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文档简介

1、 平西府车辆段与综合基地复杂剪力墙结构抗震设计肖信文,万红宇,黄跃斌,冯慧君,朱兴刚,柯长华(北京市建筑设计研究院7S1工作室,北京 100045)摘要 北京平西府车辆段与综合基地工程的特点及结构设计情况,针对工程Y向剪力墙竖向抗侧力构件不连续,采用了基于性能的抗震设计;并对结构进行多模型、多软件的反应谱和时程分析,以及局部构件的补充验算。在首层采用钢板剪力墙及二层采用变截面钢板剪力墙,有针对性地采取加强措施。计算结果表明结构的工作状态和性能均能达到设计的预期性能目标和规范要求。关键词钢板剪力墙;时程分析法;抗震性能设计;竖向不连续Steel plate shear wall Seismic

2、Performance Design of The pingxifu vehicle depot and comprehensive base Xiao xinwen,Wan Hongyu, Huang Yuebin, Feng Huijun, Zhu Xinggang,Ke changhuaAbstract: This paper aims to introduce the features and structure design of PINGTXIFU vehicle depot and comprehensive base engineering. Seismic performan

3、ce design was adopted to deal with the Y direction lateral force resisting member discontinuous problem. In addition, multi-model Analysis, response Spectrum, time History Analysis and Added checking of local parts were introduced to this design. Some targeted strengthen measures (steel plate shear

4、walls and variable cross-section shear-wall) were employed to the first floor and second floor respectively. Analysis result shows that structures performance and function can highly meet to design object and code requirements.Key words: steel plate shear wall; time-history analysis; seismic perform

5、ance design; vertical discontinuity工程概况近年来,在轨道交通枢纽上建大型商住综合体大量涌现。为了同时满足轨道交通、车站人流、商业住宅功能需求,并充分利用土地,这些建筑多采用大底盘多塔结构体系(如建于2000年北京通惠家园住宅小区项目,此住宅位于北京地铁四惠站),其抗震设计有很多难题有待解决。北京平西府车辆段与综合基地工程,该工程位于北京地铁8号线线路北端终点,其整体效果图见图1,其E-F区为两层大底盘上建3栋23层住宅,其短轴方向(Y向)剪力墙因为底部列车车道影响而无法全部落地(图2)。因此,为解决其抗震问题,工程创新采用了刚度均匀过渡的底部大开洞钢板剪力墙

6、体系。下面着重介绍该结构体系的设计目标、技术难点和计算分析结果。 ( 作者简介:肖信文,1979- 结构工程师,)结构设计参数平西府车辆段与综合基地工程E-F区的底部为两层框架大底盘结构,首层层高9.4m,二层层高4.5m,主要柱网尺寸为15.9m7.2m,12.6m8.6m。大底盘上为23层剪力墙结构,室外地坪至檐口总高度为79.4m。标准层层高2.8m。结构安全等级为二级,抗震设防类别为丙类,工程抗震设防烈度为8度(0.2g),类场地,根据勘察报告,场地特征周期为0.45s,地震影响系数max=0.16;基本风压为0.45KN/m2 地面粗糙度为B类。图1 整体效果图Y向剪力墙(a) F区

7、首层平面布置图(b) 剖面图图2 F区首层平面及剖面图设计目标和技术难点3.1 工程的复杂性平西府车辆段与综合基地工程E-F区设计的主要技术困难在于其大底盘首层顶9.4m标高以下Y向剪力墙受列车车道影响无法全部落地(X方向的剪力墙可落地)。为解决该问题,工程曾考虑了X方向是剪力墙结构,Y方向是框支转换结构体系,此种结构形式X向(纵向)刚度连续,但Y向无抗震第二道防线,对抗震极为不利,另一种考虑是高位隔震,但由于大底盘上23层剪力墙平面高宽比4,隔震效果不明显,最后选择了大开洞钢板剪力墙结构体系。其Y向结构如图3所示,为保证竖向构件连续,并考虑层刚度平缓过渡,Y方向剪力墙采用两端为T形短肢、中部

8、为十字形短肢的落地剪力墙厚墙墩,首层墙体开大洞,二层及以上各层墙体均按刚度需求开洞。 采用此方案,该结构尚存在以下超限内容:1)由于首层与二层层高相差悬殊,虽为剪力墙结构,但是Y方向落地的仅是厚墙墩,Y方向首、二层刚度比接近于0.5;2)裙房与主楼整体计算时,在地震作用下扭转位移比比较大;3)由于本工程没有地下室,虽然基础埋深满足规范要求并采用了桩基础,但还需按弹塑性大震作用抗倾覆验算。综上所述本工程结构具有一定程度的不规则性和复杂性,设计中需要采取相应的加强措施。图3 Y向墙体一三层开洞示意3.2 结构抗震设计性能目标结构设计在常规的三水准抗震性能目标的基础上,补充以下性能目标:1、在同时考

9、虑双向水平和竖向地震作用下,底部短肢墙的偏压、偏拉承载力按大震不屈服设计;2、按弹塑性的大震作用抗倾覆验算。计算分析方法和结果4.1 计算分析方法为保证计算结果的合理性,分别采用中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部编制的SATWE(2005版)和Computer&Structures,Inc编制的ETABS中文版(V9.7版)两种不同的力学模型的三维空间结构有限元分析软件进行整体计算,分析比较;小震计算时采用“安评报告”提供的地震动参数;中震、大震计算时采用规范提供的地震动参数。由于工程受力比较特殊,故本工程还补充了弹性时程分析。4.2模态分析结果模态分析得到的结构周期见表1。结构周期比较表

10、1项目SATWEETABS结构基本自振周期(s)周期(s)振型周期(s)振型T11.1333Y向1.074Y向T20.8763X向0.798X向T30.6741扭转0.576扭转T40.3826Y向0.408Y向T50.3254扭转0.327扭转T60.2640X向0.248Y向从模态分析得到的周期结果可知两种程序计算得到的周期相近,震动特性一致,第一扭转周期与第一平动周期之比满足规范要求。4.3 振型分解反应谱法和弹性时程分析结果小震作用下根据震型分解反应谱计算得到的弹性分析结果见表-2弹性计算结果比较表2软件SATWEETABS方向XYXY总剪力(KN)68003 83711 64170

11、79350 最大层间位移角1/21501/12971/26071/1209位移比1.21 1.291.46 1.24 剪重比(%)7.699.427.69.3工程采用ETABS程序进行弹性时程分析,时程分析选用Elcentro,Dsst天然波和“安评报告”提供的人工波5063。峰值加速度取70cm/s2,地震波的持续时间均大于结构基本自振周期(1.13s)的5倍,时间间隔为0.02s,满足规范的要求。时程分析楼层剪力计算对比如图4, 各工况下的底部剪力见表3。 (X向)(Y向)图4 X,Y向各工况下楼层剪力对比图 时程地震剪力/反应谱剪力 表3计算方法地震波X方向底部剪力(KN)Y方向底部剪力

12、(KN)X向时程反应谱Y向时程反应谱结论反应谱法6417079350-时程分析Dsst68100547001.060.690.65Elcentro75300701001.170.880.65人工波506358000648000.900.820.65平均值67133632001.050.80.8以上图表表明,每条时程曲线计算的楼层剪力与反应谱计算的楼层剪力虽有相差,但平均值很接近;结构底部剪力大于振型分解反应谱法计算结果的65%,三条时程曲线计算所得的结构底部剪力平均值大于振型分解反应谱法计算结果的80%,均满足规范的要求。从X,Y向剪力对比图中可知,反应谱计算得到的楼层剪力和时程计算的楼层剪力

13、很相近,设计时可按反应谱的结果设计。4.4 大震不屈服分析计算工程底部短肢墙承载力按大震不屈服验算, “安评报告”中提供的地表50年超越概率2%的地震动参数大于规范值,故按规范进行大震效应计算。计算时,剪力按大震的标准组合,材料强度按标准值进行验算,抗震承载力调整系数均取1.0,水平地震影响系数max=0.9,峰值加速度取400cm/s2 ,计算模型考虑部分构件进入塑性,结构阻尼比增大至0.07。考虑弹塑性时大震抗倾覆验算 主楼和裙房整体计算模型,进行了考虑弹塑性时大震抗倾覆验算。验算结果表明,在考虑桩23%的特征值拉力时满足设计要求。 为了考虑安全起见,对不考虑裙房有利影响的主楼整体计算模型

14、,进行了在小震、中震以及大震作用下的主楼抗倾覆验算。验算结果表明,小震下的计算结果满足设计要求,桩不受拉;中震计算结果满足要求,桩不受拉;大震结果需考虑桩拉力承受的倾覆弯矩占总倾覆弯矩13%。4.6 Y向单榀墙体底部有限元分析首层Y向墙肢较短,层高较高,通过二三层墙体采取下小上大斜墙做法,避免一层顶大梁成为转换梁,结构整体抗震计算时梁刚度不折减。考虑底部各层墙肢截面及形心位置有变化,因此对Y向一三层墙体做有限元分析,大震下的Y方向单工况应力图见图5 图5 应力图(单位:MPa)从图5可知,首层及以上各层连梁两端应力较大,在大震作用下连梁两端会出现塑性绞;首层连梁两端下部存在较大应力,为使首层连

15、梁在大震下不出现塑性绞,连梁按拉弯构件设计,设计时考虑连梁底部设置型钢与墙墩中的型钢连接,增加首层的整体刚度。关键截面设计和构造措施 首层的Y向墙墩为本工程的关键部位,混凝土强度等级为C50,钢板强度等级为Q345。承载力按大震不屈服控制,墙垛取宽1400,长度根据建筑条件分别取3400,1000,2000(如图6)。在大震作用下,墙肢截面宽度取1400时抗震计算不能满足要求,因此在墙肢内增设型钢及钢板, 做法如下:墙墩一1400 x3400(翼缘厚50,腹板厚40),墙墩二1400 x1000(翼缘厚30,腹板厚25),墙墩三1400 x2000(翼缘厚40,腹板厚30)。按照等效剪切刚度计

16、算原则,将钢板混凝土墙折算为厚1800的混凝土墙进行整体结构抗震计算。图6 构件大样图由于型钢混凝土组合结构技术规程及钢骨混凝土结构技术规程中并无类似钢板混凝土墙体计算公式,工程的钢板混凝土墙的截面抗剪承载力验算参考了中国建筑科学研究院有关研究成果。计算思路如下,按照下列公式先计算出型钢及钢板承担的地震剪力,剩余部分地震剪力由混凝土部分承担,通过调整型钢、钢板的厚度使剩余部分的地震剪力小于混凝土的抗剪承载力, Vcw1RE(0.2cfcbwhw0) Vcw=V-1RE(0.25faAa+0.5-0.5fpAp) 由于是计算大震下的抗剪截面,式中RE取1.0,大震下结构整体计算内力分析时考虑阻尼

17、比取0.07。钢板混凝土组合剪力墙构造由于首层层高较高,首二层的刚度比为0.53,并且竖向构件不连续,因此在首二层设置了钢板混凝土组合剪力墙,墙墩断面如图6,一号墙柱采用箱型截面,考虑翼缘较厚(计算需厚60),根据市场要求翼缘采用厚50,腹板采用厚40,因此翼缘伸出腹板成型,并且翼缘采用下大上小的变截面形式,充分考虑受力性能,并且更好的和二层的钢板过度。由于整个墙墩在大震作用下内力较大,纵筋较多,并且考虑墙墩和裙房转换梁及主楼连梁的纵筋和H型钢的连接,墙墩采用型截面(3D图如图7),纵筋尽量放置在外侧。考虑和混凝土的共同作用,钢板上开灌浆孔以及在翼缘上设置栓钉。二层墙厚变薄,首层的型钢改成工字

18、型钢,并且二层为变截面墙,因此在工字型钢的腹板对焊腹板变截面的T型钢(3D图如图7),图7 一号墙柱3D图结论上述计算分析表明,报告中所采用结构方案能够满足性能目标:(1)首层主楼Y向剪力墙墙墩设置型钢及钢板后承载力满足大震不屈服要求,并满足 大震下受剪截面控制条件。(2)通过裙房X向设置剪力墙,减少大底盘裙房角柱及边柱的位移,使考虑扭转的位移比满足规范要求。(3)大震下结构整体抗倾覆验算结果表明,单桩上拔力不大于单桩抗拔承载力特征值的25%,满足控制目标。另外,在首层主楼大跨连梁和裙房首层大跨梁及其支撑框架柱内设置型钢,提高了构件的承载力和延性。结构构件在按性能目标进行截面设计和钢筋、钢骨配置并采取适当的构造措施后,建筑可满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设防要求。致

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