關(guān)于薄弱連接樓板的抗震性能分析

陳旭元

摘 ? 要：近年來，隨著我國建筑施工技術(shù)的發(fā)展，高層建筑物的復(fù)雜體型越來越常見，這種建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，樓板局部容易存在開洞或不連續(xù)現(xiàn)象。基于此，本文以薄弱連接樓板作為研究對象，根據(jù)薄弱連接樓板的研究現(xiàn)狀和工程概況分析，分別從樓板振動特性、應(yīng)力分布、中震下樓板設(shè)計等方面闡述薄弱連接樓板的抗震性能，并通過薄弱連接樓板厚度與材料強(qiáng)度探究其對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

關(guān)鍵詞：薄弱連接 ?樓板結(jié)構(gòu) ?抗震性能

中圖分類號：TU352.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）08（c）-0132-02

薄弱連接樓板在承受豎向荷載時，還需要承擔(dān)傳遞水平荷載作用到抗側(cè)力體系上。結(jié)合相關(guān)研究表明，現(xiàn)如今的簡化設(shè)計無法有效應(yīng)用在高層建筑復(fù)雜結(jié)構(gòu)的薄弱連接樓板中，因此，本文以使用了分塊剛性模型，應(yīng)用時程分析法計算出薄弱連接樓板的內(nèi)力，并對其抗震性能展開分析，為薄弱連接樓板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 ?薄弱連接樓板研究現(xiàn)狀

1.1 現(xiàn)狀分析

薄弱連接樓板在建筑結(jié)構(gòu)中可以將豎向荷載分配到梁柱上，樓板與屋蓋之間可以相互協(xié)調(diào)變形，提高建筑結(jié)構(gòu)的整體性，這也是多重抗側(cè)力體系可以有效應(yīng)用的關(guān)鍵原因。但是當(dāng)前豎向荷載的受力構(gòu)件在地震下無法保證其可靠性，研究人員和施工單位沒有重視現(xiàn)澆混凝土樓板的應(yīng)用，薄弱連接樓板設(shè)計依然為豎向荷載作用。早前有人應(yīng)用pSEA方法加以分析，考慮了豎向荷載和水平荷載產(chǎn)生的樓板應(yīng)力與平面內(nèi)應(yīng)力對建筑結(jié)構(gòu)的影響，得知框架剪力墻下，水平內(nèi)力將成倍遞增，復(fù)雜結(jié)構(gòu)高層建筑中，對薄弱連接樓板的深入分析尤為關(guān)鍵。本文以使用有限元分析軟件建立模型，同時用到時程分析法探究薄弱連接樓板的內(nèi)力，將其與反應(yīng)譜法結(jié)果相比較，對類似的建筑樓板提出了可靠的設(shè)計建議[1]。

1.2 工程概況

某工程建筑施工中，建筑物采用了框架結(jié)構(gòu)體系，抗震設(shè)防為7度。屋面部分樓板設(shè)置了中層采光棚頂，頂部為鋼結(jié)構(gòu)屋蓋，樓板被劃分為幾塊。由于樓板屬于剛性樓板，結(jié)構(gòu)在前三階模態(tài)中體現(xiàn)出整體振動，但頂部樓板建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是剛性模型被分塊后，前三階振動表現(xiàn)為局部振動。這說明剛性樓板的假定已經(jīng)不適合用在復(fù)雜結(jié)構(gòu)下的薄弱連接樓板研究，高階局部振型在復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)作用較為顯著。

2 ?薄弱連接樓板的抗震性能分析

2.1 樓板的振動特性

薄弱連接樓板兩端主體結(jié)構(gòu)能夠自由振動。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，在地震波的影響下，建筑主體結(jié)構(gòu)會反向運(yùn)動，以此增加薄弱連接樓板的平面內(nèi)應(yīng)力，這一內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生與結(jié)構(gòu)兩端主體變形有關(guān)。應(yīng)用ETABS計算得知有關(guān)內(nèi)容，了解薄弱連接樓板的連接處，地震波作用下，第一階反向振型發(fā)生在0.472s左右;第二階反向振型發(fā)生在0.356s左右[2]。

2.2 應(yīng)力分布

分析薄弱連接樓板的應(yīng)力分布情況，將頂層樓板的厚度設(shè)定為200mm時，對于時程分析與反應(yīng)譜分析結(jié)果。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，時程分析法得到薄弱連接樓板的應(yīng)力比反應(yīng)譜法高，例如El Centro波，13.42s時薄弱連接樓板的局部最大為2.93MPa。反應(yīng)譜法中該時間的應(yīng)力為1.26MPa。對比兩種結(jié)果，二者的薄弱連接樓板應(yīng)力值相差了2.33倍。

2.3 中震下樓板設(shè)計

分析建筑物在地震中，薄弱連接樓板從頭到尾都在傳遞與分配水平力，并對該樓層內(nèi)豎向結(jié)構(gòu)件的變形情況加以協(xié)調(diào)。復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建筑樓板中，確定薄弱連接樓板的抗震性能目標(biāo)主要如下：小型地震作用下達(dá)到抗震性能水準(zhǔn)1a;中型地震作用下達(dá)到抗震性能水準(zhǔn)1b;大型地震作用下達(dá)到抗?fàn)幮阅芩疁?zhǔn)2.薄弱連接樓板的抗地震設(shè)計中，不僅要考慮到豎向力影響下平面外彎矩、扭矩、橫向剪力，還需要結(jié)合傳遞水平力時造成的剪力與軸力，綜合分析薄弱連接樓板的抗震性能。

以中型地震的設(shè)防水準(zhǔn)為例，建筑結(jié)構(gòu)中有個別構(gòu)建具有塑性，但仍然可以近似為建筑結(jié)構(gòu)整體為彈性。這時應(yīng)力為S中震≤βRSS小震。其中，β代表的是中震的放大系數(shù)，取值為0.15g/0.055g=2.72;RS代表的是非線性修正系數(shù)，在本文中取值為0.9。這一狀態(tài)下，允許薄弱連接樓板在震后維修裂縫，但鋼筋混凝土建筑樓板內(nèi)的主拉應(yīng)力值需要滿足該公式：

。其中，左邊部分表示的為中震環(huán)境下混凝土樓板主拉應(yīng)力設(shè)計值;fY和γR分別代表的是薄弱連接樓板中鋼筋屈服強(qiáng)度和承載力抗震調(diào)整系數(shù);ASV和ASH分別代表的是y向鋼筋面積與s向鋼筋面積;Sh與SV代表的為x向鋼筋間距和y向鋼筋間距;d為薄弱連接樓板厚度;α為主拉應(yīng)力方向和x軸的夾角。

取值鋼筋間距為100mm，當(dāng)薄弱連接樓板的厚度達(dá)到200mm時，能夠計算出鋼筋面積。反應(yīng)譜法中鋼筋面積為1126m2，時程分析法中鋼筋面積為2593mm2。

2.4 參數(shù)分析

2.4.1 樓板厚度影響

將兩種不同厚度的薄弱連接樓板進(jìn)行比較，其中一種薄弱連接樓板厚度為200mm，另一種薄弱連接樓板的厚度為400mm。200mm的樓板中反應(yīng)譜法的最大剪應(yīng)力為0.15MPa，時程分析法的最大剪應(yīng)力為3.17MPa;主拉應(yīng)力方面，反應(yīng)譜法為1.51MPa，時程分析法為3.45MPa。400mm的薄弱連接樓板中，反應(yīng)譜法和時程分析法的最大剪應(yīng)力分別為0.27與2.01MPa;主拉應(yīng)力分別為1.25與2.27MPa。分析此時的鋼筋面積，具體如下：200mm薄弱連接樓板中，反應(yīng)譜法與時程分析法的主拉應(yīng)力設(shè)計值分別為4.77MPa與10.98MPa，鋼筋面積為1126與2593mm2。400mm薄弱連接樓板中，主拉應(yīng)力設(shè)計值分別為3.98與7.22MPa，鋼筋面積為940與1705mm2。

2.4.2 材料強(qiáng)度影響

分析材料強(qiáng)度對薄弱連接樓板抗震性能產(chǎn)生的影響，當(dāng)薄弱連接樓板厚度取值為200mm時，分析混凝土強(qiáng)度對薄弱連接樓板配筋產(chǎn)生的影響。具體如下：C30強(qiáng)度的混凝土中，反應(yīng)譜法下主拉應(yīng)力為4.77MPa，配筋面積為1126mm2;時程分析法下主拉應(yīng)力為10.98MPa，配筋面積為2593mm2;C40強(qiáng)度混凝土中，反應(yīng)譜法下薄弱連接樓板主拉應(yīng)力為3.99MPa，配筋面積為942mm2，時程分析法中樓板主拉應(yīng)力為7.85MPa，配筋面積為1854mm2。

經(jīng)分析得知，增加薄弱連接樓板寬度可以有效改善樓板的力學(xué)性能，提升材料強(qiáng)度也有相應(yīng)的效果。如果采用增加薄弱連接樓板厚度的方法來強(qiáng)化連接板，樓板結(jié)構(gòu)自身自重與造價會提升，因此在建筑施工中不建議采用增加樓板厚度的辦法來強(qiáng)化其抗震性能。反應(yīng)譜法也被稱為振型分解反應(yīng)譜法，這種方法不適合用在分塊狀態(tài)下的剛性模型、多塔樓大底盤模型的薄弱連接樓板應(yīng)力分析中[3]。對于高層建筑的復(fù)雜體型結(jié)構(gòu)，為了了解薄弱連接樓板的實(shí)際抗震性能，建議使用時程分析法。對于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的建筑樓板，由于薄弱連接樓板需要傳遞與分配水平力，并起到抗側(cè)力體系變形的協(xié)調(diào)作用，建議施工人員在樓板的薄弱部位進(jìn)行抗震性能指標(biāo)研究，盡可能提升指標(biāo)，并綜合考慮水平力下的軸力與剪力。

3 ?結(jié)語

總而言之，分析建筑工程施工中薄弱連接樓板的相關(guān)設(shè)計參數(shù)，得知增加薄弱連接樓板的寬度、提高材料強(qiáng)度可以有效強(qiáng)化連接板的受力現(xiàn)狀，改善薄弱連接樓板內(nèi)部應(yīng)力分布，提高樓板在地震發(fā)生時的抗震性能。實(shí)際施工中，要求施工單位綜合施工現(xiàn)場情況，結(jié)合總施工成本支出，分析該地區(qū)的地理?xiàng)l件與地震響應(yīng)情況，慎重采用各類研究方法，確保薄弱連接樓板抗震性能得到保證，延長建筑結(jié)構(gòu)使用壽命。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊青.高層建筑結(jié)構(gòu)性能設(shè)計及其薄弱連接的研究[D].華南理工大學(xué)，2016.

[2] 夏林，沈淳.薄弱連接樓板抗震性能分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，2017，41（S1）：116-119.

[3] 劉宬，王耀龍.平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)中薄弱連接樓板的抗震設(shè)計[J].建筑結(jié)構(gòu)，2009，39（S1）：562-565.