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带夹层(越层)结构设计的思考

概述

1.  建筑功能需要,在高度比较高的首层平面约中间层高位置设置一夹层,夹层平面面积占首层平面面积比例大小不一,如下图所示:

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图1-1

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图1-2 

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图1-3

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1-4

2.  在结构设计时,规范对结构的某一些整体指标是以“层”为基准,要求自然层楼板基本完整,具有一定的平面内刚度来协调各竖向构件共同工作,自然层各竖向构件按一整体进行考虑;

3. 规范对于“侧向刚度比”、“位移比”和“抗剪承载力比”等指标均以“层”为基准,对于结构“层”不明显的结构,统计的指标没有实质意义。

4. 当夹层平面面积占首层平面面积比例大小不同,指标统计方法也不尽相同,下面参考一些资料如下:

(1)上海市工程建设规范《建筑抗震设计规程》DGJ08-9-2013第3.4.4条条文说明:

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(2)四川省超限高层建筑抗震设计图示:

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尽管两本资料规定不完全相同,但其概念基本是一致,当夹层面积占比较小时,如1-3三维视图所示,指标统计时夹层不能按一结构层来计算,应把夹层楼板下和夹层楼板上合并为一结构层来对待,如图4-2所示;当夹层占比较大时,如1-1三维视图所示,夹层楼板下和夹层楼板上分别作为一结构层来对待,如图4-3所示。

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图4-2

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图4-3

位移比

5. 对于位移比的计算的假定要求可参照一些规范,如广东省标准《高层建筑混凝土结构技术规程》DBJ/T15-92-2021第3.4.4条,如图5-1所示;《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第3.4.3条条文说明,如图5-2所示;上海市工程建设规范《建筑抗震设计规程》DGJ08-9-2013第3.4.4条条文说明,如图4-1所示。

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图5-3在两柱顶加两个X正向水平力500KN ,图5-4为采用“不强制采用刚性楼板假定”参数计算的水平位移图,图5-5为采用“对所有楼层采用强制刚性楼板假定”参数计算的水平位移图,两种计算结果完全不同,设计时应意识到不同的计算假定对计算结果的影响,根据实际情况而定。

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图5-5

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综合以上,位移比可分块刚性板进行计算,而不限于计算模型全层刚性板假定,比如三维视图1-4,夹层楼盖处位移比统计时,按左和右两块刚性楼板分别计算位移比,并且软件参数设置中应选择“不强制采用刚性楼板假定”,分块刚性楼板功能在前处理板属性指定。

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6. 以一简单算例进行计算说明,计算条件如下:

(1)各层层高均为4000mm,共6层(含夹层),柱网尺寸为6000mmx6000mm;

(2)柱截面尺寸为500mmx500mm,梁截面为250mmx500mm,板厚120mm;

(3)梁板柱混凝土强度等级均为C30;

(4)梁上线荷载为10KN/M,板恒荷载为1.5Kpa,活荷载为2.5Kpa,基本风压0.65 Kpa,B类场地;

(5)地震动参数:7度0.1g,一组二类场地;

(6)模型三维视图如下图;

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(7)软件参数设置中选择“不强制采用刚性楼板假定”,以确保为分块刚性板,而不是全层刚性板假定;

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7.  YJK软件位移比计算结果如下所示

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对于夹层,YJK软件统计出来的位移比包括了ACDF区域,此位移比是没有实质意义的,夹层正确的位移比只需统计BCDE区域即可,提取夹层Y正偏规定水平力Y向水平位移,下图所示:

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手工复核,夹层楼层与层间正确位移比应该是

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而YJK软件计算的位移比为

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YJK软件结果是不正确的,因为软件统计的平面范围不正确。

提取二层和夹层Y正偏规定水平力Y向水平位移,下图所示:

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二层楼层位移比计算:计算对象为上图的左图青色两柱。

最大位移为12.53mm,最小位移为5.73mm

手工复核,二层楼层位移比

YJK软件计算的位移比也为1.37,两者相等,因为手工与软件统计的平面范围一致。

二层层间位称比计算:计算对象为上图的右图青色两柱,应与下层楼盖范围相对应。

最大位移为8.28-3.45=4.83mm,最小位移为5.73-2.31=3.42mm

手工复核,正确的二层层间位移比应该是

而YJK软件计算的位移比为

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YJK软件结果是不正确的,因为软件统计的平面范围不正确。

8.  位移比小结:

(1)位移比可分块刚性板进行计算,而不限于计算模型全层刚性板假定,分块刚性楼板功能在前处理板属性指定(平板默认为刚性板)。

(2)对于带夹层结构的位移比统计时,仅需对有楼板的区域进行统计,无楼板仅有柱节点的区域无需统计,故,需要手工复核每块刚板位移比,而不能采用软件计算结果。

侧向刚度比

9.  当夹层面积占比比较小时,应采用并层的侧向刚度,即把夹层楼板下层和夹层楼板上层合并为一层计算侧向刚度,再与上层侧向刚度进行对比,而不能把夹层与上层进行侧向刚度对比,如下图所示:

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侧刚比分层模型方法:夹层按一标准层输入,需要手工复核侧向刚度比。

下图为分层模型计算的侧向刚度

模型一层与模型二层X向刚度比为3.8111/2.7091=1.407

模型一层与模型二层Y向刚度比为4.4936/2.5845=1.739

误判一层为非软弱层,计算结果有误

为避免提取质心位移值的麻烦,简化处理,参照MIDAS Building结构大师计算原理说明书,侧向刚度采用地震剪力与非偶然偏心平均位移比值进行计算,如下图所示:

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提取各楼层地震剪力如下图所示:

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提取各楼层位移如下图所示:

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一层(合并楼层)X向侧向刚度:力/平均位移=1555.87/10.03=155.122

一层(合并楼层)Y向侧向刚度:力/平均位移=1413.68/10.06=140.525

二层X向侧向刚度:力/平均位移=1356.82/3.94=344.371

二层Y向侧向刚度:力/平均位移=1233.84/4.38=281.699

一层(合并楼层)与二层X向刚度比为155.122/344.371=0.450

一层(合并楼层)与二层Y向刚度比为140.525/281.699=0.499

由以上结果可知,一层为软弱层

侧刚比并层模型方法:把模型1层和模型2层合并为一层,夹层按层间梁输入,板按层间板输入(下图柱子连续不断开,层高为8000的并层模型)

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下图为采用并层模型计算的侧向刚度

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一层(合并楼层)与二层X向刚度比为1.4672/3.3534=0.438

一层(合并楼层)与二层Y向刚度比为1.4806/2.9979=0.494

由以上结果可知,一层为软弱层

并且,手工复核分层模型的一层判断结果与并层模型判断结果基本一致,这个才是带小面积夹层的合理侧刚比结果。

10.  侧向刚度比小结:

(1)对于带小面积夹层的结构在侧向刚度比判断时,小夹层不可以当作一楼层,应与下一层合并为一大楼层进行计算判断。

(2)在计算相邻楼层侧向刚度比时,如果夹层采用分层模型进行整体计算,需要手工复核判断结构是否为软弱层,不允许采用软件的判断结果;当采用并层模型时,软件计算的侧向刚度比可直接使用。

(3)可根据实际情况需要,采用分层模型或并层模型中的一种进行整体计算,哪个方便建模选哪个。

位移角

10.  带夹层的结构采用分层模型整体计算时,对于越层柱的位移角统计采用分段的结果是不正确的,应按柱子总高度进行计算。

软件计算Y向位移角如下图所示:

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提取非偶然偏心非双向地震位移结果,如下图所示:

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复核软件计算过程

一层位移角:5.42/4000=1/738,与上图一致

二层位移角:(13.26-5.42)/4000=1/510,与上图一致

但是,都是不正确的,越层柱分两段计算了,该部位层高应为8000,按并层计算才合理。

以下手工复核Y向位移角,提取非偶然偏心非双向地震位移结果,如下图所示:

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一区位移角:3.14/4000=1/1274

二区位移角:MAX(7.58-3.14,6.36-2.79)/4000=1/901

三区位移角:13.26/8000=1/603

取最不利结果,位移角取为1/603,这个才是合理的位移角

11.  位移角小结:

(1)对于带夹层结构的位移角,应按楼板范围、柱子总长度进行分区分别统计。

(2)软件统计的位移角有误,需要手工复核,不可直接取用软件计算结果。

风荷载

12.  以一个新模型采用常规方法和精细化方法分析对风荷载计算的不同。

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(1)常规方法:

采用常规方法对风荷载计算时,软件总是把楼层总风荷载分配到楼层各个节点上进行整体计算,如下图所示:

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(2)精细化方法:

对于楼板完整性不是很好的结构采用常规方法计算就很有问题了,如本算例,在X向正风压作用下,左侧24米通高无楼板相连,X向左侧风荷载体型系数为0.8,右侧风荷载体型系数为-0.5,总体型系数为1.3,也即是左侧将承受全楼0.8/1.3=61.5%的风荷载,如果还采用常规方法计算,这个误差应该不小。

这个问题可以采用精细化方法进行计算,如下图参数设置:

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精细化方法的风荷载仅直接作用在最左侧和最右侧表面,中间竖向构件水平力将只能通过楼板传递过去,这才是符合真实受力的计算简图,在X向风荷载作用下,整体变形图如下所示,变形形状符合实际。

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13.  风荷载小结:

(1)对于内部高大空扩的结构,风荷载应采用精细化方法进行计算,不能按一般常规结构方法计算。

(2)风荷载只能直接作用在建筑物表面,而不能直接作用于建筑内部,内部只能通过楼板和竖向构件刚度进行传递分配。

构件设计

14.  框架柱

对于柱子,软件可自动识别构件实际长度,如下图,但有些项目发现识别不出来构件实际长度,高大柱子还是每个都复查一遍稳妥。

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15.  剪力墙

(1)分层输入剪力墙,计算结果如下:每端边缘构件面积为1428mm2

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从以上计算书可发现,墙体计算高度仅一层高度4000mm,其真正的高度应为24000mm,软件也没有修改墙体高度的功能,配筋需要手工复核。

(2)仅顶层伸入的剪力墙,通过修改墙底标高下伸,计算结果如下:每端边缘构件面积为39824mm2

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手工复核此墙边缘构件配筋,按《混混凝土结构设计规范》GB 50010-2010第6.2.15条轴心受压:

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计算长度系数

总配筋面积As=(1210.1*1000/0.9/0.038-2500*200*14.3)/(360-14.3)=81669mm2

墙身配筋面积(0.25%配筋率)As1=(2500-400*2)*200*0.25%=850mm2

每端边缘构件As2=(81669-850)/2=40410 mm2与软件结果39824 mm2基本一致,软件结果无误。

16.  构件设计小结:

(1)对于越层框架柱,计算长度软件可以识别,但也有项目发现不能识别的情况,为安全起见,对每根越层柱长度进行复核较为稳妥。

(2)对于越层剪力墙并且按分层输入时,软件不能识别实际剪力墙高度,也没有修改高度的功能,剪力墙配筋和稳定性只能通过手工复核才能使用。

(3)对于越层剪力墙,比较以上两构件计算书可发现,分层输入和通过修改墙底标高输入的剪力墙计算结果相差巨大,可以说分层输入的计算结果完全是错的,分层输入计算配筋很小,稳定性也没有超限提示。

大震弹塑性分析

17.  以一简单算例进行计算大震弹塑性计算,计算条件如下:

(1)各层层高均为4000mm,共6层(含夹层),柱网尺寸为6000mmx6000mm;

(2)柱截面尺寸为500mmx500mm,梁截面为250mmx500mm,板厚120mm;

(3)梁板柱混凝土强度等级均为C30;

(4)梁上线荷载为10KN/M,板恒荷载为1.5Kpa,活荷载为2.5Kpa,基本风压0.65 Kpa,B类场地;

(5)地震动参数:7度0.1g,一组二类场地;

(6)模型三维视图如下图;

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(7)计算软件:弹性小震采用YJK计算,大震采用SAUSAGE非线性软件计算

(8)主要参数如下图:仅用一条人工波进行计算

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18.  带夹层的本模型有几个特点:

(1)长柱和短柱数量一样多,但两者刚度完全不一样,水平力主要先由短柱承受,损伤后重新分配于长柱,长柱与短柱抗震能力不能同时发挥作用,被逐个击破。

(2)长柱偏于左边,短柱偏于右边,左侧柔右侧刚,质心刚心不重合,扭转会产生附加内力;

(3)在塑性阶段短柱损伤过于集中,降低结构变形能力,刚心相对于弹性阶段发生较大变化,同样因扭转产生附加内力;

19.  下面截些弹塑性分析主要内容图片

(1)能量图

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(2)大震位移角:Y向位移角已超过规范限值1/50

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(3)左下角框架柱顶点时程位移:Y向位移已偏离原点,时程结束后顶点未能回到原点

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(4)梁和柱混凝土损伤

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(5)梁和柱钢筋塑性应变:

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(6)构件性能状态:柱重梁轻

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20. 大震分析小结:

(1)本算例未能满足大震要求。

(2)框架柱损坏比较严重,梁相对比较轻,未能满足强柱弱梁要求。

(3)从各时刻损坏视频中可以看到,损坏是先从右侧短柱开始,损伤后刚度退化重分平水平力于长柱,随后长柱损伤刚度退化又加剧右侧短柱,重复循环。

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