大層間位移大于平均層間位移的1.5倍)。
未參與結(jié)構(gòu)整體計(jì)算的樓梯影響結(jié)構(gòu)剛度的主要因素。
6.混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度的影響
首先,設(shè)計(jì)和施工都要求結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)際強(qiáng)度不得低于設(shè)計(jì)選用強(qiáng)度。其次,混凝土的強(qiáng)度隨齡期單調(diào)增長的,其增長速度漸減并趨向收斂。正常情況下,混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)際強(qiáng)度是大于設(shè)計(jì)值的,也意味著構(gòu)件的實(shí)際彈性模量大于計(jì)算值,結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)際剛度EI也會(huì)大于計(jì)算剛度。
。ǘ┰斐山Y(jié)構(gòu)計(jì)算剛度大于實(shí)際剛度的因素
混凝土構(gòu)件的剛度是隨變形和應(yīng)力狀態(tài)、配筋情況、時(shí)間等諸多因素變化的。
大多鋼筋混凝土構(gòu)件是帶裂縫工作的。鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的剛度,隨時(shí)間、長駐荷載、配筋率而變化,長期剛度B可按下式計(jì)算[5]:
其中;
Mk--按荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算的彎矩,取計(jì)算區(qū)段內(nèi)的最大彎矩值;
Mq--按荷載效應(yīng)的準(zhǔn)永久組合計(jì)算的彎矩,取計(jì)算區(qū)段內(nèi)的最大彎矩值;
Bs--荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合作用下受彎構(gòu)件的短期剛度;
θ--考慮荷載長期作用對(duì)撓度增大的影響系數(shù),與縱向受壓鋼筋配筋率等因素有關(guān),在1.6~2.0之間。
鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的長期剛度小于短期剛度。當(dāng)彎矩M大于開裂彎矩Mr后,隨著彎矩M(或彎曲應(yīng)力)增大,構(gòu)件上裂縫開展深度增加,截面有效高度減小而剛度降低。但是,在彈性變形階段,裂縫對(duì)受彎構(gòu)件的剛度影響較小,當(dāng)進(jìn)入彈塑性和塑性變形階段,裂縫對(duì)受彎構(gòu)件的剛度影響是不可忽略的因素。
(三)其它影響因素的影響
計(jì)算簡圖忽略諸多次要因素產(chǎn)生的模型誤差
計(jì)算模型的假定和邊界條件的處理與實(shí)際的差別是無法完全消除的。比如,實(shí)際結(jié)構(gòu)的質(zhì)量沿豎向是連續(xù)分布的,振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的簡化與實(shí)際建筑存在連續(xù)介質(zhì)離散化的差異,自然也就存在計(jì)算結(jié)果的數(shù)值差異。
總而言之,由于鋼筋混凝土材料性能的離散性、實(shí)際結(jié)構(gòu)的多樣性和影響因素的不可控性,很難建立一個(gè)通用的可用于精確計(jì)算的本構(gòu)模型。
二、 設(shè)計(jì)中對(duì)影響剛度的主要因素處理
(一)填充墻的影響
填充墻對(duì)剛度的影響不容忽視,我們可以采取以下幾點(diǎn)措施來確保設(shè)計(jì)的合理性。
1、我們?cè)谠O(shè)計(jì)過程中冝選用輕質(zhì)墻體材料[4],如加氣混凝土砌塊,輕質(zhì)隔斷等,以減少填充墻體對(duì)結(jié)構(gòu)的附加剛度,同時(shí)可以減少墻體自重。
2、由于填充墻剛度效應(yīng)的存在使得結(jié)構(gòu)自振周期減小,從而使作用于整個(gè)建筑上的水平地震作用增大。可根據(jù)墻體的具體情況,選用合理的周期折減系數(shù)[4]。采用折減系數(shù)調(diào)整時(shí),要求結(jié)構(gòu)剛度、質(zhì)量(荷載)、填充墻在平面內(nèi)和沿豎向均勻分布。
3、填充墻在平面內(nèi)應(yīng)滿足均勻分布的要求
采用周期折減系數(shù)調(diào)整填充墻對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響時(shí),必須考慮填充墻的位置及分布情況。水平地震作用產(chǎn)生的內(nèi)力增加部分,按混凝土柱抗側(cè)移剛度分配,并未針對(duì)性的考慮與填充墻直接相連的框架柱的剛度增加部分,這是不合理的。特別當(dāng)采用過小的周期折減系數(shù),這種失真程度將明顯增大。在平面布置中,墻體布局應(yīng)做到均勻、平衡,以減少抗側(cè)剛度偏心所造成的扭轉(zhuǎn)[4]。
1、 填充墻沿豎向應(yīng)滿足均勻分布的要求
設(shè)計(jì)帶填充墻框架結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)避免形成上下層剛度變化過大;避免形成短柱[4]。由于填充墻剛度效應(yīng)的存在,填充墻框架結(jié)構(gòu)在一上下層墻體數(shù)量差異巨大時(shí)可能產(chǎn)生薄弱層效應(yīng),譬如底層為架空層沒有墻體,上部為住宅的“雞腿”結(jié)構(gòu)。
2、回填土對(duì)基礎(chǔ)埋深較大的框架結(jié)構(gòu)的影響
對(duì)于基礎(chǔ)埋深較大的框架結(jié)構(gòu),我們可以采取在地面處設(shè)拉梁,增加一層地面結(jié)構(gòu)層,地面以下設(shè)置為地下室地方法來考慮回填土對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響。
3、樓梯、窗間梁的影響
對(duì)于樓梯、窗間梁應(yīng)盡可能在模型中按實(shí)際情況予以考慮。窗間梁可以在模型中設(shè)置為層間梁;如果有吊車荷載,必須建一層時(shí),可以根據(jù)未建層時(shí)的情況,人工指定薄弱層。
三、 結(jié)論和建議
1.由于結(jié)構(gòu)計(jì)算模型忽略實(shí)際結(jié)構(gòu)中的次要因素,導(dǎo)致計(jì)算剛度小于實(shí)際剛度,應(yīng)在設(shè)計(jì)中對(duì)計(jì)算周期進(jìn)行折減,適當(dāng)增大結(jié)構(gòu)剛度,提高地震作用力,抗震設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)周期=計(jì)算周期×折減系數(shù)。
2.填充墻布置時(shí)應(yīng)考慮水平與豎向的均勻性,減少結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。
3.計(jì)算模型簡化時(shí)應(yīng)盡量符合實(shí)際結(jié)構(gòu),對(duì)于忽略的次要部分應(yīng)在抗震概念設(shè)計(jì)中予以統(tǒng)籌考慮。
參考文獻(xiàn)
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文章標(biāo)題:抗震設(shè)計(jì)中影響混凝土框架結(jié)構(gòu)剛度諸多因素的探討
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