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1研究背景和研究意義
“5.12”汶川大地震造成了巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。據(jù)媒體報道,這次地震中,巨大的人員傷亡主要來自于多處建筑物受大地震作用而倒塌。災(zāi)難發(fā)生后,我國出臺了《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(2008年版)作為行業(yè)現(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)范。從這次修訂的具體內(nèi)容來看,其中有增改的第3.6.6條規(guī)定:“利用計算機進行結(jié)構(gòu)抗震分析,應(yīng)符合下列要求:計算模型的建立、必要的簡化計算與處理,應(yīng)符合結(jié)構(gòu)的實際工作狀況;計算中應(yīng)考慮樓梯構(gòu)件的影響。”對應(yīng)的規(guī)范條文說明是這樣解釋的:“本次修訂,考慮到澆筑樓梯的梯板等具有斜撐的受力狀態(tài),對結(jié)構(gòu)的整體剛度有較明顯的影響。建議在結(jié)構(gòu)計算中予以適當考慮。”但是,規(guī)范并沒有告訴我們,澆筑樓梯的斜撐作用對結(jié)構(gòu)整體剛度的影響具體如何,該影響能不能以量化指標體現(xiàn),是有利還是不利,不利的話具體不利在哪里,這些都成為現(xiàn)階段困擾很多結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的大問題。
而在現(xiàn)階段,我國大多數(shù)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在多層結(jié)構(gòu)中,針對澆筑樓梯所采用的簡化設(shè)計方法和手段主要有兩種:-種老傳統(tǒng)做法是,將樓梯的自重和其上的梯板面恒載活載-并折算成梁豎向均布荷載或柱子豎向荷載直接分攤加荷到樓梯間的柱子和梯梁上,結(jié)構(gòu)電算分析建模時就不考慮樓梯板的模型輸入了,樓梯間在平面上按樓面開洞處理;另一種是在結(jié)構(gòu)電算建模時,將樓梯間按樓層面板一樣布置,但板的厚度設(shè)置為0,人為指定其為虛板,在虛板上再輸人樓梯的面實際恒活荷載。這樣的設(shè)計方法主要是受到目前我們國內(nèi)多數(shù)結(jié)構(gòu)電算分析軟件功能的限制,不得已的情況下而采取上述兩種方法對樓梯做簡化設(shè)計。但是,無論采用上述哪一種樓梯簡化分析的方法,其實都是在結(jié)構(gòu)電算建模分析時,人為地忽略了樓梯對結(jié)構(gòu)起到的斜撐作用的影響,把樓梯簡化作為非主體構(gòu)件來進行結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計。這樣設(shè)計的后果肯定導(dǎo)致計算出來的結(jié)構(gòu)整體剛度與實際失真。
鑒于對上述抗震設(shè)計規(guī)范修訂調(diào)整的內(nèi)容和目前我國設(shè)計行業(yè)對多層結(jié)構(gòu)中澆筑樓梯結(jié)構(gòu)設(shè)計方法手段的現(xiàn)狀,開展針對樓梯的斜撐作用對多層結(jié)構(gòu)受力性能的影響的研究工作,在現(xiàn)階段顯得尤為迫切。通過樓梯對多層結(jié)構(gòu)受力性能影響的研究工作,能夠?qū)拐鹪O(shè)計規(guī)范關(guān)于樓梯的設(shè)計條文提供數(shù)據(jù)比較作為有效證明,從而能盡快地為我國結(jié)構(gòu)設(shè)計人員提供寶貴的樓梯設(shè)計參考資料。
2研究思路和模型、荷載與分析軟件的選取
2.1 研究思路
本次研究工作針對不同的目的,分別采取的研究思路是:首先,擬設(shè)計一個具有通用性和實際代表性的多層框架結(jié)構(gòu)來作為結(jié)構(gòu)分析的模型,運用SAP2000結(jié)構(gòu)分析軟件來建模進行結(jié)構(gòu)分析。建模時,分別建立有模擬實際樓梯模型(考慮樓梯斜撐作用)和不輸入樓梯模型、僅考慮樓梯傳來的荷載模型(不考慮樓梯斜撐作用)。通過兩種不同模擬效果的模型,輸入同樣的恒活荷載和水平地震作用,分別進行同樣條件的結(jié)構(gòu)分析，得出各自的低階振型 周期值進行比較,得出剛度上的差異,從而來探討樓梯斜撐對多層框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的影響程度。
其次,借用上述的框架結(jié)構(gòu)模型，將樓梯間在建模時分別布置在平面中心、平面角落以及兩向邊跨的中部,各自進行同條件結(jié)構(gòu)分析,得出各自的低階振型 周期值進行比較和分析樓梯布置在多層框架結(jié)構(gòu)平面的不同位置會對結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度造成怎樣不同的影響效果。通過上述的研究方法,可以從各個結(jié)構(gòu)模型的抗側(cè)剛度,比較直觀地反映出樓梯對多層框架結(jié)構(gòu)的整體受力性能的影響。
2.2模型的選取
為了使得進行結(jié)構(gòu)分析后用于數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)較有針對性和代表性,特為本研究工作設(shè)計了一個6層的現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)的模型。該框架結(jié)構(gòu)的層高均為3 m ,結(jié)構(gòu)平面如圖1所示,這樣的模型平面設(shè)計主要是考慮:1 )方便建模時樓梯間在平面布置的時候可以選擇分別布置在平面中心、平面角落、平面兩向邊跨中部;2)分成面積大小一樣的小單元,使得各單元結(jié)構(gòu)平面剛度相等,從而可以在一定程度上忽略掉樓梯間開間過小導(dǎo)致平面剛度過大的影響,使得我們?yōu)檠芯繕翘菪睋螌Y(jié)構(gòu)剛度的影響減少干擾因素。
其次,澆筑樓梯模型選用國內(nèi)常見的鋼筋混凝土雙跑式板式梯。而且,為了使得樓梯能夠有效發(fā)揮其斜撐效應(yīng),設(shè)計樓梯單元如圖2所示。所有樓梯間在布置雙跑式板式梯時,樓梯斜跑方向均平行于Y軸。
再次,考慮樓梯模型輸入，板式樓梯的板厚度取180 mm;不考慮樓梯模型輸人的,不輸人板式樓梯板,而在樓梯間平面單元的板厚取0 mm,人為設(shè)定為虛板,僅起傳遞荷載的作用。所有構(gòu)件均采用C30鋼筋混凝土。鑒于上述考慮和研究的需要,本次研究工作總共建立8個層高-樣、框架梁柱平面布置也一樣的6層現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)電算模型。
所有模型分為兩大類:一類是考慮樓梯斜撐作用對結(jié)構(gòu)的影響,在建模時模擬實際將樓梯模型加入結(jié)構(gòu)模型中作為整體結(jié)構(gòu)的一部分來一起進行結(jié)構(gòu)電算分析;另一類是不考慮樓梯斜撐作用對結(jié)構(gòu)的影響,模型中不輸人樓梯實際模型，只是考慮將樓梯自重與其所承受的恒活荷載折算成為架立樓梯用的框架梁柱的梁上荷載。每一類又分別將樓梯間布置在平面中心、角落、X邊跨中和Y邊跨中。
2.3荷載的取值與結(jié)構(gòu)電算建模分析軟件的選用
為了使得模型進行結(jié)構(gòu)分析后的數(shù)據(jù)更接近實際和更有比較性,本次研究工作在所有模型.上所加的荷載都模擬工程實際按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》取相同的值。另外,地震作用按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(2008版)模擬汕頭市區(qū)的抗震設(shè)防烈度為8度的要求來取值。在選取結(jié)構(gòu)電算分析軟件工具時,選用了SAP2000(v11)中文版結(jié)構(gòu)分析軟件來作為此次研究的輔助電算結(jié)構(gòu)有限元分析軟件工具。
該軟件結(jié)構(gòu)有限元三維建模與分析功能強大,能用“殼"來模擬雙跑式板式樓梯進行3D建模并單元劃分后加人框架結(jié)構(gòu)整體中進行結(jié)構(gòu)有限元分析。
3澆筑樓梯對多層現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)整體性能的影響研究一不同結(jié)構(gòu)模型的前 三階周期比較
通過上述8個模型的選取與荷載取值,考慮雙向水平地震作用,運用振型分解反應(yīng)譜法,采用SAP2000結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件對各個模型分別進行結(jié)構(gòu)有限元分析,從而從大量分析結(jié)果的數(shù)據(jù)中提取出各個結(jié)構(gòu)模型在較不利工況下相應(yīng)的前三階振型的周期值,然后匯總成表格進行詳細觀察與比較,見表1,表2,從中找出數(shù)值的差異。并分析所整理的數(shù)據(jù)差異導(dǎo)致的原因,以此來研究雙跑式板式樓梯對多層現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)整體性能的影響規(guī)律。
4結(jié)語
經(jīng)過上述模型的結(jié)構(gòu)電算分析和數(shù)據(jù)整理比較,對數(shù)據(jù)比較結(jié)果產(chǎn)生差異的原因進行客觀的分析?，F(xiàn)將本次研究工作中關(guān)于雙跑式板式樓梯的斜撐作用對多層現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)整體受力性能的影響的結(jié)論匯總整理如下:
1)雙跑式板式樓梯的斜撐作用使得多層現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)的平動為主第-周期和扭轉(zhuǎn)為主的第-周期有所減少,一定程度上增大了結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)抗扭剛度,特別是樓梯在角落時,抗扭剛度計算誤差很大。這提醒我們廣大結(jié)構(gòu)設(shè)計者在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時,應(yīng)在結(jié)構(gòu)電算建模時,選用能進行結(jié)構(gòu)三維模擬的結(jié)構(gòu)分析軟件,將樓梯建模輸人結(jié)構(gòu)整體模型中,以考慮樓梯斜撐作用對結(jié)構(gòu)的剛度影響,才能獲得較為真實的、符合結(jié)構(gòu)實際狀態(tài)的結(jié)構(gòu)剛度數(shù)據(jù)。
2)考慮澆筑樓梯的斜撐作用之后,樓梯間的平面位置布置不同,對結(jié)構(gòu)剛度有一定的影響。特別是樓梯間布置在角落時抗扭剛度變大較明顯。
3)雙跑式板式樓梯對多層現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)的斜撐作用
在順著梯跑的方向上要大于垂直梯跑的方向。雙跑式板式樓梯對多層框架結(jié)構(gòu)的斜撐作用大小與其梯跑方向密切相關(guān)的研究結(jié)論,可以為我們廣大設(shè)計者所利用。在實際工作中，可以根據(jù)設(shè)計者的需要,通過樓梯斜跑的水平方向的適當調(diào)整,從而人為.增大或減少結(jié)構(gòu)某方向的剛度,以獲得設(shè)計者所要的剛度控制。
本次研究工作的成果,提醒我們結(jié)構(gòu)設(shè)計工作者應(yīng)該高度重視澆筑樓梯的斜撐作用對結(jié)構(gòu)的影響。在實際設(shè)計工作中，按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(2008年版)的修訂內(nèi)容要求,在進行結(jié)構(gòu)電算分析時,電算結(jié)構(gòu)模型的建立應(yīng)能有效地模擬建筑結(jié)構(gòu)的實際工作狀況，特別是在結(jié)構(gòu)模型中建立樓梯結(jié)構(gòu)模型,考慮樓梯構(gòu)件對結(jié)構(gòu)整體的受力性能影響。如果不考慮樓梯對結(jié)構(gòu)的斜撐作用，設(shè)計出來的結(jié)果將與實際情況產(chǎn)生較大背離,造成設(shè)計上的質(zhì)量安全隱患。
希望本次研究工作的成果,能幫助廣大結(jié)構(gòu)設(shè)計工作者更深人地認識澆筑樓梯對多層框架結(jié)構(gòu)整體性能的影響，從而進一步地理解《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(2008年版)中關(guān)于樓梯條文修訂內(nèi)容，在實際結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中,應(yīng)考慮樓梯斜撐對結(jié)構(gòu)的影響,以設(shè)計出更安全更可靠的建筑結(jié)構(gòu)。
