埋置地下室考虑顶底板弹性约束的外墙分析与设计Word格式文档下载.docx
- 文档编号:17972603
- 上传时间:2022-12-12
- 格式:DOCX
- 页数:5
- 大小:20.71KB
埋置地下室考虑顶底板弹性约束的外墙分析与设计Word格式文档下载.docx
《埋置地下室考虑顶底板弹性约束的外墙分析与设计Word格式文档下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《埋置地下室考虑顶底板弹性约束的外墙分析与设计Word格式文档下载.docx(5页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
文献均建议:
当外墙与首层底板相连时,将顶板作为铰接支座;
当外墙与刚度较大的基础底板或基础梁相连时,将顶板作为固定支座。
另外,在荷载的简化中,传统模型仅考虑水平向荷载的作用,而忽略顶板承受的竖向荷载的作用。
当地下室的顶板采用无梁楼盖时,板厚较大。
为考虑顶底板对外墙的弹性约束,本文采用SAP2000建立地下室的整体模型,发现传统的外墙简化模型存在一定的局限性,尤其是在无梁楼盖中。
本文探讨了无梁楼盖地下室中的地下室顶板、底板厚度,顶板所承受的竖向荷载,以及持力土层的基床系数对外墙受力的影响大小,并拟合了弯矩的简化计算公式。
1作用在地下室外墙的荷载地下室外墙上所受的荷载按方向可分为水平荷载和竖向荷载。
水平荷载中,侧向土压力,侧向水压力以及地面活荷载引起的侧向压力对外墙受力影响最大。
而地震荷载主要由室外回填土吸收,其在地下室外墙的作用与风荷载一样可不予以考虑[3]。
竖向荷载中,楼盖所承受的恒荷载,活荷载,以及楼盖及墙体的自重往往被认为是有利荷载,且不起控制作用[2]。
地下室采用梁板式楼盖时,在外墙处,可认为荷载由顶板传至边梁再传至边柱。
本文中的地下室采用无梁楼盖形式,竖向荷载直接由顶板传至柱和外墙,在模型中考虑了竖向荷载对外墙的作用并评估了其影响。
2地下室整体建模本文通过对不同埋深和顶板厚度的地下室整体建模,并与使用传统地下室设计方法按连续梁,上端铰接的计算结果对比。
文中地下室顶板采用无梁楼盖的形式,是由于无梁楼盖由于其优异的经济效益被广泛应用于地下室顶板。
地下室选址拟定为我国南方地区,选择桩筏基础来满足地下室整体抗浮的要求。
根据工程调研,设置柱网尺寸为适宜2辆车停放的5.3m,一边各5跨,墙高为3.4m。
地面活荷载为20kN/m2,地下水埋深为0.5m,地基土为粉质黏土,静止土压力系数为0.66,水土合算。
环境类别为二(a)类。
混凝土等级为C30,钢筋等级为HRB400。
研究外墙中间部位的结构模型布置见图1;
而外墙转角处的模型则在第1和第6轴线上用外墙替换柱子。
选取壳单元模拟外墙,顶板以及底板。
该单元具有平面内及平面外的刚度,忽略剪切变形。
对柱顶与顶板的连接区域(PanelZones),指定了300mm厚的柱帽托板,以真实模拟无梁楼盖的受力状态。
为模拟桩筏基础和土体刚度对外墙受力的真实作用,在地下室底板细分网格,并对每个网格节点施加了相应的弹簧,其节点弹簧线刚度K1,K2的表达式为:
K1=(E1A1×
EsA1)/(E1A1+EsA1);
K2=E2A2其中,K1为柱下节点处的弹簧线刚度,模拟单桩基图1结构布置图(单位:
mm)
Fig.1Structurallayout(Unit:
mm)础对底板的支承作用;
E1,Es分别为桩竖向的弹性模量和桩端所在持力土层的压缩模量,A1为桩截面面积;
K2为非柱下节点弹簧的线刚度;
E2为地下室底板所在土层的压缩模量;
A2为网格面积。
为了研究竖向荷载与水平荷载对外墙弯矩的不同影响,经过比较计算结果,甄选出如下两组具有代表性的荷载组合。
荷载组合1:
(1.2顶板土压力+1.4顶板活荷载+1.2顶板自重+1.2侧墙水土合算侧压力+1.4侧墙活荷载),模拟施工完成后的荷载组合。
荷载组合2:
(1.0顶板自重+1.2侧墙水土合算侧压力+1.4侧墙活荷载),模拟顶板浇筑完成后尚未回填土的荷载组合。
3数值模拟及计算结果3.1外墙中间部位计算结果通过传统方式和SAP2000得到外墙中间部位竖向弯矩,其弯矩示意图见图2。
图2外墙中间部位竖向弯矩示意图
Fig.2Momentdiagramatthemiddleoftheexternalwallalongtheverticaldirection传统模型中,墙顶端铰接,无弯矩值,外墙的弯矩由跨中弯矩和底部负弯矩控制。
弯矩计算结果见表1。
表1通过传统方法得到的外墙竖向弯矩Table1Verticalmomentoftheexternalwallthroughtraditionalmethod覆土厚度/m地下室高度/m跨中弯矩/(kN·
m)底部弯矩/(kN·
m)03.432.64-67.080.93.444.11-87.661.23.447.96-94.531.53.451.80-101.4023.458.21-112.8404.463.75-132.780.94.482.93-167.261.24.489.34-178.761.54.495.75-190.2624.4106.46-209.43SAP2000模型中,除了考虑外墙水平荷载的效应,还考虑了顶板恒、活以及自重荷载。
外墙中间部位竖向弯矩的包络值见表2。
其中,荷载组合1对应顶部弯矩的包络值,其弯矩及变形示意图见图3;
而跨中弯矩和底部弯矩的包络值是荷载组合2的结果,其弯矩及变形示意图见图4。
表2通过SAP2000得到的外墙竖向弯矩Table2VerticalmomentoftheexternalwallthroughSAP2000顶板厚度/m覆土厚度/m地下室高度/m顶部弯矩/kN·
m跨中弯矩/kN·
m底部弯矩/kN·
m0.2803.4-44.9743.05-25.880.280.93.4-85.0655.98-33.580.281.23.4-98.4860.50-36.220.281.53.4-111.9165.03-38.850.2823.4-134.2872.57-43.250.2804.4-59.8578.44-58.580.280.94.4-104.8398.78-73.130.281.24.4-117.75105.75-78.100.281.54.4-132.16112.72-83.000.2824.4-154.83124.33-91.37图3水平及竖向荷载共同作用下地下室弯矩及变形示意图
Fig.3Deformedconfigurationofthebasementundercombinedhorizontalandverticalloads图4水平荷载作用下地下室弯矩及变形
Fig.4Deformedconfigurationofthebasementunderhorizontalload数值分析的结果表明:
外墙中间部位仅受水平荷载作用时,外墙顶端负弯矩较小,跨中弯矩值和底部负弯矩值依然起控制作用,但相较按传统方式的弯矩值有所减小。
这是因为顶端参与承担的部分负弯矩,对弯矩的减小起到了有利作用。
此时侧向荷载对跨中和弯矩起控制作用。
但是当外墙仅受顶板竖向荷载作用时,外墙顶端承受顶板传来的负弯矩随着荷载增加,弯矩值逐渐超越跨中与底端弯矩值。
竖向和侧向荷载对顶端弯矩计算结果起控制作用。
图5直观地表现了水平荷载与竖向荷载对外墙弯矩的不同影响。
图5不同荷载效应下的外墙弯矩
Fig.5Momentofexternalwallunderdifferentloads因为顶板竖向荷载对外墙底端与跨中起有利作用,本文仅取荷载组合1,来考虑外墙顶端弯矩的最不利情况。
计算外墙底部与跨中弯矩的最不利情况时,则选取荷载组合2。
底板厚度与基床系数对外墙的影响见表3。
模型中,顶板厚度为280mm,埋深为1.2m。
当底板厚度增加,以及地基的基床系数增大时,外墙的底部弯矩都会增大,但是依然小于按传统计算方法得到的底部弯矩值。
当基床系数趋于无穷大时,跨中弯矩趋于接近传统计算中的跨中弯矩;
外墙的顶部弯矩也由于底部刚度的增加而使得分配到的弯矩减小。
相较顶板厚度与顶板荷载,底板厚度与基床系数的影响较小。
3.2外墙转角处计算结果为研究实际工程中外墙的角部受力情况,建立地下室整体模型,见图6。
表3基床系数与底板厚度对外墙弯矩的影响Table3Effectofbaseplatecoefficientandthicknessonmomentoftheexternalwallκ/(kN·
m)b/mmMtop/(kN·
m)Mmid/(kN·
m)Mbot/(kN·
m)∞300-94.9631.87-35.5030000300-97.2139.71-20.443000300-98.9545.78-9.893000500-95.4435.04-29.143000700-93.8630.02-39.98图6地下室模型与变形示意图
Fig.6Basementmodelanddeformation图7、图8分别显示了外墙在荷载组合1与荷载组合2下的竖向弯矩分布,图9则显示了在荷载组合1下的水平弯矩分布。
图7竖向弯矩(荷载组合1)
Fig.7Verticalmoment(loadcase1)图8竖向弯矩(荷载组合2)
Fig.8Verticalmoment(loadcase2)图9水平弯矩(荷载组合1)
Fig.9Horizontalmoment(loadcase1)由图7、8可知,角部的竖向弯矩远小于中间一般外墙处的竖向弯矩,但是水平弯矩大于一般外墙处的弯矩。
图9中,水平向弯矩由开始的56.5kN·
m向中间递减,在距离角部边界线0.15m处的弯矩为-47kN·
m,并在距离角部约为0.9m时其弯矩递减为0。
角部水平方向的弯矩同样通过拟合得出了简易内力计算公式。
4地下室外墙简易内力计算通过对不同柱距、顶底板厚度、墙厚度、荷载、墙高、埋深、水位的多个模型进行整体建模计算,根据数值模拟的弯矩计算结果与传统方式的弯矩计算结果对比,分析与拟合,得出外墙中间部位与外墙转角处弯矩的简易计算公式。
4.1外墙中间部位内力公式Mtop=α1ql2+α2qul2+α3qtl2
(1)Mmid=β1quh2+β2qth2
(2)Mbot=γ1qud3+γ2qtd3(3)式中,Mtop,Mmid,Mbot分别为顶端、跨中与底部的弯矩包络值;
l,h,d分别为柱距、墙高和埋深;
参数α,β,γ是顶板、外墙和底板线刚度i1,i2,i3的函数。
α2=0.021(i1+i2+0.3i3)/(i1+i2+i3)(4)α3=0.019(i1+i2+0.3i3)/(i1+i2+i3)(5)β1=(0.099i2-0.065i2)/(i1+1.5i2+i3)(6)β2=0.065(0.5i2+i3)/(i1+1.5i2+i3)(7)γ1=0.002i2/(i1+i2+i3)(8)γ2=0.015i2/(i1+i2+i3)(9)式中,q为顶板均布荷载值;
qu,qt分别为侧向压力在墙顶部与底部的荷载值。
线刚度i1,i2,i3如下式所示:
(10)式中,b1,b2,b3分别为顶板、外墙与底板的厚度。
4.2外墙转角处内力公式外墙转角处的竖向弯矩远小于外墙中间处的竖向弯矩,故不累述。
其水平向弯矩为Mhori=δ1quh2+δ2qth2(11)δ1=0.052(0.5i2+0.77i3)/(i1+1.5i2+i3)(12)δ2=0.068(0.5i2+i3)/(i1+1.5i2+i3)(13)4.3公式验证为验证公式的正确性,对比了不同参数下的公式计算结果与SAP2000计算结果的误差。
结果误差控制在10%内,说明公式计算结果在现有参数条件下是可信的,见表4。
表4公式计算精度Table4Calculationaccuracyoftheformulaeb1/md/mh/mMtopMmidMbotMhoriSAP2000/(kN·
m)公式/(kN·
m)误差/%SAP2000/(kN·
m)误差/%0.2803.444.9744.301.5043.0540.924.9626.3525.802.1440.143.060.930.280.93.485.0684.340.8555.9851.677.7033.5831.695.9852.454.590.960.281.23.498.4898.4250.0660.556.386.8136.2234.275.7056.559.640.950.281.53.4111.91112.500.5365.0361.106.0538.8536.855.4460.8964.690.940.2823.4134.28135.971.2472.5768.954.9943.2541.155.126873.110.930.2804.459.8562.554.3289.7483.716.7258.5862.486.2487.989.060.990.280.94.4104.83105.440.58100.5899.670.9073.1373.490.50102.99107.290.960.281.24.4117.75120.922.62107.59106.660.8678.178.320.28109.21115.280.950.281.54.4132.16136.413.11114.61113.660.838383.150.18116.02123.270.940.2824.4154.83162.224.55126.32125.320.7991.3791.200.19136.75136.581.000.121.23.473.8179.677.3669.0868.800.4142.544.053.5261.9065.760.940.121.24.489.5797.047.70144.29134.498.7994.64104.189.16131.61131.450.015结语
(1)地下室外墙是地下室结构的重要构件。
当选择顶板使用无梁楼盖设计时,外墙的设计应该考虑顶底板的弹性约束作用。
外墙顶板采用传统方式中的铰接或固定支座时,跨中与顶部弯矩值计算值偏小,偏于不安全。
(2)传统方式在设计时,一般只考虑水平荷载的作用,而不考虑竖向荷载的作用,未能考虑顶板的荷载会使外墙顶端的负弯矩增加的情况,是不安全的。
随着顶板厚度与竖向荷载的增加,外墙上端分配到的弯矩也急剧增加。
如果顶端因弯矩过大而形成塑性铰,虽然能满足传统计算方式中上端简化为铰接的受力情况,但是不符合埋置地下室对裂缝的要求。
当传统方式中上端简化为固定支座,仍然不应忽略顶板荷载对外墙弯矩的影响。
(3)当底板厚度增加,以及地基的基床系数增大时,外墙的底部弯矩都会增大。
(4)外墙角部按照构造配置时水平弯矩大于一般部位的弯矩,可通过文中公式进行计算。
(5)关于深埋地下室外墙弯矩的影响因素还有环境类别、人防等级、扶壁柱、边梁的设置与否等因素。
本文仅讨论了非人防设计条件下,无扶壁柱与边梁无梁楼盖这一形式的地下室中,顶底板弹性约束对外墙的影响。
参考文献[1]王强,王勇,崔彩琴,地下车库结构优化设计[J].建筑结构,2012,42(Z):
822-823.WangQiang,WangYong,CuiCaiqin.Optimizeddesignofstructureofundergroundgarage[J].BuildingStructure,2012,42(Z):
822-823.(inChinese)[2]袁正如,地下室外墙结构设计中的问题探[J].地下空间与工程学报,2010,3(6):
548-551.YuanZhengru,Discussionaboutstructuraldesignofbasementexteriorwall[J].ChineseJournalofundergroundspaceandEngineering,2010,3(6):
548-551.(inChinese)[3]高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3—2002)宣贯培训材料[R].中国建筑科学研究院建筑结构研究所,2002:
2-15.Technicalspecificationforconcretestructuresoftallbuilding(JGJ3—2002)trainingmaterials[R].ChinaAcademyofBuildingResearchStructuralDesignInstitute,2002:
2-15.(inChinese)[4]李云贵.上部结构与地下室共同工作分析及地下室设计在SATEWE中的实现[J].建筑结构学报,2005,26
(1):
114-118.LiYungui.AnalysisoftheinteractionofsuperstructureandbasementanddesignofbasementbymeansofSATWEprogram[J].JournalofBuildingStructures,2005,26
(1):
114-118.(inChinese)[5]赵国选.高层建筑地下室外墙配筋的实用计算方法[J].建筑结构,1999,(7):
37-42.ZhaoGuoxuan.PracticalCalculationmethodforreinforcementofexternalwallunderhigh-risebuilding[J].BuildingStructure,1999,(7):
37-42.(inChinese)[6]南俊,程浩,李伟兴,等.上海世博会主题馆地下室外墙结构设计与分析[J].结构工程师,2010,26(6):
1-6.NanJun,ChengHao,LiWrixing,etal.StructuralDesignandanalysisofbasementexteriorwallofExpothemepavilion[J].StructuralEngineers,2010,26(6):
1-6.(inChinese)AnalysisandDesignforExteriorWallofUndergroundBasementInterferedbyElasticConstraintsBetweenTopandBottomFloorZHUYichuanZHUJiejiang*LOUShixiong
(DepartmentofCivilEngineering,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China)AbstractIntraditionaldesignmethodofundergroundbasementwall,theelasticconstraintoftopfloorandbaseplateisneglected.Inordertostudythestructuralbehaviorofexteriorwallunderthejointactionoftopfloorandbaseplate,modelswithdifferentburieddepthsandthicknessesoftopfloorarebuiltinSAP2000.Calculationresultsshowthatthethicknessofplatfloorandtheverticalloadontopfloorhaveasignificantinfluenceonthemomentofexteriorwall,whilethethicknessofthebaseplateandthesoilcoefficientofsubgradereactionalsohavecertaininfluence.Fortheconvenienceofpracticalapplication,asimplecalculationformulaoftheexternalwallmomentisfittedbynumericalanalysis.Keywordsundergroundbasement,exteriorwall,flat-platefloor收稿日期:
2016-05-13*联系作者,Email:
zhujjt@
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 地下室 考虑 底板 弹性 约束 外墙 分析 设计