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12地下室计算 -2016.6

发布时间:2016-06-27


 

地下室计算

一、地下室和上部结构整体建模共同计算

一般应将地下室和其上的上部结构各层共同建立完整的计算模型进行计算分析。上部结构和地下室组成一个受力体系,具有共同的位移场,相互协调变形。共同作用分析可以较准确地得到上部结构对地下室变形的影响,同样也可以较准确地反映地下室结构的变形对上部结构的影响。一般情况下地下室都有侧土约束,因此需要考虑地下室回填土侧向约束对整体结构水平位移的影响。另外,规范对于地下室的很多要求、地下室本身的计算等常需要在整体模型中得到体现。

二、地下室的计算参数

将地下室建入整体模型后,需要在计算参数的几处设置地下室相关的参数:一是在结构总体信息页中设置地下室层数、嵌固端所在层号是在地下室信息页填写地下室回填土的侧向约束、侧向水土压力等地下室相关参数。

1、结构总体信息页

嵌固端所在层号一般和地下室层数相同但是当地下一层的刚度不够大、不能起到嵌固作用时,可能比地下室层数小。嵌固端所在层号影响底层柱内力调整、嵌固层梁柱配筋调整、刚重比计算等。

在楼层组装时,应正确输入地下室各层的底标高软件可根据用户输入的地下室层数,给出每层的层名称,如地下1层、地下2层等。这些信息的输入还有助于基础部分的设计。

2、计算控制信息页

这里设置有选项地下室是否按照刚性楼板假定计算软件隐含将地下室部分的各层按照强制刚性板假定计算。

有的地下室结构不适合按照强制刚性板假定计算,如板柱结构的地下室层,计算时不能考虑楼板的面外刚度,计算模型与实际不符。此时可将这样的楼层设置为弹性楼板3,并在此处的选项中取消对地下室按照强制刚性板假定计算。

3、地下室信息页

如图3.6.1这是有关地下室计算的重要参数,主要填写土层水平抗力系数的比例系数(m值)。

m值可按《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)表5.7.5中取值。同时软件在对话框中给出m值的常见取值范围。

地下室部分特殊的荷载就是地下室外墙的侧向土水压力。软件假定侧土压力沿地下室外墙高度方向线性分布。在计算参数的地下室部分输入土、水压力参数。

地下室外墙由软件自动判断,并可由用户补充修改软件根据定义的侧水压力计算地下室外墙的平面外弯矩。

3.6.1 地下室信息

三、水平荷载的作用

计算软件假定地震加速度作用位置在模型最底部,根据振型分解反应谱法,将地震加速度的作用等效成作用在包括地下室结构的各层楼面处的地震力。

地下室各层地震反应力的大小与地下室的侧向约束相关。当地下室侧向约束越大,地下室结构的水平位移变小,因此地震反应力也会越小,如图3.6.2所示

地震力随地下室侧向约束增大变化规律风荷载的作用

(与侧向约束无关)

3.6.2 地下室侧向约束对地震力的影响

对于风荷载的计算,软件自动考虑:1、地下室部分的基本风压为零;2、在地上部分的风荷载计算中,自动扣除地下室部分的高度,地下室顶板作为风压高度变化系数的起算点。结构在风荷载作用下的反应(位移、内力),也受地下室回填土侧向约束大小的影响。

以图3.6.3所示5层地下室工程为例从各层地震力图和各层风荷载图可见带地下室结构的地震力和风荷载分布特点,如图3.6.4所示

3.6.3 5层地下室工程实例

3.6.4 水平荷载下楼层外力

四、回填土对地下室侧向约束的计算

回填土对地下室侧向约束的大小与基坑开挖方式、地下室外侧土质、室外地坪上的荷载等因素相关。

软件采用土层水平抗力系数的比例系数(m值)来考虑回填土对地下室的侧向约束,如图3.6.5所示。m值可按《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)表5.7.5中灌注桩类型的m取值。m的取值范围一般在2.5~100之间,在少数情况的中密、密实的沙砾、碎石类土取值可达100~300。该附加刚度与地下室结构刚度无关,而与土的性质有关,便于用户填写掌握。

m值求出的地下室侧向刚度约束呈三角形分布,在地下室顶层处为0,并随深度增加而增加。

当用户认为回填土对地下室完全嵌固时,可填入一个负数-m,(m小于或等于地下室层数),如某模型有3层地下室,且填入-3,则3层地下室的水平向位移和绕竖轴转角为零,达到侧向嵌固的目的

3.6.5 土层水平抗力系数的比例系数(m值)

要区分的是,这里的嵌固只限制地下室的水平自由度和绕竖轴的扭转自由度,对其他三个自由度没有限制。

对侧向非完全嵌固的情况,可输入一个正的m值。软件对回填土的侧向约束用附加在地下室的侧向刚度来表示。当约束越大,附加的刚度也越大,结构变形越小。

五、地下室各层地震剪力图可能没有反映地下室侧向约束影响

仍以上面5层地下室工程为例,图3.6.6是各层地震剪力图。可见地下室各层的地震剪力从上至下逐渐增大,表现与上部结构相同。从该图可以看出没有在层地震剪力中扣除地下室受到周边土侧向约束而产生的弹簧反力,因为在土的约束下地下室各层剪力应逐渐减小,越往下土的约束越大,减少幅度越大。

3.6.6 没有扣除侧土约束产生的弹簧反力

3.6.7 按竖向构件内力统计层水平荷载剪力

可在计算参数设计信息勾选参数按竖向构件内力统计层水平荷载剪力,如图3.6.7所示,再进行计算后,得到的各层的地震剪力图如3.6.8所示该图中地下室各层的地震剪力往下逐层减少,该图可以反映出地下室侧土约束的效果

3.6.8 扣除了侧土约束产生的弹簧反力

、地下室抗震设计

1、地下室抗震等级

抗震规范6.1.3条:当地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时,地下一层的抗震等级应与上部结构相同,地下一层以下抗震构造措施的抗震等级可逐层降低一级,但不应低于四级。地下室中无上部结构的部分,抗震构造措施的抗震等级可根据具体情况采用三级或四级。

在《抗震规范6.1.3条的条文说明中写道:关于地下室的抗震等级。。。。地面以下地震响应逐渐减小,规定地下一层的抗震等级不能降低;而地下一层以下不要求计算地震作用,规定其抗震构造措施的抗震等级可逐层降低

软件对于该条文自动处理嵌固端所在层号抗震等级不降低嵌固端所在层号以下的各层的抗震等级和抗震构造措施的抗震等级分别自动设置:对于抗震等级自动设置为四级抗震等级对于抗震构造措施的抗震等级逐层降低一级,但不低于四级。

2、抗震构造要求

软件按照《抗震规范6.1.14条和《高规》12.2.1条,自动搜索嵌固端层上一层对应柱,并确保不小于对应上一层柱配筋的1.1,梁端顶底截面钢筋增大10%

3、底层内力调整和剪力墙加强区判断

抗震规范6.2.3条:一、二、三、四级框架结构的底层,柱下端截面组合的弯矩设计值,应分别乘以增大系数1.71.51.3 1.2。底层柱纵向钢筋应按上下端的不利情况配置。

软件对嵌固端所在层号上一层的柱底及地下室底层柱底截面弯矩设计值,均按规范的底层柱下端截面组合的弯矩设计值的要求,进行调整。

在进行最小剪重比调整时,软件把地下室部分扣除,即从地上一层开始放大地震作用。

、地下室外墙设计

1、地下室外墙的定义

软件自动搜索地下室外墙,用户也可在特殊构件定义菜单下指定地下室外墙或取消地下室外墙定义。软件对没有定义为地下室外墙的剪力墙不施加侧向水压力。

《高规》JGJ3-201012.2.5条:“高层建筑地下室外墙设计应满足土压力及地面荷载侧压作用下承载力要求,其竖向和水平分布钢筋应双层双向布置,间距不宜大于150mm,配筋率不宜小于0.3%。”

软件对于定义了地下室外墙的墙段自动按照下节所述的计算方法并自动将其竖向分布钢筋的配筋率设置为不小于0.3%同时在配筋计算时控制其水平分布筋配筋率不小于0.3%在剪力墙施工图绘制中,对于地下室外墙控制其水平和竖向分布筋的间距不大于150mm。

2、将剪力墙承受的面外荷载直接加到上部结构整体计算模型计算

3.6.9为水土压力的计算简图土压力沿楼层高度为梯形(或三角形)分布。


水土压力分布的简化


上部结构传下来的内力荷载

3.6.9 水、土压力分布

YJK的有限元计算可以计算剪力墙承受面外荷载因此YJK将剪力墙承受的面外荷载直接加到上部结构整体模型计算。这样在上部结构计算中,软件既能考虑这些墙的面外荷载对于整体计算的影响,又能在墙的有限元分析中得出墙的面外弯矩。

在计算简图中,可以查看面外荷载的布置情况,并可以看出荷载的分布规律,如图3.6.10

3.6.10 水、土压力计算简图

如果在计算参数中勾选了生成绘等值线用数据,则可在设计结果等值线菜单下查看每一片剪力墙在各个荷载工况下的内力等值线图。3.6.11即是地下室外墙在土压力下的面外弯矩等值线图,在它的各个单元节点上可标出弯矩的数值。

3.6.11 水、土压力下等值线图

3、在配筋结果文件中对地下室外墙补充输出竖向及水平分布筋的计算结果

在各层配筋结果文件中,如果某墙柱是承受了水土压力或人防荷载的地下室外墙,则在原有内容之外补充面外设计结果,输出了墙的竖向分布钢筋和水平分布钢筋的双侧最大配筋面积,同时给出控制的面外弯矩、轴力和组合号,如图3.6.12所示

3.6.12 墙面外配筋结果输出

八、单侧布置地下室外墙的结构计算

有的工程只在单侧布置了地下室外墙,如一侧靠山,另一侧开敞的地下室情况,如图3.6.13所示。有时地下室虽然两侧布置,但布置并不对称。在这些情况下,地下室周边的土、水压力只施加到单侧,这将造成结构的不对称受力。

3.6.13 单侧布置地下室外墙模型

YJK由于设置了单独的土压力工况和水压力工况,并把土压力和水压力作为墙的面外荷载直接施加到整体结构上,因此可以正确地计算出水土压力工况下的构件位移和内力,如图3.6.14所示YJK把土压力合并到恒荷载工况、水压力合并到活荷载工况参与荷载组合

3.6.14 单侧布置地下室外墙时的计算简图及变形图

传统软件对地下室外墙上的土、水压力荷载仅能在配筋时简化考虑,、水压力没有加到整体计算模型上当地下室外墙不对称布置时,特别是在某方向上单边布置时,会导致整体计算中没有考虑土、水压力产生的水平侧移的疏漏。

九、对地下室楼板按照弹性板6计算的效果

楼板较厚时对梁的设计要考虑梁板共同工作地下室各层的楼板、特别是地下室顶层的楼板一般较厚,至少160mm,大于200mm也十分常见。

结构计算时对楼板较厚(如大于160mm时)的板应将其设置为弹性板3(厚板单元)或者弹性板6(壳元)计算这是梁板共同工作的计算模型,可使梁上荷载由板和梁共同承担,从而减少梁的受力和配筋。既节约了材料,又实现强柱弱梁,改善了结构抗震性能。对于地下室顶板、转换层、加强层或承受人防荷载、消防车荷载等情况更需这样设置。

1、可明显减少地下室梁的配筋

3.6.15 地下室顶板按弹6计算

如图3.6.15所示工程地下1层顶板承受消防车荷载楼板250mm,以前按刚性板计算梁的超筋及抗扭超限很多,现改为按照弹性板6计算,旧、新算法结果对比如3.6.16所示。

3.6.16 地下室顶板按刚性板与按弹6计算时梁配筋结果对比

傅学怡《实用高层建筑结构设计》14不考虑实际现浇钢筋混凝土结构中梁、板互相作用的计算模式,其弊端主要有: 1)对于单独计算的板,由于忽略支座梁刚度的影响,无法正确反映板块内力的走向,容易留下安全隐患。2)对于梁,由于忽略楼板的翼缘作用,重力荷载下往往高估梁端截面弯矩,其结果不仅仅是造成材料的浪费,更重要的是过高的框架梁支座截面受弯承载力使得水平荷载下梁端形成延性结构的可能性大为减小。

考虑楼板翼缘的作用,可实现强柱弱梁的设计效果,有利于抗震,同时明显降低造价。

另一方面,对按照弹性板3或弹性板6计算的楼板,应在楼板计算时考虑梁的弹性变形。

2、减少剪力墙连梁超限

3.6.17为一个高层框架-核心筒模型,地下室层数为3层,刚性板,正负0嵌固。 

用户问题:地下室地震剪力比预计的大很多,导致连梁(截面高度700mm)抗剪不足,如图3.6.18所示。我们认为由于在正负0嵌固,且为刚性板,则上部结构地震剪力应在嵌固处传递给刚性板,地下室连梁不应承受过大的剪力,为何模型中连梁剪力这么大?

3.6.17 工程实例

经过与其他软件结果对比,连梁剪力大属正常的计算结果。

发生超限的剪力墙连梁位于地下室顶层(结构3层),原采用刚性板计算,该层楼板厚度400mm。我们改为对全层按照弹性板6计算。

按弹性板6计算后原来超限的剪力墙连梁都不再超限,如图3.6.19所示

3.6.18 按刚性板计算时连梁抗剪超限

3.6.19 按弹6计算时连梁抗剪不超限

对比最右侧连梁在两种计算方法下的结果连梁两端剪力刚性板1487kN-1661kN弹性板6结果为923kN-1406kN,弹性板6都有明显的降低,如图3.6.20所示

3.6.20 配筋结果对比

3、减少地下室层中剪力墙超限

3.6.21所示用户工程地下室为了增加嵌固端的刚度,加设了一些纯地下的单片墙肢但是计算之后发现,这些单片的墙肢抗剪超筋很厉害,有一些小的墙肢也超筋,如图3.6.22所示经查内力,发现这些墙肢均是由地震和风荷载组合工况控制,地震工况下的墙肢剪力很大。

发生超限的剪力墙位于地下室顶层(结构3层),原采用刚性板计算,该层楼板厚度一般为180mm,超限墙两边为400mm厚。我们改为对全层按照弹性板6计算。

按弹性板6计算后原来超限的3片墙已有2片不再超限,如图3.6.23所示

3.6.21 工程实例

3.6.22 按刚性板计算时剪力墙抗剪超限

3.6.23 按弹6计算时剪力墙抗剪不超限

对比两种计算方法的墙的剪力,刚性板为17752kN弹性板611856kN,降低了34%,如图3.6.24所示

3.6.24 配筋结果对比

再对比两种计算方法的各个单工况剪力可见弹性板6计算使地震工况、恒载工况等的剪力大幅降低,如图3.6.25所示

3.6.25 内力结果对比

十、消防车荷载应自定义荷载处理

消防车荷载很大,设计时应考虑可能的折减。

荷载规范5.1.2规定了消防车荷载的折减设计楼面梁时,对单向板楼盖的次梁和槽形板的纵肋应取0.8,对单向板楼盖的主梁应取0.6,对双向板楼盖的梁应取0.8

设计墙、柱时,按实际情况折减;设计基础时可不考虑消防车荷载。

另外,地震和消防车荷载同时作用的概率极小,朱炳寅在《高层建筑混凝土结构技术规程应用与分析》P143提到结构设计中一般可不考虑消防车荷载效应与地震作用效应的组合。。因此,消防车荷载的重力荷载代表值系数可填为0,这样可大大减少地下室的地震作用。反之,如果把消防车荷载按照一般的活荷载输入,软件按照默认的0.5的重力荷载代表值系数计算,会使得重力荷载及地震效应增大很多。

YJK的解决方案是把消防车荷载按照自定义荷载工况输入,在自定义工况的属性中人工填入次梁、主梁和墙柱的折减系数,在重力荷载代表值系数中填写0基础设计软件自动过滤消防车荷载

3.6.26所示模型的地下室顶板需要考虑消防车荷载用户使用传统软件将消防车荷载按照一般的活荷载输入我们在这里将消防车荷载改为自定义工况输入

3.6.26 工程实例

本工程2层作用大片29kN/m2的活荷载,这是消防车荷载。

在这里我们将2层的所有29kN/m2活荷载改为在自定义工况菜单下输入,在自定义工况下,对这样的荷载按照消防车荷载输入,如图3.6.27所示

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3.6.27 消防车荷载定义

重力荷载代表值系数应填为0,因为地震可不考虑消防车荷载。柱墙构件活荷载折减系数和楼面梁活荷载折减系数按照荷载规范要求填写。

3.6.28 消防车荷载布置区域

3.6.29 修改活荷载数值

同时,在活荷载菜单下把原来布置29kN/m2的房间的活荷载改为3kN/m2,如图3.6.283.6.29所示。

注意在计算参数的自定义工况组合中,应对活荷载组合设置为包络组合,原来的默认组合为叠加组合,由于在2层原来布置消防车荷载的区域被改为布置3kN/m2的普通活荷载,这两种活荷载应为互斥的组合关系,所以应在这里修改默认组合为包络组合,如图3.6.30所示

3.6.30 消防车荷载组合

2层全层设置为弹性板6。计算完成后,与原来按普通活荷载输入、且2层为弹性板6的结果对比。

可见2的活载质量大幅减少,12层的地震效应也大幅减少,如图3.6.31所示

3.6.31 活荷载质量减少

1层柱钢筋明显减少,第2层的梁的钢筋明显减少,如图3.6.32所示

3.6.32 梁配筋结果对比

十一、地下室常见结构形式示例

1平面规模越来越大

例:地下室采用无梁楼盖与梁板结构混合的结构形式,楼面面积48389.34m2

3.6.33 无梁楼盖与梁板结构混合工程实例

2无梁楼盖楼板

例:地下室采用无梁楼盖的结构形式,楼面面积24163.65m2

3.6.34 无梁楼盖大平面工程实例

3、现浇空心板楼板

例:地下室采用现浇空心板与梁板结构混合的结构形式,楼面面积24604.89m2

3.6.35 现浇空心板工程实例

常见问题

1半地下室的地下室外墙的土压力能否计算,怎么交互

可以,按墙的面外梯形荷载交互,如图3.6.36所示,可在生成数据后的轴测简图查看荷载施加的情况。

3.6.36 墙面外荷载定义与布置

2地下室外墙的水土压力是否会转化为结构质量?考虑水土压力与否对整体指标是否有影响

土压力不会转化成质量。不会对整体指标有影响。

3、局部人防外墙荷载如何施加

前处理有人防构件定义,具有人防属性的外墙才施加人防荷载。对于临空墙,可以在前处理特殊构件定义中交互修改临空墙荷载

4、对于地下室,手工指定了弹性板,勾选了地下室采用强制刚性楼板假定后,弹性板定义无效

如果勾选了地下室采用强制刚性楼板假定,则软件忽略特殊构件定义中指定的弹性板属性。需要注意的是,软件只是取消了弹性板的面内属性(按照面内刚度无限大处理),面外仍保留所定义的弹性板属性。

5、地库中调幅梁梁端配筋YJKPKPM差异

《砼规范》5.4.3条规定:钢筋混凝土梁支座或节点边缘截面的负弯矩调幅幅度不宜大于25%;弯矩调整后的梁端截面相对受压区高度不应超过0.35,且不宜小于0.10

由于地库上的覆土较厚,活荷载较大(尤其是考虑消防车后),通常情况下梁配筋由恒、活控制,当抗震等级为四级或非抗震时,该条规定对梁端配筋影响较大,YJK对于调幅梁按该条执行。

6、面外荷载下,墙柱面外内力无反弯

软件是真实计算的,只是目前墙柱仅取顶、底两个控制截面,内力简图无法反映中间截面的弯矩,因此看起来是无反弯。这时需要查看等值线中的结果。

7、外墙抗剪与施工缝验算

由于外墙不开洞,往往墙肢较长,还是按照上部墙体串起来生成一个墙柱进行正截面配筋设计显然不合理,因此软件对于外墙是按节点打断成若干个墙柱分别配筋的,这样的处理对于正截面设计相对合理,但对于斜截面设计及施工缝验算往往会导致一些不合理的结果,如相邻的墙肢水平分布筋结果差异大、一个超限一个不超限等。考虑到这些情况,软件对外墙的抗剪与施工缝验算是串起来作为一个墙肢进行的,这样得到的结果相对合理。

由于软件输出的单工况内力是单个墙肢的,而斜截面抗剪与施工缝验算是串起来后的整个墙肢的,因此由单个构件的单工况内力手算得不出这些设计内力。

 

 

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