超限框支高層抗震墻建筑結構抗震設計

趙靜濤 鄒慕燕 趙宇鵬

(北京華咨工程設計公司,北京 100086)

超限框支高層抗震墻建筑結構抗震設計

趙靜濤 鄒慕燕 趙宇鵬

(北京華咨工程設計公司,北京 100086)

結合工程實例,對超限框支結構設計原則進行簡要論述。通過對設計探索過程的剖析,我們試圖闡明:對于較為復雜的結構體系,在缺乏較為明確或常規的規范依據情況下,需要回歸到結構設計最基本的原理上。先期針對結構不同部位、不同受力狀態,分別設定出在小震、中震、大震作用下不同的抗震設防目標,并根據目標期望,進行有目的的結構分析,并取得相對應的、可靠的內力值。這樣,才更能夠最真實的反應出結構狀態,從而確保結構安全。

超限高層;框支結構;小震-中震-大震;結構彈性-彈塑性-塑性階段;不屈服

近些年,隨著城市建設進程,建筑呈現復雜性多樣性趨勢。超限建筑向普遍化發展。甚至在普通住宅建筑上同樣有所體現。由我公司承擔設計的北京漁陽花園工程,就是典型的超限高層住宅建筑范例。工程建設地點位于北京市平谷區。本項目由 5棟 17～ 29層住宅樓 (A、B、C、D、E)、2層商業裙房及三層地下室聯通組成。其中A、B座為 29層,首二層商業大空間,考慮將結構設為局部框支,建筑總高超過 80m,屬于 B類高層范疇。B類高層建筑,除按規范相關條文執行以外,根據建筑特殊型,必須針對具體項目,具體分析。以下結合 B座實例,淺述一下框支結構設計的基本原則。

1 結構整體布置方案

本工程按八度抗震設防;第一組;設計基本地震加速度 0.2g。建筑場地土類別為■類。屬丙類建筑?？蛑Э蚣芸拐鸬燃墳樘匾患?底部加強部位剪力墻抗震等級為特一級;非底部加強部位剪力墻抗震等級為一級。

1.1 結構方案選型

對于建筑結構方案的分析,通常按以下步驟著手:先是結構形式初步確定;再根據建筑方案細化結構體系布置,此處應充分融入概念設計思想;這些都確定后,要經過計算分析,調整結構布置趨于合理;其中對重點部位實施精確計算;最后,對于難以量化分析的部位,通過構造及概念設計解決。

1.2 結構形式初定

本工程屬于高層住宅,直觀確定,還是剪力墻結構較為合適;下層局部開敞做商業用途,考慮采用局部框支構件。本工程 B座的最大特點,是平面較為扁長,X向 70m;Y向約 18m。由此可以預想出設計兩大難題:一個是建筑體型先天不足對剛度均勻要求的挑戰,另一個就是框支層所需承載能力較大的計算理論研究。根據本工程狹長與框支較多的特點,我們的結構布置遵循:結構傳力布置力求簡潔明確的原則。盡量將剛心與質心調配重合。盡量將剛度邊緣化。將核心筒與外墻盡量加強。因為這些部位的墻體基本都可落地,一方面加強底部抗剪能力;另外,外墻落地可以有效抗扭(圖 1)?？蛑Р贾靡惨鶆蛟O置(圖 2粗線示意),取完整墻肢,一次轉換。

另外,在細部構造上的具體措施還有一些,例如:盡量不設角窗;局部調整窗洞口對齊,其目的是,改善局部結構承載力,構造趨于合理;還有,將 X向較長墻體,開部分結構洞口;核心筒 300厚墻體于標準層減薄為 200,目的是,將 X向減柔,以使X-Y向周期接近;另外,兩側山墻增加外伸墻肢;減小邊洞口;增加落地墻量(Y向)等。同樣的目的是 X向減柔,Y向加強。整體布局后,經結構電算,各主要參數見表 1:

表1 結構整體計算結果參數表

2 局部框支構件設計

解決了總體結構布置問題,也就解決了前述兩大難題的第一個。接下來,就是本工程需要重點考慮的框支部位的抗震承載計算問題探究。對于超限結構,規范并沒有詳細的計算要求,必須根據具體工程特性設定。本工程特點,仍然圍繞狹長與框支數量較大的問題展開。

2.1 抗震設防目標

目前的抗震設計中,有一個基本設計思路,即:“小震不壞—中震可修—大震不倒”,的三階段設防標準[1]。另外還有”強柱弱梁、強剪弱彎、強節點強錨固”原則,這些原則不是口號,而是需要有數據做依托的設計方法。也許在一般工程中體現尚不典型,本工程的設計過程,卻處處用到。我們對本建筑設定的抗震設防目標,就是依據上述原則提出的:

目標一:整體結構構件計算在小震狀態下,維持足夠的彈性承載力;

目標二:落地墻體及框支柱偏壓及偏拉承載力中震不屈服;受剪中震彈性;

目標三:轉換構件(框支梁)承載力,在考慮豎向地震作用下,大震不剪切破壞。

2.2 小震不壞(目標一):

即為低于設防烈度 1.55度左右,這也是規范各項條文規定所要重點滿足的階段。鑒于本工程為超限結構,設計采用兩種算法 (CQC與時程分析法),來針對這一階段重點研究。小震狀態,即為結構構件尚處于彈性階段的狀態。結構承載力計算和結構位移均采用彈性理論。計算結果顯示:層間彈性位移角最大值 1/1339(X向);1/1148(Y向),滿足目標剛度需要。CQC法的其他各項參數見表 1,不再贅述。以下為時程分析法主要參數(圖 3):

可見,結構底層,CQC法結果較大,起控制作用;而結構頂部構件,為彈性時程分析結果控制(圖4)。故,對頂層結構,需加大層剪力作用后,重新復核承載力。

查對兩種算法的層剪力數據,剪力放大比例見表2:

表 2 層剪力數值比較

實際電算中,我們將剪力需加大的層,地震作用放大 1.15倍,(即將需要的層按薄弱層定義)。剪力加大后,連梁最大剪力值并未大幅增加,未超過地震反應最大層(10層左右)的連梁剪力值。不過,總體而言,本工程上層連梁超筋還是較多的,不能忽視,必須解決。

2.2.1 小震狀態的連梁加強措施

由于本工程不太允許加大連梁截面,也不宜大幅度減小剛度,故此處采用一個小技巧:即將超筋連梁,改為鋼骨構件,鋼骨構件的截面抗剪入門條件,是普通構件的兩倍,V<1/Rre(0.36fcbh0)[2]梁受剪截面驗算(C50)

圖 5 連梁鋼骨構造

根據上述數據反查連梁內力,基本無超筋情況,故:實配將計算顯示的超筋連梁均加鋼骨配置(圖 5)。這種做法較為簡便有效,基本可以使用在任何剪力墻結構的設計上。

2.2.2 小震狀態框支柱抗剪

在小震狀態下,針對框支柱的計算承載力,我們還設定了一個控制指標。即:構件彈性狀態下的框支柱實際分擔剪力(表 3),應小于樓層總剪力的10%;這也是為了避免框支布置過多,而對結構安全儲備造成不足。如果能夠滿足,那么在進行 0.2Q調整以后,框支柱抗剪能力至少有一倍的儲備,這就是強剪弱彎的原則。

表 3 框支柱實際承擔層剪力比例

可見,各柱計算剪力均不大于 10%(注:B座 Y向,由于整體剛度調整,減少了框支布置,框支柱分擔的比例較小)。結構安全

2.3 中震可修(目標二):

在基本烈度地震作用下,結構構件達到或部分超過屈服極限,局部開裂,結構產生彈塑性變形。此時,結構應該依靠耗能構件的塑性耗能能力耗散能量。耗能構件一般是:連梁,次要小墻肢(或非落地墻支)等。此類構件即便破壞,也不會引起主結構承載力喪失,且不會引起構件的連鎖失效反應。修復后,整體建筑仍可繼續使用。在本次結構設計中,我門采用:“靜力彈塑性計算”-進行整體分析;“模擬靜力分析”-進行結構內力計算:

2.3.1 靜力彈塑性計算

由彈塑性靜力分析計算得出,本工程周期-加速度曲線(能力曲線)與需求譜曲線的交點(即認為是塑性階段結束)(圖 6),對應位移曲線塑性位移值為1/228(分析計算第 82步)。小于此位移時,結構能力尚可滿足承載需求,結構部分屈服。

2.3.2 模擬靜力分析

計算中震承載力時:對落地墻體及框支柱偏壓偏拉承載力進行不屈服驗算,采用近似靜力計算參數:考慮地震組合;地震影響系數采用中震:α max 0.46;(小震的 2.875倍 );

荷載分項系數:恒載分項系數:CDEAD=1.00活載分項系數:CL IVE=1.00

水平地震力分項系數:CEAH=1.00

材料采用標準值:C50混凝土:32.1N/mm2HRB400鋼筋:400N/mm2

中震計算底部剪力值與小震結果的對比見表4:

表 4 中震狀態底部剪力校核

可見,總剪力值增大比例與中震作用增大倍數相符,判定內力計算結果可信。

2.3.3 中震狀態的墻體加強措施

我們的第一次試算,顯示在中震狀態下,底層墻體縱筋超筋較多,需要增加落地墻體配置;從建筑內部加墻難度較大,所以考慮增加建筑造型用的外伸墻肢(圖 7),計入結構整體計算。這樣做的好處有兩個:一是提高中震承載能力;二是增加墻體后,將墻體大偏拉部位外移至結構以外,出現在建筑裝飾墻體上。這樣就確保主體結構墻不屈服。

實際上,對于底部框支部位,在中震條件下不允許屈服的設定,在規范中的體現,就是對特一級框支部位的內力放大系數。增加外挑墻肢,及首層增加局部裙房墻體后,建筑主體墻肢(不含裝飾外挑構件)中震偏壓及偏拉承載力計算滿足。核查結果發現:部分邊緣落地外墻結果較大。實配時,以此計算結果控制配筋。實配墻肢端暗柱縱筋配筋率達到 2.5%以上。

2.3.4 中震狀態抗剪彈性

對中震受剪驗算遵循:落地墻體及框支柱受剪中震彈性。模擬靜力計算參數:考慮地震組合;地震影響系數采用中震:0.46(小震的 2.875倍);計入荷載分項系數 (1.2恒 +1.4*0.5活 ±1.3地);材料采用設計值。計算結果顯示:墻肢受剪截面均滿足(一般說,剪力墻抗剪能力均儲備較大);實配時,以此計算結果控制墻體水平配筋。本建筑山墻及第一內橫墻的受剪力較大,墻體水平筋實配達到Φ 16-150;Φ 14-100等。

圖 8 框支層最大框支梁剪力部位校核

2.4 大震不倒(目標三):

本工程的大震不倒目標的實現,同樣是通過彈塑性變形的控制來實現的。計算依據就是上述的靜力彈塑性分析?？紤]地震組合;地震影響系數采用大震:α max0.90(小震的 5倍);計入豎向地震作用;不計入荷載分項系數;材料采用標準值。連梁剛度折減為 0.05。按圖 6顯示:超過需求層間變形角位移 1/228后,即是在 82步加載以后,隨著加載量的增加,至 100步,結構在大震條件下,進入塑性變形。計算最終變形值 1/192;滿足規范表 4.6.5限值[3]。大震底部剪力值顯示為表 5:

表 5 大震狀態底部剪力校核

剪力增大比例與大震作用增大倍數相符,(大震狀態下,部分構件進入塑性,地震反應有所降低),判定內力計算結果可信。

2.4.1 大震不屈服加強措施

大震狀態下,我們不再關心整體結構的承載狀態,而是要對關鍵部位和薄弱部位進行重點驗算。本程所指就是框支構件,具體一點說,就是框支梁。體現強剪弱彎原則,需要滿足的標準,為大震作用下,梁剪力彈性。在第一次試算時,顯示出:如果以正常狀態構造確定的梁截面,抗剪不足(圖 8)。必須采取措施:將大跨度框支梁截面加大或根部加腋;鋼骨截面加大;混凝土采用 C50。這樣設置的目的:就是提高梁抗剪能力,同時也加強了節點區域的配置。

加強后,最大位置梁截面約:400×1 400梁腋處受剪截面驗算(C50)

400×1 400的截面條件:Vb<1/0.85* (0.36*32.4*400*1 350)=7 410 kN;查內力結果,滿足了大震抗剪不屈服,梁截面是由大震狀態控制。做到這里,我們有意識的關注了一下加強以后,框支梁剪壓比的情況(表 6):

表 6 框支梁剪壓比值

可見比一般狀態下的常規概念提高較多[4],應該說,是達到了開始提出的設防目標。

綜上所述,我們在關鍵部位的實配值,普遍比一般計算結果超出一倍以上,而每一數據均有確實的計算依據作為支持。從理論分析與數據探求過程,我們不難比較發現:如果僅現成按規范條文套用,如墻厚不小于 1/16 H;墻體配筋率不小于0.3%;框支梁高不小于 1/6L等等來設計,結構安全是無法保證的。

3 結論

對于復雜的超限高層剪力墻結構的設計,我們預設了一系列期望達成的抗震設防目標。最終我們想要控制的,是結構構件屈服的順序。對本建筑而言大致是:標準層部分連梁 →部分次要墻肢 →標準層大量連梁 →框支層部分墻體;而框支構件,應該一直保持在不屈服狀態,直至整體損壞。

經過此次結構設計,我們概括出一些經驗方法,以供類似工程參考:即,分別對結構不同抗震階段提出目標要求:

· 小震階段,結構整體必須保持整體彈性,并確保足夠延性;

· 中震階段,結構重要構件必須彈性,次要構件可以進入塑性階段;但應確保強剪(抗剪彈性)

· 大震階段,必須保證最關鍵部位或受力最大部位的不屈服;

這就是采用“回歸三階段抗震設防理論”進行受力分析的一般過程。

[1]胡慶昌.建筑結構抗震設計與研究.中國建筑工業出版社.1999,P21-28.

[2]《型鋼混凝土組合結構技術規程》JGJ 138-2001.5.1.4

[3]《高層建筑混凝土結構技術規范》 JGJ 3-2002.4.6.5

[4]高立人,方鄂華,錢稼茹.高層建筑結構概念設計.中國計劃出版社,2005:P188-196.

Seismic Fortification Design ofHigh-Rise Building with Primer-Frame and Shear Wall Structure

Jingtao Zhao,Muyan Zou,Yupeng Zhao

(BeijingHuazi Engineering Deign Company,Beijing100086,China)

Brief discussion on design principles of over-l im it fra m e-supported structure.Through analyzing the deign process,we endeavor to illustrate that for relatively complex structure syste m,due to the lack of clear specif-i cations or no rmal requirements from current design codes,need to back to the basic deign principles of structural design.F irstly,need to set the fortification level of seism ic deign,under the smal,l medium and great earthquake respectively,for different parts of the structure and under different forces.Then proceedingw ith purposive structural analysis,base on the different anticipations and acquiring the corresponding and reliable internal force values.Thisway,the actually structural status can be reflected and finally secure the safety of the structure.

Over-l im it H igh-rise Building;Fra m e Supported Structure;Smal;l Mediu m and Great Earthquake;Structural Elastic;Elastic-Plastic;Plastic Phases;Non-yield

TU973

A

1674-7461(2011)02-0079-07

趙靜濤(1972-),男,總結構師,高級工程師。主要從事結構設計與研究;

鄒慕燕(1979-),女,總結構師,工程師。主要從事結構設計與研究。