一种基于刚度等效的中庭穿层框架柱设计方法与流程

本发明涉及结构工程领域，特别是涉及一种基于刚度等效的中庭穿层框架柱设计方法。

背景技术：

对于商业建筑、医疗建筑、办公等大量公共建筑，由于建筑立面和平面布置要求，楼板开大洞造成的穿层框架柱已经较为普遍的出现在目前的结构设计中。

带有穿层框架柱的框架结构和常规框架结构的受力性能有所不同，尤其是在结构进入塑性后的内力重分布有明显区别，而目前的相关规范、标准中均没有明确穿层框架柱结构的设计方法。带穿层框架柱的框架结构由于穿层框架柱和普通柱的变形能力不同，当结构进入塑性后，两者的塑性发展状态差异较大，如何保证结构进入塑性后，普通柱与穿层框架柱的塑性发展状态满足设计要求，满足结构在中、大震下预期的结构性能水平，具有重要意义。

技术实现要素：

为了克服现有技术之不足，针对目前楼板开大洞的框架结构中穿层框架柱的设计，提出了一种基于刚度等效的中庭穿层框架柱设计方法，该设计方法流程清晰，操作可行，设计方法方便，保证穿层框架柱构件塑性性能的同时，提高结构整体的抗震性能，具有较高的工程价值。

本发明的目的在于提供一种基于刚度等效的中庭穿层框架柱设计方法，具体包括：

s101、建立楼板不开洞的框架结构弹性模型作为第一模型，并基于所述第一模型进行静力及地震反应谱结构分析，直至满足对于楼板的强度及刚度要求；

s102、提取所述第一模型的楼层抗侧刚度k1，并进行第一构件配筋设计，同时基于所述第一模型建立楼板开洞的框架结构模型作为第二模型；

s103、调整所述第二模型的框架梁以及楼板开洞区域的框架柱的截面，进行静力及地震反应谱分析，直至满足对于楼板的各项指标要求；

s104、提取所述第二模型的楼层抗侧刚度k2；

s105、依据所述第一模型的楼层抗侧刚度k1以及所述第二模型的楼层抗侧刚度k2计算穿层框架柱地震作用放大系数λ：λ＝k1/k2；

s106、将所述第二模型中的穿层框架柱的地震作用放大λ倍后，进行所述第二模型的第二构件配筋设计；

s107、基于所述s102及所述s106中完成所述第一构件配筋设计以及所述第二构件配筋设计的模型，分别建立perform-3d弹塑性分析模型，并对所述perform-3d弹塑性分析模型进行弹塑性分析；

s108、比较所述第一模型及所述第二模型的弹塑性分析结果，判断弹塑性位移差值，当所述弹塑性位移差值相差大于10％的情况下，调整λ，直至满足所述弹塑性位移差值小于10％。

优选的，所述s101中对于楼板的强度及刚度要求:位移角<1/550、周期比<0.90、位移比<1.3、受剪承载力比>0.80

优选的，所述第一模型的楼层抗侧刚度k1为地震楼层剪力与地震层间位移的比值。

优选的，所述第二模型的楼层抗侧刚度k2为地震楼层剪力与地震层间位移的比值。

优选的，所述s103中楼板开洞区域的框架柱为穿层框架柱。

优选地，所述穿层框架柱地震作用放大系数λ不大于1.3。

优选的，所述第一构件配筋设计中控制梁配筋率<2.5％、柱配筋率<5.0％。

优选的，所述第二模型中楼板开洞范围不大于整个楼层的50％。

优选的，所述第二模型中楼板开洞面积比例为45％。

优选地，所述s103对于楼板的各项指标要求包括：位移角<1/550、周期比<0.90、位移比<1.3、受剪承载力比>0.80。

本发明的有益效果：

本发明设计方法概念清晰，操作可行，设计方便，保证穿层框架柱构件塑性性能的同时，提高结构整体的抗震性能，具有较高的工程价值。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：

附图1为根据本发明实施例的基于刚度等效的中庭穿层框架柱设计方法流程图；

附图2为根据本发明实施例的楼板不开洞的框架结构弹性模型，即第一模型的结构三维示意图；

附图3为根据本发明实施例的楼板开洞的框架结构弹性模型，即第二模型的结构三维示意图。

具体实施方式

为清楚地说明本发明中的方案，下面给出优选的实施例并结合附图详细说明。以下的说明本质上仅仅是示例性的而并不是为了限制本公开的应用或用途。

应该理解的是，本发明所涉及的一些基本技术概念例如弹性模型、静力分析及地震反应谱分析等等本身是已知的，因此本文重点阐述本发明所涉及的中庭穿层框架柱设计方法的原理及应用。

参见图1至图3，本实施例中基于刚度等效的中庭穿层框架柱设计方法包括步骤如下：

s101、建立楼板不开洞的框架结构弹性模型，即第一模型，并进行静力及地震反应谱结构分析，满足位移角<1/550、周期比<0.90、位移比<1.3、受剪承载力比>0.80；

s102、提取模型的楼层抗侧刚度k1(地震楼层剪力与地震层间位移的比值)，并进行构件配筋设计，控制梁配筋率<2.5％、柱配筋率<5.0％,同时基于模型1建立楼板开洞的框架结构模型，即第二模型，楼板开洞面积比例为45％；

s103、调整模型2的框架梁、楼板开洞区域的框架柱(即穿层框架柱)的截面，进行静力及地震反应谱分析，直至满足位移角<1/550、周期比<0.90、位移比<1.3、受剪承载力比>0.80；

s104、提取第二模型的楼层抗侧刚度k2(地震楼层剪力与地震层间位移的比值)；

s105、依据k1、k2计算穿层框架柱地震作用放大系数λ＝k1/k2，计算放大系数为1.22；

s106、将模型2中的穿层框架柱的地震作用，放大1.22倍后，进行模型2的构件配筋设计；

s107、基于s102及s106中完成构件配筋设计的模型，分别建立perform-3d弹塑性分析模型，并进行弹塑性分析；

步骤八、比较第一模型及第二模型的弹塑性分析结果，弹塑性位移相差8％，未超过10％，满足要求。

本实施例所提出的基于刚度等效原则的中庭穿层框架柱设计方法，计方法概念清晰，操作可行，设计方便，保证穿层框架柱构件塑性性能的同时，提高结构整体的抗震性能，具有较高的工程价值。

虽然本发明已经参考特定的说明性实施例进行了描述，但是不会受到这些实施例的限定而仅仅受到附加权利要求的限定。本领域技术人员应当理解可以在不偏离本发明的保护范围和精神的情况下对本发明的实施例能够进行改动和修改。

技术特征：

1.一种基于刚度等效的中庭穿层框架柱设计方法，其特征在于包括如下步骤：

s101、建立楼板不开洞的框架结构弹性模型作为第一模型，并基于所述第一模型进行静力及地震反应谱结构分析，直至满足楼板的强度及刚度要求；

s102、提取所述第一模型的楼层抗侧刚度k1，并进行第一构件配筋设计，同时基于所述第一模型建立楼板开洞的框架结构模型作为第二模型；

s103、调整所述第二模型的框架梁以及楼板开洞区域的框架柱的截面，进行静力及地震反应谱分析，直至满足楼板的各项指标要求；

s104、提取所述第二模型的楼层抗侧刚度k2；

s105、依据所述第一模型的楼层抗侧刚度k1以及所述第二模型的楼层抗侧刚度k2计算穿层框架柱地震作用放大系数λ：λ＝k1/k2；

s106、将所述第二模型中的穿层框架柱的地震作用放大λ倍后，进行所述第二模型的第二构件配筋设计；

s107、基于所述s102及所述s106中完成所述第一构件配筋设计以及所述第二构件配筋设计的模型，分别建立perform-3d弹塑性分析模型，并对所述perform-3d弹塑性分析模型进行弹塑性分析；

s108、比较所述第一模型及所述第二模型的弹塑性分析结果，判断弹塑性位移差值，当所述弹塑性位移差值相差大于10％的情况下，调整λ，直至满足所述弹塑性位移差值小于10％。

2.根据权利要求所述的一种基于刚度等效的中庭穿层框架柱设计方法，其特征在于：所述s101中对于楼板的强度及刚度要求:位移角<1/550、周期比<0.90、位移比<1.3、受剪承载力比>0.80。

3.根据权利要求所述的一种基于刚度等效的中庭穿层框架柱设计方法，其特征在于：所述第一模型的楼层抗侧刚度k1为地震楼层剪力与地震层间位移的比值。

4.根据权利要求所述的一种基于刚度等效的中庭穿层框架柱设计方法，其特征在于：所述第二模型的楼层抗侧刚度k2为地震楼层剪力与地震层间位移的比值。

5.根据权利要求所述的一种基于刚度等效的中庭穿层框架柱设计方法，其特征在于：所述s103中楼板开洞区域的框架柱为穿层框架柱。

6.根据权利要求所述的一种基于刚度等效的中庭穿层框架柱设计方法，其特征在于：所述穿层框架柱地震作用放大系数λ不大于1.3。

7.根据权利要求所述的一种基于刚度等效的中庭穿层框架柱设计方法，其特征在于：所述第一构件配筋设计中控制梁配筋率<2.5％、柱配筋率<5.0％。

8.根据权利要求所述的一种基于刚度等效的中庭穿层框架柱设计方法，其特征在于：所述第二模型中楼板开洞范围不大于整个楼层的50％。

9.根据权利要求所述的一种基于刚度等效的中庭穿层框架柱设计方法，其特征在于：所述第二模型中楼板开洞面积比例为45％。

10.根据权利要求所述的一种基于刚度等效的中庭穿层框架柱设计方法，其特征在于：所述s103对于楼板的各项指标要求包括：位移角<1/550、周期比<0.90、位移比<1.3、受剪承载力比>0.80。

技术总结
本发明提供了一种基于刚度等效的中庭穿层框架柱设计方法，分别建立楼板不开洞模型(第一模型)、楼板开洞模型(第二模型)，并进行静力及地震反应谱分析，基于满足规范要求的第一模型、第一模型的弹性分析结果，分别提取两个模型的楼层抗侧刚度，按照第一模型与第二模型楼层抗侧刚度等效的原则，放大第二模型中穿层框架柱(即楼板开洞范围内的框架柱)的地震作用，并进行构件配筋设计，达到第一模型与第二模型抗震性能指标相近。本发明的方法针对楼板开大洞造成的穿层框架柱分配地震剪力较小的问题，提出了基于楼层抗侧刚度等效的放大系数，提高了穿层框架柱的抗震贡献，改善了整体结构的抗震性能，为类似工程项目提供参考借鉴。

技术研发人员：付仰强
受保护的技术使用者：中国中元国际工程有限公司
技术研发日：2020.01.16
技术公布日：2020.06.09