带非全埋地下室的高层建筑嵌固端的选取研究

1、文章编号 1000 5269( 2013) 02 0095 04带非全埋地下室的高层建筑嵌固端的选取研究 张诚江，肖常安*( 贵州大学 土木建筑工程学院，贵州 贵阳 550025)摘 要: 高层建筑在进行结构分析之前应首先确定结构嵌固端所在的位置。本文采用 m 法模拟回填土对于高层建筑地下室的约束，并运用有限元分析软件 midas gen 对结构进行静力弹塑 性分析。研究得出，一面开敞的非全埋地下室嵌固端可选在地下室顶板处，并在一定范围内可通 过增大连梁及框架梁刚度与增加底层竖向构件配筋的方法来延迟地下一层塑性铰出现的时间， 使结构趋于安全。关键词: 非全埋地下室; 嵌固端; m 法; 静力弹

2、塑性分析; 塑性铰中图分类号: tu973 21文献标识码: a嵌固端是高层建筑结构进行计算时的一个重要假定，是指除能承受轴力、弯矩、剪力之外，x 方 向水平位移、y 方向水平位移、竖向位移、转角位移 均为零的部 位; 若按在地震作用下的屈服机制而 言，塑性铰出现的部位应该位于嵌固端上部的塔楼 底层。贵州山地较多，很多高层建筑依山而 建，建 筑 两侧室外地坪存在高差，使得有些建筑的地下室一 面开敞。建筑抗震设计规范gb50011 2010 第6 1 14 条条 文 说 明 指 出: 地下室顶板作为上部结 构的嵌 固 部 位 时，“所指地下室应为完整的地下 室”，即全 埋 地 下 室1。在 多

3、数 情 况 下，新 规 范 的 建议不经济并有可能造成基础埋深不足。本文将 探讨: 当结构满足抗规6 1 14 条各项规定，且地 下室一面开敞时，地下室顶板可否作为结构的嵌固 端。图 1 地下室外墙受力模型p = p1 + p2( 1)h= p dz式中 p1( 2)0其中 p 为墙上任意点所受的弹性抗力，其与该点的墙所在平面外的位移 y 成正比，而与相邻点的 位移无关，表达式为:p = c y( 3)式中，c 为地基系数，单位为 kn / m3 ，由 m 法，地基系数 c 与该点埋深 z 成正比，即1土体约束的模拟地下室外墙与土体的相互作用较为复杂，本文( 4)c = m z采用一种土弹簧的

4、计算模型，将地下室周围的土体视为一系列垂直于墙面且侧面无摩擦的土柱 ( 即 一个个独立的弹簧，此弹簧只能是压弹簧而不是拉 弹簧) ，同时地下室外墙还受到静止土压力的作 用。其受力模型如下图:地下室外墙所受的力 p 等于墙压缩土体产生 的弹簧反力 p1 与静止土压力 p2 的和，表达式为:式中，m 为地基 土 比 例 系 数。将 ( 3 ) 与 ( 4 ) 带入( 2) 得:hhhp1 = 0 p dz = 0 c y dz = 0 m y z dz( 5)其中 yf ( z) ，为 地 下室外墙变形后的挠曲 =线方程。同时，由静止土压力的定义可得:* 收稿日期: 2013 11 12作者简介:

5、 张诚江( 1987 ) ，男，山东济南人，在读硕士，研究方向: 高层混凝土，email: chengjiangzhang_21 163 com* 通讯作者: 肖常安，email: ca caxiao gzu edu cn贵州大学学报( 自然科学版)第 30 卷96hp2 = 0 z dz( 6)2 静力弹塑性分析2 1 算例概况本算例结构类型为框架 核心筒结构，地上部 分 25 层 ( 不含出屋面的电梯维 修 间 ) ，高 度 98 4 m，其中一至三层使用功能为商业用途，层高为 4 2 m; 四至二十五层使用功能为办公用途，层高为 3 9 m 地下室 1 层，层高为 4 5 m，使用功能为

6、停车场 ( 平面图见图 2) 地震工况: 抗震设防烈度 为 7 度( 设计基本加速度值为 0 10 g) ，类场地，场地特 征周期 tg 为 0 35 s，阻尼比为 0 05，设计地震分组 为第一组。2 2 荷载 位移曲线在大震情况下，高层建筑的塑性铰首先出现的 部位应该位于嵌固端以上的塔楼底层。本文运用 有限元分析软件 midas 对结构进行静力弹塑性分图 2 一面开敞地下室平面图析( 以 x 向的静 力 推 覆 为 例) ，将带有四周约束的 全埋地下室的高层建筑( 模型 a) 与带有一面开敞 的非全埋地下室的高层建筑( 模型 b) 进行对比分 析，研究在大震情况下核心筒剪力墙、连梁及框架

7、柱的塑性铰 出 现 的 位 置、出现的顺序及其发展情 况，从而确定嵌固部位的位置。图 3 为模型 a 与模型 b 的静力弹塑性分析的 荷载 位移曲线。模型 a模型 b图 3 pushover 荷载 位移曲线由图 3 可以看出，模型 a 与模型 b 的荷载 位移曲线基本相同，都经历直线上升段，水平段与 下降段。直线上升段代表弹性阶段; 随 着 位 移 增 加，结构核心筒出现弯曲塑性铰与剪力塑性铰，剪 力墙开始卸荷，内力重分配至外框架部分，此时荷 载 位移曲线进入水平段; 当框架部分的塑性铰达 到极限点时，结构继续卸荷，曲线进入下降段。2 3静力弹塑性分析中塑性铰发展示意图图 4 至图 7 为结构

8、塑性铰发展示意图，采用位移加载方式，以 0 01 m 为 1 步( step) ，浅色点代表塑性铰开始产生且处于初期阶段，深色点代表塑性 铰达到极限点状态。加载至 step8 时，模型 a 与模型 b 均首先在 2 6 层核心筒平行推覆方向的连梁处出现了 塑 性模型 a图 4模型 bstep10 塑性铰发展情况铰。随着加载过程的继续，连梁的塑性铰向上部结第 2 期张诚江 等: 带非全埋地下室的高层建筑嵌固端的选取研究97构发展( 图 4 所示) 。step1 至 step10 阶段对应图 3所示荷载 位移曲线的直线上升段。侧 1 5 层的角柱和中柱先后出现塑性铰，随后受压侧的底层框架柱出现塑性

9、铰。此 时，模 型 a 与 模型 b 的地下室高度范围内的核心筒都出现了塑 性铰且处 于铰的初期发展阶段。同 时，模 型 b 的 地下室高度范围内的框架柱也开始出现塑性铰，此 塑性铰的出现晚于地下室以上部位对应的框架柱 塑性铰的出现且保持在铰的初期 发 展 阶 段 ( 图 6 所示) 。由图 3 可以看出，由于核心筒剪力墙到达 极限点的 塑 性铰释放掉所承担的荷载，step31 至 step50 阶段对应的荷载 位移曲线进入水平段。模型 a模型 b图 5 step30 塑性铰发展情况随着加载过程 的 继 续，模 型 a 与 模 型 b 的 连 梁处 的塑性铰继续向上部楼层发 展。 进 行 到

10、step20 至 step25 时，结构顶部最大位移达到 0 2 到0 25 m，此时模型 a 与 模 型 b 的地下室顶板以上 的 1 3 层受拉的墙肢单元出现塑性铰，且该铰迅 速达到极 限 点 状 态。继 续 加 载，模 型 b 中 核 心 筒 底部地下室高度范围内的剪力墙出现剪力铰，但塑 性铰保持在初期形成的状态 ( 图 5 所示) 。由 图 3 可以看 出，step11 至 step30 阶 段 对 应 荷 载 位 移 曲线的上升段，但此时曲线上升的趋势有所减弱， 此阶段塑性铰全部集中于核心筒部位。模型 a模型 b图 7 step70 塑性铰发展情况框架 核心筒结构侧移曲线为弯剪型，类

11、似 s 形，结构中部数层的层间位移角最大，当继续加载 到 step69 时，模型 a 与模型 b 的 7 至 11 层层间位 移角 已 经 大 于 1 /100，达到弹塑性层间位移限值，弹塑性分析到此为止。此阶段两模型底部达到极限点的剪力墙塑性铰产生部位由地下室顶板以上1 至 3 层发展到 1 至 7 层; 作为第二道防线的外框 架承担起剪力墙卸掉的荷载，1 至 8 层的外框架受 拉侧角柱 和 边 柱的塑性铰先后达到极限点状态。 与此同时，平行推覆方向的地下室外墙也出现塑性 铰。模型 a 与模型 b 的地下室高度范围内的塑性铰仍保持在初期形成的状态，与此相对应的是，地 下室顶板以上的核心筒的塑

12、性铰已在 step30 之前 达到极限点状态。step51 至 step70 阶段对应的荷 载 位移曲线开始进入下降段。由以上的推覆过程可以得出: 模型 a 与模型 b 的核心筒、框架柱与连梁的塑性铰均首先出现在地 下室顶板以上，且只有地下室顶板以上的塑性铰达 到极限点状态; 在模型 b 中，地下室高度范围内的 核心筒剪力墙与框架柱的塑性铰产生的时间均早模型 a模型 b图 6 step50 塑性铰发展情况随着加载过程 的 继 续，模 型 a 与 模 型 b 的 核 心 筒上部的剪力墙陆续出现塑性 铰，当 进 行 到 step40 至 step45 时，两模型的 15 至 20 层的剪力墙的塑性

13、铰达到极限点状态，继续加载，外框架受拉贵州大学学报( 自然科学版)第 30 卷98度，当地下室一面开敞时，地下室高度范围内的核心筒剪力墙与框架柱的塑性铰产生的时间均早于 地下室四周约束的情况。( 2) 无论地下室是四周约束还是一面开敞，核 心筒、框架柱与连梁的塑性铰均首先出现在地下室 顶板以上，且地下室顶板以上的弯曲铰与剪力铰首 先达到极限点状态，而地下室高度范围内的墙铰和 柱铰直到结构达到弹塑性层间位移角限值，也未达 到极限点状态，可以续承担荷载。( 3) 由表 1 与表 2 可以得出: 增大地下一层连 梁及框架梁刚度或增加底层竖向构件配筋可以延 迟一面开敞的非全埋地下室地下一层塑性铰出现

14、的时间，但随着梁刚度的增大与配筋面积的增加， 延迟塑性铰生成的效果逐渐不明显。于模型 a。2 4对延迟塑性铰生成的影响因素的研究为了延迟带有一面开敞的非全埋地下室的高层建筑地下室顶板以下部位塑性铰生成的时间，本文对以下两种影响因素进行了研究。2 4 1影响框架梁及连梁刚度对于延迟塑性铰生成的本节建立了 3 个带有一面开敞的非全埋地下室的高 层 建 筑 模 型。模 型 1: 地下一层框架梁宽 300 mm、梁高 600 mm，连梁高度为 1000 mm、连梁 宽同剪 力 墙 厚; 模 型 2: 地下一层框架梁宽 300 mm、梁高 800 mm，连梁高度为 1500 mm、连梁宽同 剪力墙厚;

15、模 型 3: 地下一层框架梁宽 300 mm、梁 高 1000 mm，连梁 高 度 为 2000 mm、连 梁 宽 同 剪 力 墙厚。静力弹塑性分析中塑性铰生成的时间如表1 所示。表 1 不同框架梁及连梁刚度下塑性铰产生的时间3结论( 1) 四周 约 束的全埋地下室对于高层建筑底 部的约束程度要好于一面开敞的非全埋情况。条件允许情况下尽量将地下室设计为受四周土体约 束的全埋地下室。( 2) 当一面开敞的非全埋 地 下 室 满 足抗 规6 1 14 条各 项 规 定 时，地 下室的顶板符合作为结 构嵌固端的条件，可将结构的嵌固端定义在地下室 的顶板处。( 3) 当地下室一面开敞时，可以在一定范围

16、内 通过增大地下一层连梁及框架梁刚度与增加底层 竖向构件配筋来延迟地下一层塑性铰出现的时间， 使得结构 破 坏 形式趋于地下室四周约束的情况。 但考虑到经济成本与实际效果，梁的刚度与竖向构 件的配筋面积不应过大。塑性铰出现部位模型 1模型 2模型 3地下室顶板以上核心筒地下室顶板以下核心筒 地下室顶板以上外框架地下室顶板以下外框架step22step26step35step41step22step27step35step43step22step27step35step442 4 2竖向构件配筋对于延迟塑性铰生成的影响本节建立了 4 个带有一面开敞的非全埋地下室的高层建筑模型。模型 4: 地下一

17、层竖向构件纵 向配筋面积为地上一层对应竖向构件纵向钢筋面 积的 1 1 倍; 模 型 5: 地 下 一 层竖向构件纵向配筋 面积为 地上一层对应 竖向构件纵向钢筋面积的 1. 15 倍; 模型 6: 地下一层竖向构件纵 向 配 筋 面 积 为地上一层对应竖向构件纵向钢筋面积的 1 2 倍; 模型 7: 地下一层竖向构件纵向配筋面积为地上一 层对应竖向构件纵向钢筋面积的 1 4 倍。静力弹 塑性分析中塑性铰生成的时间如表 2 所示。参考文献:1 建筑抗震设计规范 gb50011 2010s 北 京: 中 国 建 筑 工 业出版社，20102 黄斌 上部结构嵌固端的选取及计算探 讨j 广 东 土

18、木 与 建 筑，2011 3( 3) : 3 53 张淑云，白国良，等 高 层 组 合 框 架 核心 筒体结构推覆分析 j 华中科技大学学报，2012 9( 40) : 95 100( 责任编辑: 王先桃)( 下转第 103 页)表 2 不同竖向构件配筋面积下塑性铰产生的时间塑性铰出现部位模型 4模型 5模型 6模型 7地下室顶板以上核心筒地下室顶板以下核心筒 地下室顶板以上外框架地下室顶板以下外框架step22step27step35step43step22step28step35step44step22step29step35step44step22step29step35step442

19、5静力弹塑性分析小结( 1) 地下 室 外墙为结构提供了较大的侧移刚 第 2 期李亚楠 等: 贵州省公路边坡防护技术调查与分析103analysis of protection technology for guizhou province expresswaysli ya-nan1 ，cheng kai-sheng2*( 1 guizhou expressway co ltd，guiyang 550001，china，2 civil and architecture school of guizhou university，guiyang 550003，china)abstract: the

20、 stablization of slope is one of research hot points presently based on in-situ investigation，observa-tion，and statistic method，the slope informations including protection type，slope type，slope height，slope angle， geological structure，stability and vegetation for guizhou province highways are analyz

21、ed so as to offer scientific basis for the design，construction and maintenance of the highway slope now and futurekey words: guizhou province; highway slope; protection technology; investigation and analysis( 上接第 98 页)research on the fixings of the tall-building with semi-basementszhang cheng-jiang，xiao chang-an*( college of civil engineering and architecture，guizhou university，guiyang 5500