楼板大震下弹塑性分析

楼板大震下弹塑性分析

张保林

中铁上海设计院集团有限公司南京分公司 江苏，南京 210000

摘要：建筑结构有限元分析中为减少计算工作量，目前主流的结构软件设计对楼板采用刚性楼板假定，其实质是通过节点耦合的方法，约束同层内各节点的水平相对距离不变。忽视楼板自身的结构抗震设计，而对大开洞周边的不连续楼板、竖向收进突变部位的楼板，一般采取构造加强措施，本文结合某工程实例，对楼板大震下动力弹塑性应力分析，研究结构楼板的损伤及塑性应变影响，根据分析结果，针对楼板薄弱部位提出相应的加强措施。

关键词：楼板大开洞 竖向收进 弹塑性分析

1、项目概况

某工程由塔楼和裙房组成，主要建筑功能为医技、病房及配套用房，塔楼18层，结构高76.3m，标准层平面尺寸27.5mx73.2m；裙房6层，结构高24.4m，平面尺寸87.2mx73.2m。总建筑面积5.9万m2，结构形式采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构。

本工程平面及剖面详见图1-1~图1~2，工程模型见图1-3。

本工程刚性楼板假定计算时，考虑偶然偏心的规则水平地震力作用下，最大扭转位移比为1.38，大于1.2，属扭转不规则结构；裙房门诊大厅中间两跨结构大开洞，开洞后有效楼板宽度与楼板典型宽度比为39%，小于50%，属于楼板不连续；塔楼偏心布置在裙房一侧，与大底盘裙房的质心偏心矩为30%，大于底盘相应边长的20%，属塔楼偏置。综上，该工程存在扭转偏大、楼板不连续、塔楼偏置三项不规则，属特别不规则的高层建筑结构。

根据地勘资料，本场地抗震设防烈度为7度，属设计地震分组第二组，场地类别为II类，基本地震加速度值为0.10g，特征周期0.40s。风荷载按50年重现期取值ω0=0.40kN/m2，承载力设计时应按基本风压的1.1倍采用，雪荷载按50年重现期取值S0=0.65kN/m2。

2、大震下楼板弹塑性分析

计算软件采用广州建研数力建筑科技有限公司的高性能结构动力弹塑性计算软件SAUSAGE，可以模拟梁、柱、支撑、剪力墙和楼板等结构构件的非线性性能，可用于实际工程罕遇地震下的性能评估，进行动力弹塑性分析时，对全楼板均划分为壳单元进行分析。

弹塑性动力时程分析结果，对地震波的依赖程度比较高，同一结构，采用不同的地震波，计算结果可能有非常明显的差异。依据《高规》5.5.1条第6款：进行动力弹塑性计算时，地面运动的加速度时程的选取、预估罕遇地震作用时的峰值加速度取值以及计算结果的选用应符合该规程第4.3.5的规定。

计算罕遇地震波时，有效峰值加速度为220cm/s2，按照双向水平地震波输入，地震波强度比按 X:Y=1:0.85确定。弹塑性动力时程分析地震波采用软件地震波库中满足要求的2条天然波和1条人工波包络设计。通过对各组波输入下结构变形和楼层剪力的对比，选取三组地震波的包络输入下的典型楼板弹塑性损伤情况见图2-1~图2-6。

通过对大震下楼板弹塑性性能分析，可得以下结果：

（1）楼层板大部分无损坏和轻微损伤，仅楼梯和电梯洞口周边局部出现轻度损坏，可以满足传力要求，具有较大的安全储备。

（2）裙房门诊大厅中间两跨结构大开洞周边无损伤，与常规思维大开洞楼板周边易损伤不同，原因是本工程采用框架-剪力墙结构，剪力墙承担总地震剪力的80%，框架柱承担总地震剪力的20%，大开洞周边板无连接竖向剪力墙，仅相连承受地震力较小的框架柱，该板需要传递的地震力小；且大开洞周边楼板连续，有效宽度大，水平地震力扩散后楼板共同均匀受力，应力较小，所以无损伤。

（3）洞口周边狭长楼板损伤较重，尤其是电梯与楼梯间前室楼板、这块楼板两侧均与剪力墙围成的筒相连，剪力墙需要承担的地震剪力大，因此这部分楼板需要传递很大的地震力，再加上板的宽度有限，造成板的应力大，损伤大。对于楼梯间外侧的悬挑造型楼板，因楼梯间开洞作用，两侧剪力墙需要通过这块悬挑板传递水平力，而这块板宽度、厚度均比室内楼板小，按常规悬挑板设计，沿板长方向仅配筋分布钢筋，配筋较小，所以损伤较重。洞口周边阳角板损伤较重，对不规则开洞，洞边阳角处，需要同时约束两个方向的变形，受力较复杂，因此易损伤。

（4）L形楼板连接转角处损伤较重，这些部位因受两侧地震响应不一致影响，靠连接处协调共同变形，且转角处应力集中，因此损伤较重。

（5）塔楼角部、端部楼板损伤较重，角部、端部竖向构件承担的地震力大，扭转位移大，楼板的变形较大，受力也较大。

（6）竖向收进突变部位楼板损伤较其它楼层重，本工程收进部位六层、七层逐层收进，在六层、七层上部对应收进部位，楼板承担上部塔楼传来很大的地震剪力，面内应力大。

3、楼板薄弱部位加强措施

首先考虑调整布置适当增加楼板的有效宽度，开洞后每一边设置不小于2米宽200mm厚传力板带。其次在大开洞在建筑布置已定的情况下，适当加大板厚，加强配筋。

针对楼板开洞的情况，可采用对全楼楼板进行了大震下的弹塑性应力分析。根据分析结果，对楼板损伤较重的部位，对洞口周围及局部应力较大处，按大震下应力配筋。

针对竖向收进、塔楼偏置情况，竖向收进突变部位楼板损伤较重，采取加强板厚至150mm，配筋率0.25%双向拉通，收进部位上下各一层楼板厚度120mm，配筋率0.25%双向拉通。另外根据大震下的弹塑性应力分析结果，对收进部位楼层尤其是对应上部收进部位相应两跨板按大震下应力配筋。

此外，应特别注意开洞周边、角部、端部、L形转折处的楼板，这些楼板大震下易损坏，施工图时应予以加强。

4、结论

本工程楼板长度大，不设永久缝，有大开洞楼板不连续、有竖向收进突变，工程案例典型，本文通过对全楼板大震下弹塑性应力分析，可以直观判断楼板的损伤部位、薄弱部位，针对易损伤的薄弱部位，施工图设计时采取加强措施，保证楼板满足水平传力要求，从而实现整体结构“大震不倒”的性能设计目标。

参考文献

1.《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）中国建筑工业出版社，2011.6

2.《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）中国建筑工业出版社，2016.11.

作者简介：张保林（1987.12-），男，汉族，江苏南京，本科，中铁上海设计院集团有限公司南京设计院 工程师，工作方向：结构设计。