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12地下室計算 -2016.6

發布時間:2016-06-27


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地下室計算

一、地下室和上部結構整體建模共同計算

一般應將地下室和其上的上部結構各層共同建立完整的計算模型進行計算分析。上部結構和地下室組成一個受力體系,具有共同的位移場,相互協調變形。共同作用分析可以較準確地得到上部結構對地下室變形的影響,同樣也可以較準確地反映地下室結構的變形對上部結構的影響。一般情況下地下室都有側土約束,因此需要考慮地下室回填土側向約束對整體結構水平位移的影響。另外,規范對于地下室的很多要求、地下室本身的計算等常需要在整體模型中得到體現。

二、地下室的計算參數

將地下室建入整體模型后,需要在計算參數的幾處設置地下室相關的參數:一是在結構總體信息頁中設置地下室層數、嵌固端所在層號;是在地下室信息頁填寫地下室回填土的側向約束、側向水土壓力等地下室相關參數。

1、結構總體信息頁

嵌固端所在層號一般和地下室層數相同。但是當地下一層的剛度不夠大、不能起到嵌固作用時,可能比地下室層數小。嵌固端所在層號影響底層柱內力調整、嵌固層梁柱配筋調整、剛重比計算等。

在樓層組裝時,應正確輸入地下室各層的底標高。軟件可根據用戶輸入的地下室層數,給出每層的層名稱,如地下1層、地下2層等。這些信息的輸入還有助于基礎部分的設計。

2、計算控制信息頁

這里設置有選項地下室是否按照剛性樓板假定計算,軟件隱含將地下室部分的各層按照強制剛性板假定計算。

有的地下室結構不適合按照強制剛性板假定計算,如板柱結構的地下室層,計算時不能考慮樓板的面外剛度,計算模型與實際不符。此時可將這樣的樓層設置為彈性樓板3,并在此處的選項中取消對地下室按照強制剛性板假定計算。

3、地下室信息頁

如圖3.6.1,這是有關地下室計算的重要參數,主要填寫土層水平抗力系數的比例系數(m值)。

m值可按《建筑樁基技術規范》(JGJ94-2008)表5.7.5中取值。同時軟件在對話框中給出m值的常見取值范圍。

地下室部分特殊的荷載就是地下室外墻的側向土、水壓力。軟件假定側土壓力沿地下室外墻高度方向線性分布。在計算參數的地下室部分輸入土、水壓力參數。

地下室外墻由軟件自動判斷,并可由用戶補充修改。軟件根據定義的側、水壓力計算地下室外墻的平面外彎矩。

3.6.1 地下室信息

三、水平荷載的作用

計算軟件假定地震加速度作用位置在模型最底部,根據振型分解反應譜法,將地震加速度的作用等效成作用在包括地下室結構的各層樓面處的地震力。

地下室各層地震反應力的大小與地下室的側向約束相關。當地下室側向約束越大,地下室結構的水平位移變小,因此地震反應力也會越小,如圖3.6.2所示。

地震力隨地下室側向約束增大變化規律風荷載的作用

(與側向約束無關)

3.6.2 地下室側向約束對地震力的影響

對于風荷載的計算,軟件自動考慮:1、地下室部分的基本風壓為零;2、在地上部分的風荷載計算中,自動扣除地下室部分的高度,地下室頂板作為風壓高度變化系數的起算點。結構在風荷載作用下的反應(位移、內力),也受地下室回填土側向約束大小的影響。

以圖3.6.3所示5層地下室工程為例,從各層地震力圖和各層風荷載圖可見帶地下室結構的地震力和風荷載分布特點,如圖3.6.4所示。

3.6.3 5層地下室工程實例

3.6.4 水平荷載下樓層外力

四、回填土對地下室側向約束的計算

回填土對地下室側向約束的大小與基坑開挖方式、地下室外側土質、室外地坪上的荷載等因素相關。

軟件采用土層水平抗力系數的比例系數(m值)來考慮回填土對地下室的側向約束,如圖3.6.5所示。m值可按《建筑樁基技術規范》(JGJ94-2008)表5.7.5中灌注樁類型的m取值。m的取值范圍一般在2.5~100之間,在少數情況的中密、密實的沙礫、碎石類土取值可達100~300。該附加剛度與地下室結構剛度無關,而與土的性質有關,便于用戶填寫掌握。

m值求出的地下室側向剛度約束呈三角形分布,在地下室頂層處為0,并隨深度增加而增加。

當用戶認為回填土對地下室完全嵌固時,可填入一個負數-m,(m小于或等于地下室層數),如某模型有3層地下室,且填入-3,則3層地下室的水平向位移和繞豎軸轉角為零,達到側向嵌固的目的。

3.6.5 土層水平抗力系數的比例系數(m值)

要區分的是,這里的嵌固只限制地下室的水平自由度和繞豎軸的扭轉自由度,對其他三個自由度沒有限制。

對側向非完全嵌固的情況,可輸入一個正的m值。軟件對回填土的側向約束用附加在地下室的側向剛度來表示。當約束越大,附加的剛度也越大,結構變形越小。

五、地下室各層地震剪力圖可能沒有反映地下室側向約束影響

仍以上面5層地下室工程為例,圖3.6.6是各層地震剪力圖??梢姷叵率腋鲗拥牡卣鸺袅纳现料轮饾u增大,表現與上部結構相同。從該圖可以看出沒有在層地震剪力中扣除地下室受到周邊土側向約束而產生的彈簧反力,因為在土的約束下地下室各層剪力應逐漸減小,越往下,土的約束越大,減少幅度越大。

3.6.6 沒有扣除側土約束產生的彈簧反力

3.6.7 按豎向構件內力統計層水平荷載剪力

可在計算參數設計信息勾選參數按豎向構件內力統計層水平荷載剪力,如圖3.6.7所示,再進行計算后,得到的各層的地震剪力圖如3.6.8所示。該圖中地下室各層的地震剪力往下逐層減少,該圖可以反映出地下室側土約束的效果。

3.6.8 扣除了側土約束產生的彈簧反力

、地下室抗震設計

1、地下室抗震等級

抗震規范6.1.3條:當地下室頂板作為上部結構的嵌固部位時,地下一層的抗震等級應與上部結構相同,地下一層以下抗震構造措施的抗震等級可逐層降低一級,但不應低于四級。地下室中無上部結構的部分,抗震構造措施的抗震等級可根據具體情況采用三級或四級。

在《抗震規范6.1.3條的條文說明中寫道:關于地下室的抗震等級。。。。地面以下地震響應逐漸減小,規定地下一層的抗震等級不能降低;而地下一層以下不要求計算地震作用,規定其抗震構造措施的抗震等級可逐層降低。

軟件對于該條文自動處理,嵌固端所在層號抗震等級不降低,嵌固端所在層號以下的各層的抗震等級和抗震構造措施的抗震等級分別自動設置:對于抗震等級自動設置為四級抗震等級;對于抗震構造措施的抗震等級逐層降低一級,但不低于四級。

2、抗震構造要求

軟件按照《抗震規范6.1.14條和《高規》12.2.1條,自動搜索嵌固端層上一層對應柱,并確保不小于對應上一層柱配筋的1.1,梁端頂底截面鋼筋增大10%。

3、底層內力調整和剪力墻加強區判斷

抗震規范6.2.3條:一、二、三、四級框架結構的底層,柱下端截面組合的彎矩設計值,應分別乘以增大系數1.7、1.5、1.3 1.2。底層柱縱向鋼筋應按上下端的不利情況配置。

軟件對嵌固端所在層號上一層的柱底及地下室底層柱底截面彎矩設計值,均按規范的底層柱下端截面組合的彎矩設計值的要求,進行調整。

在進行最小剪重比調整時,軟件把地下室部分扣除,即從地上一層開始放大地震作用。

、地下室外墻設計

1、地下室外墻的定義

軟件自動搜索地下室外墻,用戶也可在特殊構件定義菜單下指定地下室外墻或取消地下室外墻定義。軟件對沒有定義為地下室外墻的剪力墻不施加側向、水壓力。

《高規》JGJ3-201012.2.5條:“高層建筑地下室外墻設計應滿足土壓力及地面荷載側壓作用下承載力要求,其豎向和水平分布鋼筋應雙層雙向布置,間距不宜大于150mm,配筋率不宜小于0.3%?!?/span>

軟件對于定義了地下室外墻的墻段自動按照下節所述的計算方法,并自動將其豎向分布鋼筋的配筋率設置為不小于0.3%,同時在配筋計算時控制其水平分布筋配筋率不小于0.3%。在剪力墻施工圖繪制中,對于地下室外墻控制其水平和豎向分布筋的間距不大于150mm。

2、將剪力墻承受的面外荷載直接加到上部結構整體計算模型計算

3.6.9為水、土壓力的計算簡圖,、土壓力沿樓層高度為梯形(或三角形)分布。


水土壓力分布的簡化


上部結構傳下來的內力荷載

3.6.9 水、土壓力分布

YJK的有限元計算可以計算剪力墻承受面外荷載。因此YJK將剪力墻承受的面外荷載直接加到上部結構整體模型計算。這樣在上部結構計算中,軟件既能考慮這些墻的面外荷載對于整體計算的影響,又能在墻的有限元分析中得出墻的面外彎矩。

在計算簡圖中,可以查看面外荷載的布置情況,并可以看出荷載的分布規律,如圖3.6.10。

3.6.10 水、土壓力計算簡圖

如果在計算參數中勾選了生成繪等值線用數據,則可在設計結果等值線菜單下查看每一片剪力墻在各個荷載工況下的內力等值線圖。3.6.11即是地下室外墻在土壓力下的面外彎矩等值線圖,在它的各個單元節點上可標出彎矩的數值。

3.6.11 水、土壓力下等值線圖

3、在配筋結果文件中對地下室外墻補充輸出豎向及水平分布筋的計算結果

在各層配筋結果文件中,如果某墻柱是承受了水、土壓力或人防荷載的地下室外墻,則在原有內容之外補充面外設計結果,輸出了墻的豎向分布鋼筋和水平分布鋼筋的雙側最大配筋面積,同時給出控制的面外彎矩、軸力和組合號,如圖3.6.12所示。

3.6.12 墻面外配筋結果輸出

八、單側布置地下室外墻的結構計算

有的工程只在單側布置了地下室外墻,如一側靠山,另一側開敞的地下室情況,如圖3.6.13所示。有時地下室雖然兩側布置,但布置并不對稱。在這些情況下,地下室周邊的土、水壓力只施加到單側,這將造成結構的不對稱受力。

3.6.13 單側布置地下室外墻模型

YJK由于設置了單獨的土壓力工況和水壓力工況,并把土壓力和水壓力作為墻的面外荷載直接施加到整體結構上,因此可以正確地計算出水土壓力工況下的構件位移和內力,如圖3.6.14所示。YJK把土壓力合并到恒荷載工況、水壓力合并到活荷載工況參與荷載組合。

3.6.14 單側布置地下室外墻時的計算簡圖及變形圖

傳統軟件對地下室外墻上的土、水壓力荷載僅能在配筋時簡化考慮,、水壓力沒有加到整體計算模型上。當地下室外墻不對稱布置時,特別是在某方向上單邊布置時,會導致整體計算中沒有考慮土、水壓力產生的水平側移的疏漏。

九、對地下室樓板按照彈性板6計算的效果

樓板較厚時對梁的設計要考慮梁板共同工作。地下室各層的樓板、特別是地下室頂層的樓板一般較厚,至少160mm,大于200mm也十分常見。

結構計算時對樓板較厚(如大于160mm時)的板應將其設置為彈性板3(厚板單元)或者彈性板6(殼元)計算。這是梁板共同工作的計算模型,可使梁上荷載由板和梁共同承擔,從而減少梁的受力和配筋。既節約了材料,又實現強柱弱梁,改善了結構抗震性能。對于地下室頂板、轉換層、加強層或承受人防荷載、消防車荷載等情況更需這樣設置。

1、可明顯減少地下室梁的配筋

3.6.15 地下室頂板按彈6計算

如圖3.6.15所示工程地下1層頂板承受消防車荷載樓板250mm,以前按剛性板計算梁的超筋及抗扭超限很多,現改為按照彈性板6計算,舊、新算法結果對比如3.6.16所示。

3.6.16 地下室頂板按剛性板與按彈6計算時梁配筋結果對比

傅學怡《實用高層建筑結構設計》14不考慮實際現澆鋼筋混凝土結構中梁、板互相作用的計算模式,其弊端主要有: 1)對于單獨計算的板,由于忽略支座梁剛度的影響,無法正確反映板塊內力的走向,容易留下安全隱患。2)對于梁,由于忽略樓板的翼緣作用,重力荷載下往往高估梁端截面彎矩,其結果不僅僅是造成材料的浪費,更重要的是過高的框架梁支座截面受彎承載力使得水平荷載下梁端形成延性結構的可能性大為減小。

考慮樓板翼緣的作用,可實現強柱弱梁的設計效果,有利于抗震,同時明顯降低造價。

另一方面,對按照彈性板3或彈性板6計算的樓板,應在樓板計算時考慮梁的彈性變形。

2、減少剪力墻連梁超限

3.6.17為一個高層框架-核心筒模型,地下室層數為3層,剛性板,正負0嵌固。?

用戶問題:地下室地震剪力比預計的大很多,導致連梁(截面高度700mm)抗剪不足,如圖3.6.18所示。我們認為由于在正負0嵌固,且為剛性板,則上部結構地震剪力應在嵌固處傳遞給剛性板,地下室連梁不應承受過大的剪力,為何模型中連梁剪力這么大?

3.6.17 工程實例

經過與其他軟件結果對比,連梁剪力大屬正常的計算結果。

發生超限的剪力墻連梁位于地下室頂層(結構3層),原采用剛性板計算,該層樓板厚度400mm。我們改為對全層按照彈性板6計算。

按彈性板6計算后,原來超限的剪力墻連梁都不再超限,如圖3.6.19所示。

3.6.18 按剛性板計算時連梁抗剪超限

3.6.19 按彈6計算時連梁抗剪不超限

對比最右側連梁在兩種計算方法下的結果,連梁兩端剪力剛性板1487kN、-1661kN,彈性板6結果為923kN、-1406kN,彈性板6都有明顯的降低,如圖3.6.20所示。

3.6.20 配筋結果對比

3、減少地下室層中剪力墻超限

3.6.21所示用戶工程地下室為了增加嵌固端的剛度,加設了一些純地下的單片墻肢。但是計算之后發現,這些單片的墻肢抗剪超筋很厲害,有一些小的墻肢也超筋,如圖3.6.22所示。經查內力,發現這些墻肢均是由地震和風荷載組合工況控制,地震工況下的墻肢剪力很大。

發生超限的剪力墻位于地下室頂層(結構3層),原采用剛性板計算,該層樓板厚度一般為180mm,超限墻兩邊為400mm厚。我們改為對全層按照彈性板6計算。

按彈性板6計算后,原來超限的3片墻已有2片不再超限,如圖3.6.23所示。

3.6.21 工程實例

3.6.22 按剛性板計算時剪力墻抗剪超限

3.6.23 按彈6計算時剪力墻抗剪不超限

對比兩種計算方法的墻的剪力,剛性板為17752kN,彈性板611856kN,降低了34%,如圖3.6.24所示。

3.6.24 配筋結果對比

再對比兩種計算方法的各個單工況剪力,可見彈性板6計算使地震工況、恒載工況等的剪力大幅降低,如圖3.6.25所示。

3.6.25 內力結果對比

十、消防車荷載應自定義荷載處理

消防車荷載很大,設計時應考慮可能的折減。

荷載規范5.1.2規定了消防車荷載的折減設計樓面梁時,對單向板樓蓋的次梁和槽形板的縱肋應取0.8,對單向板樓蓋的主梁應取0.6,對雙向板樓蓋的梁應取0.8;

設計墻、柱時,按實際情況折減;設計基礎時可不考慮消防車荷載。

另外,地震和消防車荷載同時作用的概率極小,朱炳寅在《高層建筑混凝土結構技術規程應用與分析》P143提到結構設計中一般可不考慮消防車荷載效應與地震作用效應的組合。。因此,消防車荷載的重力荷載代表值系數可填為0,這樣可大大減少地下室的地震作用。反之,如果把消防車荷載按照一般的活荷載輸入,軟件按照默認的0.5的重力荷載代表值系數計算,會使得重力荷載及地震效應增大很多。

YJK的解決方案是把消防車荷載按照自定義荷載工況輸入,在自定義工況的屬性中人工填入次梁、主梁和墻柱的折減系數,在重力荷載代表值系數中填寫0。基礎設計,軟件自動過濾消防車荷載。

3.6.26所示模型的地下室頂板需要考慮消防車荷載,用戶使用傳統軟件將消防車荷載按照一般的活荷載輸入,我們在這里將消防車荷載改為自定義工況輸入。

3.6.26 工程實例

本工程2層作用大片29kN/m2的活荷載,這是消防車荷載。

在這里我們將2層的所有29kN/m2活荷載改為在自定義工況菜單下輸入,在自定義工況下,對這樣的荷載按照消防車荷載輸入,如圖3.6.27所示。

C:\Users\CHENDA~1\AppData\Local\Temp\SNAGHTML544c065.PNG

3.6.27 消防車荷載定義

重力荷載代表值系數應填為0,因為地震可不考慮消防車荷載。柱、墻構件活荷載折減系數和樓面梁活荷載折減系數按照荷載規范要求填寫。

3.6.28 消防車荷載布置區域

3.6.29 修改活荷載數值

同時,在活荷載菜單下把原來布置29kN/m2的房間的活荷載改為3kN/m2,如圖3.6.28、3.6.29所示。

注意在計算參數的自定義工況組合中,應對活荷載組合設置為包絡組合,原來的默認組合為疊加組合,由于在2層原來布置消防車荷載的區域被改為布置3kN/m2的普通活荷載,這兩種活荷載應為互斥的組合關系,所以應在這里修改默認組合為包絡組合,如圖3.6.30所示。

3.6.30 消防車荷載組合

2層全層設置為彈性板6。計算完成后,與原來按普通活荷載輸入、且2層為彈性板6的結果對比。

可見2的活載質量大幅減少,1、2層的地震效應也大幅減少,如圖3.6.31所示。

3.6.31 活荷載質量減少

1層柱鋼筋明顯減少,第2層的梁的鋼筋明顯減少,如圖3.6.32所示。

3.6.32 梁配筋結果對比

十一、地下室常見結構形式示例

1、平面規模越來越大

例:地下室采用無梁樓蓋與梁板結構混合的結構形式,樓面面積48389.34m2。

3.6.33 無梁樓蓋與梁板結構混合工程實例

2、無梁樓蓋樓板

例:地下室采用無梁樓蓋的結構形式,樓面面積24163.65m2,

3.6.34 無梁樓蓋大平面工程實例

3、現澆空心板樓板

例:地下室采用現澆空心板與梁板結構混合的結構形式,樓面面積24604.89m2,

3.6.35 現澆空心板工程實例

、常見問題

1、半地下室的地下室外墻的土壓力能否計算,怎么交互?

可以,按墻的面外梯形荷載交互,如圖3.6.36所示,可在生成數據后的軸測簡圖查看荷載施加的情況。

3.6.36 墻面外荷載定義與布置

2、地下室外墻的水土壓力是否會轉化為結構質量?考慮水土壓力與否對整體指標是否有影響

、土壓力不會轉化成質量。不會對整體指標有影響。

3、局部人防外墻荷載如何施加

前處理有人防構件定義,具有人防屬性的外墻才施加人防荷載。對于臨空墻,可以在前處理特殊構件定義中交互修改臨空墻荷載

4、對于地下室,手工指定了彈性板,勾選了地下室采用強制剛性樓板假定后,彈性板定義無效

如果勾選了地下室采用強制剛性樓板假定,則軟件忽略特殊構件定義中指定的彈性板屬性。需要注意的是,軟件只是取消了彈性板的面內屬性(按照面內剛度無限大處理),面外仍保留所定義的彈性板屬性。

5、地庫中調幅梁梁端配筋YJKPKPM差異

《砼規范》5.4.3條規定:鋼筋混凝土梁支座或節點邊緣截面的負彎矩調幅幅度不宜大于25%;彎矩調整后的梁端截面相對受壓區高度不應超過0.35,且不宜小于0.10。

由于地庫上的覆土較厚,活荷載較大(尤其是考慮消防車后),通常情況下梁配筋由恒、活控制,當抗震等級為四級或非抗震時,該條規定對梁端配筋影響較大,YJK對于調幅梁按該條執行。

6、面外荷載下,墻柱面外內力無反彎

軟件是真實計算的,只是目前墻柱僅取頂、底兩個控制截面,內力簡圖無法反映中間截面的彎矩,因此看起來是無反彎。這時需要查看等值線中的結果。

7、外墻抗剪與施工縫驗算

由于外墻不開洞,往往墻肢較長,還是按照上部墻體串起來生成一個墻柱進行正截面配筋設計顯然不合理,因此軟件對于外墻是按節點打斷成若干個墻柱分別配筋的,這樣的處理對于正截面設計相對合理,但對于斜截面設計及施工縫驗算往往會導致一些不合理的結果,如相鄰的墻肢水平分布筋結果差異大、一個超限一個不超限等??紤]到這些情況,軟件對外墻的抗剪與施工縫驗算是串起來作為一個墻肢進行的,這樣得到的結果相對合理。

由于軟件輸出的單工況內力是單個墻肢的,而斜截面抗剪與施工縫驗算是串起來后的整個墻肢的,因此由單個構件的單工況內力手算得不出這些設計內力。

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