抗震规范局部修订的计算问题及其处理办法20090301

抗震规范局部修订的计算问题及处理办法吴文勇焦柯广东省建筑设计研究院深圳市广厦软件有限公司2009年1月根据住房和城乡建设部建标函[2008]225号关于做好《建筑工程抗震设防分类标准》和《建筑抗震设计规范》的实施工作，严格执行，监管到位的通知精神。大家已组织学习和宣贯培训了新的设计规范，针对局部修订内容的部分规范条文，在执行上还存在疑问，在进行施工图审查中应统一标准。对其中一些新的计算要求，我们做了深入的研究，今天就研究成果作一下介绍，更好地贯彻执行新的国家标准。背景:1、广厦结构CAD是国内两大结构CAD之一，广厦是陈星总工和容柏生院士一手指导下建立的一个以设计院为背景的结构研发中心；研发中心的技术骨干来自北大力学系，二十多年来一直从事结构计算的研究工作，使我们的计算中心成为全国兄弟单位的计算中心，目前在北京、深圳和广州都有部门负责技术支持和交流工作。2、计算中心承担两个任务:1)为全国7000多家用户提供计算咨询；2)为超高超限工程进行弹性计算校核和动力弹塑性计算。每年把我们在设计、审图和咨询中遇到的问题，以及对这些问题的认识和处理办法介绍给大家，希望大家在设计过程中遇到同类问题时，在今天的讲座中能找到答案。也希望通过这次讲座，与同行有一次深刻的交流。1.计算中如何考虑楼梯构件的影响?目前结构设计中计算分析模型一般是不输入楼梯构件的，将其等效为荷载加到周边构件。原因有两个：1)工程师普遍认为楼梯构件对结构受力影响不大，通过构造措施就可以保证安全；2)结构设计软件没有提供楼梯参与整体分析的功能，若用通用有限元程序计算，斜板、梯梁和梯柱的输入和网格剖分较麻烦。思想认识和计算软件,这两个问题使以往整体模型是不考虑楼梯构件的,使我们现在的设计中存在重大的安全隐患。根据汶川地震大量楼梯构件的破坏情况，为避免类似情况再次发生，08抗规3.6.6要求计算中应考虑楼梯构件的影响。(要求一般情况下都要考虑)本条规定主要考虑到楼梯构件具有斜撑的受力状态，一般情况下对结构整体刚度有较明显的影响。(这个一般情况指的是什么情况,通过本次讲座明确这一点)建设部关于做好新的国家标准实施工作的通知：要求严格执行、监管到位，我们大家应做好以下3方面工作。1)建立新的概念：楼梯是抗震结构中类似墙、柱、梁的重要构件；2)了解楼梯参与空间分析的计算方法；3)明确什么情况下必须考虑楼梯构件的影响。本次大地震被损坏建筑的一个大的特点:大量楼梯构件的破坏(见下图），影响了逃生通道安全，造成大量人员伤亡，安全通道是最不安全的场所。08抗规的本意是要使楼梯间成为安全岛，人上了楼梯就应保证安全。楼梯构件有如下5种破坏情况：1)楼梯间垮塌3)楼梯间角柱破坏2)楼梯板拉断5)梯梁剪扭破坏4)梯柱(板凳柱)拉断以下介绍12项内容使我们设计和审图人员定量地了解楼梯对结构的影响：1)楼梯参与空间分析的计算方法?2)楼梯对框架结构的整体影响有多大？3)楼梯对楼梯间角柱的影响有多大？4)楼梯的布置位置对框架结构的影响有什么规律？5)楼梯对高层结构的周边剪力墙有无大的影响，高层结构要不要算楼梯?6)梯柱本身的计算;7)梯梁本身的计算;8)楼梯板本身的计算;9)楼梯在大震作用下如何破坏？10)实际工程有无楼梯板的计算结果对比;11)12种楼梯类型可参与空间整体结构计算;12)4点总的结论。1)楼梯参与空间分析的计算方法?输入模型:8层两侧有两楼梯间计算模型a)确定有限元计算模型；b)举一个算例，采用GSSAP和ETABS两套软件计算，证明计算方法的可靠性。准确的计算模型：楼梯构件包括：楼梯板、平台板、梯梁、梯柱。楼梯空间计算包括：计算单元、节点关系、互相影响、结果输出。1)楼梯板和平台板采用自动剖分的空间壳单元;2)梯梁和梯柱采用多节点的空间杆单元;3)楼梯板、平台板、梯梁、梯柱、楼梯间角柱、楼梯间混凝土墙、楼梯间砖墙和框架梁之间所有节点自动对应和剖分;4)所有构件一起参与空间分析,楼梯刚度将影响结构刚度、周期、位移和内力等所有计算结果;(彻底处理无限刚和弹性计算的矛盾，楼梯永远是弹性的)5)输出梯梁、梯柱、楼梯板和平台板的计算结果。(得到楼梯构件本身的受力状况)6)审图时注意在结构信息--总体信息中输出:计算中考虑楼梯构件的影响:考虑Y向地震作用下位移：计算模型GSSAPETABS总质量（恒＋0.5活）(吨)2123.6722.14E+03结构自震周期T1=1.309134(X)T2=1.059503(θ)T3=0.983395(Y)T1=1.27835(X)T2=0.97734(θ)T3=0.90094(Y)第一扭转周期与第一平动周期之比T2/T1=80.93%(T1为X平动)T2/T1=76.5%(T1为X平动)底层地震剪力(kN)X向551.62561.5Y向685.71738.4底层地震力倾覆力矩(kN-m)X向8665.428657Y向11099.1811730顶点最大水平位移(顶点位移角)X地震16.5416.2979Y地震12.2112.6669最大层间位移角所在楼层X地震1/100121/10172Y地震1/152921/14912GSSAP参数化输入楼梯并自动剖分单元，ETABS斜板输入及手工剖分单元。计算中考虑楼梯构件的GSSAP和ETABS结果对比：结论:周期、地震作用、位移，GSSAP和ETABS的结果基本一致,所采用的计算方法是可靠的。2)楼梯对框架结构的整体影响:框架结构特点是：本身刚度较弱，支撑的刚度远大于柱的刚度。算例：8层两侧有两楼梯间，比较两种情况：有梯梁梯柱和无梯梁梯柱时楼梯对框架结构的整体影响，有梯梁梯柱时楼梯形成一个更复杂的支撑体系。楼梯对框架结构的整体影响:不参与空间分析参与空间分析相差Y向层刚度28335353824790%Y向顶点最大位移(mm2)25.0110.99-56%Y向第1周期(s)1.4959410.891901-40%Y向地震作用(kN)446.23694.8555%有楼梯（有梯梁梯柱）和没楼梯比较:不参与空间分析参与空间分析相差Y向层刚度28335336457029%Y向顶点最大位移(mm2)25.0114.83-41%Y向第1周期(s)1.4959411.188313-21%Y向地震作用(kN)446.23542.0022%有楼梯（无梯梁梯柱）和没楼梯比较:结论:1)有无梯梁梯柱的楼梯，对结构的整体影响不同,但都较大;2)有梯梁梯柱时楼梯对框架结构的整体影响更大。PKPM把楼梯简化为折梁与广厦的比较:PKPM把楼梯简化为折梁模型广厦实际计算模型广厦PKPM相差Y向层刚度364570326694-10%Y向顶点最大位移(mm2)14.8316.9612%Y向第1周期(s)1.1883131.49717926%Y向地震作用(kN)542.00468.98-13%广厦（无梯梁梯柱）和PKPM简化折梁比较:结论:1)简化折梁方法的刚度小了10%;2)PKPM的方法不适用有梯梁梯柱的楼梯;3)无法计算梯梁梯柱梯板。广厦PKPM相差Y向层刚度538247326694-40%Y向顶点最大位移(mm2)10.9916.9654%Y向第1周期(s)0.8919011.49717964%Y向地震作用(kN)694.85468.98-33%广厦（有梯梁梯柱）和PKPM简化折梁比较:•每层X、Y向位移比较XD012345678905101520位移(mm)层号有梯无梯YD01234567890102030位移(mm)层号有梯无梯楼梯刚度对结构X向和Y向的刚度都有影响，对Y向影响更大。•每层X、Y向位移角比较XD012345678900.00050.001位移角(rad)层号有梯无梯YD012345678900.00050.0010.00150.002位移角(rad)层号有梯无梯对2、3层的影响最大，层数增加影响逐渐减少，所以引起的破坏一般从2、3层开始。结论:楼梯对框架结构的整体影响:1)影响较大；2)对2、3层的影响最大。3)楼梯对楼梯间角柱的影响:角柱在地震中的破坏如下图：角柱跨中可能破坏，计算配筋时不能只计算柱上下端的配筋，有柱间荷载和柱跨中节点时，计算应自动同梁一样求5个截面配筋，取包络。1)楼梯间角柱首层的情况:楼梯间角柱首层不参与空间分析参与空间分析相差Y向地震作用下轴力(kN)66141114%B边配筋面积(mm2)1556215238%楼梯间角柱首层不参与空间分析参与空间分析相差Y向地震作用下轴力(kN)66231250%B边配筋面积(mm2)1556191823%有楼梯（无梯梁梯柱）和没楼梯比较:本算例结论:a)楼梯对楼梯间角柱的影响很大，因扭转不大对其它柱影响较小;b)当梯梁梯柱破坏后对角柱配筋影响增大。有楼梯（有梯梁梯柱）和没楼梯比较:层号-轴力图012345678905010015020025090度地震柱8轴力层号有楼梯无楼梯层号-弯矩0123456789-20020406090度地震柱8X向弯矩层号有楼梯无楼梯结论:1)楼梯对楼梯间角柱的每一层的轴弯剪影响很大。楼梯间角柱8有无楼梯时各层的轴力和弯矩:2)楼梯间角柱每层的情况:4)楼梯的布置位置对框架结构的影响:改变楼梯位置从上图位置1逐渐往右移至位置6，分析对结构的影响。从位置6到位置1:1、层间位移比从位置6的1.0增加到位置1的1.29；2、楼梯刚度对框架结构的扭转变形影响增大，边柱46的轴力、弯矩和剪力在位置1比在位置6增大40%左右。位置１２３４５６顶点最大水平位移17.6916.8715.6314.1813.0812.65最大层间位移角1/10171/10671/11521/12711/13791/1426最大层间位移比1.291.221.141.071.021柱46轴力（kN）344329307279256246柱46弯矩（kN.m）177169157143131125柱46剪力（kN）111106998982791)楼梯不同布置计算结果比较（Y向地震结果）2)楼梯在不同位置的每层位移及层间位移角比较：012345678905101520Y地震最大位移(mm)层号位置1位置2位置3位置4位置5位置6012345678900.00020.00040.00060.00080.0010.0012Y向地震层间位移角(rad)层号位置1位置2位置3位置4位置5位置6结论：楼梯布置在结构的侧边，对结构的扭转刚度和每层边柱的内力有很大的影响。按如下3种情况分析楼梯对高层结构剪力墙的影响:a)如下图1楼梯支撑在同一片墙;b)如下图2楼梯支撑在两片墙;c)如下图3楼梯支撑在两片短肢墙。5)楼梯对高层结构剪力墙的影响剪力墙结构特点是：本身刚度较大，斜板支撑的刚度小于墙的刚度。但楼梯搭在两片墙上形成一个组合墙来增加局部刚度（楼梯类似连梁的作用）。4m长墙不参与空间分析参与空间分析相差Y向2层刚度4778065174188%墙Y向顶点最大位移(mm2)28.327.9-2%Y向第1周期(s)1.9122351.881482-2%Y向地震作用(kN)474.46485.731%结论:楼梯支撑在同一片墙时,楼梯相对墙的刚度是一个小量，楼梯对结构的整体影响较小。对结构的整体影响:15层结构中楼梯间一侧布置一片剪力墙a)楼梯支撑在同一片墙1.5m两片墙不参与空间分析参与空间分析相差Y向2层刚度30919641200333%墙Y向3层最大位移(mm2)3.773.15-16%Y向第1周期(s)1.9902181.903801-5%Y向地震作用(kN)431.84471.5210%结论:楼梯支撑在两片墙时,类似连梁组成一个组合墙，楼梯对结构的整体影响较大。对结构的整体影响:15层结构中楼梯间一侧布置两片剪力墙b)楼梯支撑在两片墙1m两片墙不参与空间分析参与空间分析相差Y向2层刚度21203435763868%墙Y向3层最大位移(mm2)4.763.51-26%Y向第1周期(s)2.1177861.933544-9%Y向地震作用(kN)385.424