某学校单层大空间旧房抗震性能分析

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第27卷第6期 2011年6月 商丘师范学院学报 

JOURNAL OF SHANGQIU TEACHERS COLLEGE Vo1.27 No.6 

June,2011 

某学校单层大空间旧房抗震性能分析 陈红彬 ,逢锦鹏 (1.商丘师范学院基建办,河南商丘476000;2.山东省建筑设计研究院,山东济南250000) 

摘要:以某学校单层大空间旧房抗震性能分析为例,利用PKPM软件验算其在新抗震设计规范下的抗震性 能,并利用ANSYS有限元分析软件,研究了墙体与梁柱连接方式对应力分布的影响,将两种计算结果进行对比分 析,从而得出一些结论,对旧房拆迁和新房设计提出一定指导意见. 关键词:单层;大空间;旧房;抗震验算;ANSYS 中图分类号:U445.7 1 文献标识码:A 文章编号:1672—3600(2011)06—0096—05 

Anti——seismic performance analysis of monolayer large space structure CHEN Hongbin ,PANG Jinpeng (1.Infrastructure Dept.,Shangqiu Teachers College,Shangqiu 476000,China;2.Shandong Provincial Architectural Design Institute,Ji’nan 250000,China)) Abstract:In this paper,a monolayer conference room of la ge space was recomputed by the PKPM software in order to check in whether the seismic performance meets the requirements under the new Code for Seismic Design.To a. chieve the actual stress distribution,finite element analysis with ANSYS software iS used for the calculation such as the impact of the wall and beam—column connection to stress distribution.According to relative analysis with PK. PM software.we can achieve some guidance for old house demolition and new house design. Key words:monolayer;large space;seismic checking;ANSYS 

0 引 言 汶川地震以来,建筑结构的抗震设计受到了更多的关注.我国的抗震设计规范也是几经修订.许多建于 上世纪80年代的房屋没有考虑抗震设防,抗震设防水平远低于现在的规范标准.这些房屋在新抗震规范下 的抗震能力验算是否满足要求?这需要按照新规范进行抗震验算.利用PKPM软件进行计算是最常用的一 种方式.PKPM的优点是计算快捷,操作方便,结果明确,但无法反映实际结构上的应力应变分布以及局部应 力值的大小.用有限元软件可以得到结构的变形以及应力大小.本文分别采用PKPM和有限元软件AN. SYS 进行建模计算,并进行结果对比分析. 

1 工程概况 单层大空间结构常用于会议室,阶梯教室等人员密集场所,因此该类建筑的破坏,往往会引起更大的灾 害.国家现行标准《建筑工程抗震设防分类标准》(GB50223—2008) 规定,教育建筑中,幼儿园、小学、中学 的教育用房及学生宿舍和食堂,抗震设防类别应不低于重点设防类.本建筑为中学会议室,属于教育用房.保 证该类建筑在地震作用下的安全性能,具有十分重要的意义. 本文所研究房屋的结构形式即为单层大空间建筑,局部为2层.该建筑建于1986年,抗震设防烈度为8 

收稿日期:2010—10—25 作者简介:陈红彬(1983一),男,河南民权人,商丘师范学院助理工程师,主要从事建筑结构设计与施工的研究 第6期 陈红彬,等:某学校单层大空间旧房抗震性能分析 度,按旧抗震设计规范(TJ11—74)进行抗震设计的.建筑面积250 m ,房屋层高6.7 ITI,室内外高差0.75 m, 建筑平面为六边形,最大跨度为15 m.建筑结构形式为砖混结构.原结构图中,上部结构材料为:钢筋混凝土 梁为200#,墙体为机砖75#,砂浆50#.屋面采用预制空心楼板KB33—5(6)2—4,选用标准图集AJG79一l的 有关做法.局部采用现浇.梁柱主筋采用HRB335,箍筋采用HPB235. 该房屋具有以下构造特点: (1)开间大 该楼为满足功能需要,开间很大,梁的跨度最小9 m,最大15 n1.柱的尺寸也比较大,为400 mm×550 mm (2)墙体开口率大 该建筑为保持通风和采光,在墙体上开有很多且很大的洞口,有6个窗户宽1.5 m,高3.7 m,且在外墙 拐角处设有较大洞口,如下图1所示: 本计算按照现行抗震设计规范 ,对其进行重新计算,以验证 其抗震性能在新规范下是否满足要求. 

2 PKPM计算 2.1计算过程 采用PKPM进行计算时,因东部入口处为局部二层且有梁布 置,为了实现PKPM计算,将楼层分两个层建模,第一层为室内地 坪至标高1.5 m处,第二层为从标高1.5 m处到楼顶.计算时,隔 墙、女儿墙、楼梯(本楼只有一段楼梯)都是以荷载的形式加载到 相应的墙或梁上. 

图1房屋立体图 

Figl Spatial Pattern of The Structure 

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34 c=0 l己5n( 340U -m f 3400 

图2一层平面图 图3二层平面图 Fig2.First Floor Plan Fig3.Second Floor Plan 

各层上的具体荷载为: 第一层:楼面恒载为1 kN/m ,楼面活荷载为2 kN/m ,楼梯恒载按楼梯按板厚100 mm的板的重量,活 荷载取为2.5 kN/m .在进行建模时不对楼梯进行建模,而是将楼梯的荷载传递分配,以线荷载的形式施加 到相应的梁上. 第二层:屋面恒载包括防水层、保温层、结合层、板底抹灰、吊顶共为3.6 kN/m .挑檐的计算由于没有图 集参考,故将其各部分线荷载相加,以均布恒载的方式加在墙顶,线荷载为5.2 kN/m.女儿墙以线荷载的形 式加在墙顶或梁顶,线荷载为1.8 kN/m.屋面为不上人屋面,活荷载采用不上人屋面活荷载(0.5 kN/m )和 雪荷载(0.4 kN/m )中的较大值,故取为0.5 kN/m . 在进行计算时,鉴于设计资料中很多构造做法无图集可查,故将设计资料中的混凝土、砖及砂浆的容重 和强度等级折算成现行砌体结构规范 下的数值,对于强度,取保守偏小值;对于荷载,取偏大值.部分材料 取法见表1. 98 商丘师范学院学报 2011钲 表1材料强度及做法折算表 Table 1.Materials Strength And Convert Table 

该建筑地处安阳,抗震设防烈度为8度(0.2 g)设计加速度分组为第一组,场地类别为Ⅱ类,基本风压 0.45 kN/m ,地面粗糙度类别为c类. 2.2计算结果 计算结果显示,房屋的西侧墙抗震性能不满足要求,其余墙体均满足要求.PKPM计算结果比较简单,并 不能显示整个建筑在地震作用下的应力大小及分布.而得到结构的应力分布可以查看出单层大空间建筑在 地震作用下的薄弱位置,可以有针对性的为此类建筑的设计和加固提出一些指导性意见. 

3用有限元软件进行分析计算 3.1建模及计算过程 利用有限元软件进行分析计算的步骤为:先进行建模,然后计算模型的地震作用,再进行模型的静力计 算,最后进行荷载工况组合得出模型的应力分布和变形特征.在进行建模时,墙体采用shell63单元,柱梁采 用beam188单元.梁与柱连接采用刚接.考虑到大梁与柱的连接并不能保证为完全刚接,加上建模时材料的 属性都是按照理想的线性材料选取,实际中结构的梁与柱的连接并不能达到完全刚性,有一定的转动能力, 处于刚接和铰接之间,但又无法确定连接强度,因此按照梁柱铰接建立了第二个模型,即铰接模型,以便于与 第一个模型对比观察实际应力分布及变形.又考虑到地震作用为南北方向时,南、北侧墙的抗震参与度比较 低,为考察南、北两侧墙对房屋抗震的贡献大小,因此按照去掉南、北两侧墙建立了第三个模型.计算地震作 用时,地震特征周期 =0.35 s,设计基本地震加速度值为0.2 g,最大地震影响系数 。 =0.16.采用与规范 相同的地震影响系数谱曲线进行谱分析并计算地震作用.荷载组合时,按照规范,取地震组合系数为1.3,所 有的静力荷载及结构布置都与采用PKPM分析时相同,以利于结果的对比. 表2即为上述3种模型的前5阶自振频率. 表2 3种模型的前5阶自振频率 Table 2.First Five Natural Vibration Frequency 

由上表可以看出,完全刚接模型、铰接模型,以及无墙模型的自振频率依次降低,这和结构的整体刚度降 低有关. 3.2墙体计算结果 因为第三个模型中没有墙体,故只考察前两种模型的墙体的结果. 由图4、5可以看出,刚接模型中西侧墙产生了较大的变形,最大变形值达到10 mm,而铰接模型的最大 变形出现在西侧第一跨的板中间,最大变形为6 mm,西侧墙的最大变形为2.3 mm.从结果中可以看出,铰接 模型的屋盖的变形较刚接模型的要大,这是因为梁柱铰接后房屋的刚度减小,屋盖的变形能力增强. 同时,通过图6、7可以看出,刚接模型的西侧墙砌体抗压强度和抗拉强度均超过了规范容许值,且分布 更为复杂.另外通过PRNSOL等命令可以查看,窗口四周处的节点应力也比较大,局部节点拉应力超过了砌 体的抗拉强度.对于铰接模型,最大压应力没有超过规范允许值,但最大拉应力却超过了规范允许值,较大拉 应力分布在洞口的四角,表明砌体在地震作用下,将会发生局部受拉破坏.表3即为提取的刚接和铰接计算 结果中墙体应力的最大值与规范允许值的比较.