《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》2010版實(shí)施后框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

馮江源

0 引言

隨著GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的逐步使用，以及設(shè)計(jì)軟件PKPM與之對(duì)應(yīng)的改版，諸如“規(guī)定水平力”“多層結(jié)構(gòu)偶然偏心的使用”等一些新概念不斷成為結(jié)構(gòu)工程師關(guān)注的重點(diǎn)。以下通過一個(gè)工程實(shí)例，簡(jiǎn)單介紹新版《抗規(guī)》對(duì)框架結(jié)構(gòu)的影響。

1 工程概況

本工程為一L形的五層框架結(jié)構(gòu)，帶一層地下室。所在地區(qū)設(shè)防烈度為8度，地震分組為第一組，特征周期為0.45 s，抗震等級(jí)為二級(jí)?？蚣芰骸⒅炷敛捎肅35。設(shè)計(jì)時(shí)，由于建筑使用功能的要求，盡可能不設(shè)置防震縫。計(jì)算采用新版PKPM軟件，計(jì)算模型見圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

2 規(guī)范中“規(guī)定水平力”的引入

2.1 “規(guī)定水平力”引入背景

根據(jù)2010版抗震規(guī)范，樓層位移比不再采用根據(jù)CQC法直接得到的節(jié)點(diǎn)最大位移與平均位移比值計(jì)算，而是根據(jù)規(guī)定水平力下的位移計(jì)算。CQC方法存在的問題:將結(jié)構(gòu)各個(gè)振型的響應(yīng)在概率的基礎(chǔ)上采用完全二次方開方的組合方式得到總的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，每一點(diǎn)都是最大值，可能出現(xiàn)兩端位移大，中間位移小，所以CQC方法計(jì)算的結(jié)構(gòu)位移比可能偏小，不能真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。依據(jù)《抗規(guī)》3.4.3條:“在規(guī)定水平力作用下，樓層的最大彈性水平位移(或?qū)娱g位移)，不大于該樓層兩端彈性水平位移(或?qū)娱g位移)平均值的1.2倍。此處用“規(guī)定水平力”來計(jì)算扭轉(zhuǎn)位移比，可避免有時(shí)CQC計(jì)算的最大位移出現(xiàn)在樓蓋邊緣的中部而不在角部，而且對(duì)無限剛樓板，分塊無限剛樓蓋和彈性樓蓋均可采用相同的計(jì)算方法處理。

2.2 “規(guī)定水平力”計(jì)算方法及注意要點(diǎn)

“規(guī)定水平力”是《抗規(guī)》2010版提出的一種新的計(jì)算地震力的方法，主要用于計(jì)算傾覆力矩和扭轉(zhuǎn)位移比?！犊挂?guī)》3.4.3條的條文解釋中，“規(guī)定水平力”有明確的定義，該水平力一般采用振型組合后的樓層地震剪力換算的水平作用力，并考慮偶然偏心。如何換算規(guī)定水平力，高規(guī)3.4.5條文說明:水平作用力的換算原則:每一樓面處的水平作用力取該樓面上、下兩個(gè)樓層的地震剪力差的絕對(duì)值。具體換算方法如下:SATWE軟件在WZQ.OUT文件中輸出的各樓層基底剪力計(jì)算結(jié)果中，其中一欄為Vx(分塔剪重比)，用第N層的Vx值減去其上一層Vx值，所得即為該層的“規(guī)定水平力”。

由于“規(guī)定水平力”在《抗規(guī)》2010版中的引入，且其條文解釋中明確規(guī)定需要考慮偶然偏心的影響，所以在今后的設(shè)計(jì)工作中，無論高層還是多層，在建模過程中只要用到“規(guī)定水平力”的時(shí)候，均需考慮偶然偏心?！犊挂?guī)》2010版有兩處提到“規(guī)定水平力”，上述3.4.3 條為一處，另一處為6.1.3 條，設(shè)置少量抗震墻的框架結(jié)構(gòu)在規(guī)定的水平力的作用下，底層框架部分所承擔(dān)的地震傾覆力矩大于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的50%時(shí)，其框架的抗震等級(jí)應(yīng)按框架結(jié)構(gòu)確定，抗震墻的抗震等級(jí)可與其框架的抗震等級(jí)相同。從規(guī)范條文中，我們發(fā)現(xiàn)，在《抗規(guī)》2008版中，多層結(jié)構(gòu)計(jì)算規(guī)范沒有需要考慮偶然偏心影響的條文，而《抗規(guī)》2010版中偶然偏心的影響會(huì)經(jīng)常需要考慮，這是新規(guī)范使用后的不同之處。

3 實(shí)際算例的問題及解決方案

3.1 遇到的問題

在模型建立過程中，由于本工程屬于平面不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，扭轉(zhuǎn)也較大，設(shè)計(jì)中，考慮到層數(shù)較低，柱距為8 m也不大，柱截面初步設(shè)定為550×550，計(jì)算結(jié)果為:

1)地下室部分柱軸壓比超限，柱超限的軸壓比值為0.75～0.82，大于0.75 的限值較多;

2)X方向最大層間位移角:1/484(地上第2層)，Y方向最大層間位移角:1/495(地上第1層);

3)一層和二層框架柱節(jié)點(diǎn)域抗剪超限;

4)Y方向偶然偏心作用下最大層間位移與平均層間位移的比值為 1.24。

3.2 解決方案

比較新舊《抗規(guī)》，《抗規(guī)》2008版二級(jí)框架的軸壓比限值為0.8，《抗規(guī)》2010版二級(jí)框架的軸壓比限值為0.75，因此造成估算柱截面相差較大。第1，2項(xiàng)相差限值較多，考慮通過加大柱截面來調(diào)整。地下室、一層、二層柱截面改為650×650。計(jì)算結(jié)果:軸壓比全部滿足要求。X方向最大層間位移角:1/576，滿足要求;Y方向最大層間位移角為1/492，出現(xiàn)于第三層，及第四自然層，找出最不利位移比所在位置，見圖2。對(duì)模型進(jìn)行微調(diào)，由于位移角距限值1/550所差較多，把①軸上原截面為550×550的框架柱改為550×650，并適當(dāng)增加該軸上梁的高度，由600 mm高改至700 mm高。此時(shí)Y方向最大層間位移角為1/538，仍然稍有不足，X方向最大層間位移角基本不變。接下來，調(diào)整②軸上框架柱，為減少框架柱的類型，該柱截面也改為550×650，梁高未做改變。在本次調(diào)整時(shí)，考慮到建筑物角柱和邊柱的剛度對(duì)整體剛度的貢獻(xiàn)較大，而中部柱貢獻(xiàn)較小，以此將一、二層中部框架柱仍調(diào)整回550×550，計(jì)算結(jié)果為Y方向最大層間位移角達(dá)到1/574，滿足要求;X方向最大層間位移角達(dá)到1/583，較原位移角稍有減小，更合理。

圖2 最不利位移比位置示意圖

分析框架柱節(jié)點(diǎn)域抗剪超限的問題，在框架梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)組合的剪力設(shè)計(jì)值計(jì)算公式中，《抗規(guī)》2010版的剪力增大系數(shù)二級(jí)取1.35，《抗規(guī)》2008版的剪力增大系數(shù)二級(jí)取1.2，剪力設(shè)計(jì)值增大1/8;框架梁寬度為300 mm，而且梁、柱偏心較大(為考慮梁、柱偏心影響，模型中框架梁偏心按實(shí)際輸入，未簡(jiǎn)化)，對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)域的約束不是很好。根據(jù)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)組合剪力設(shè)計(jì)值的公式:Vj≤1/γRE(0.3ηjfcbjhj)，由于樓層凈高的要求，梁的高度不能改變，增加兩側(cè)梁的寬度，由原來的300 mm改為400 mm。梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪大部分滿足要求，因少量節(jié)點(diǎn)域抗剪超限而提高混凝土標(biāo)號(hào)顯然不是一個(gè)合理的解決方法，因此通過提高ηj(正交梁的約束影響系數(shù))是唯一辦法。改變梁的偏心，使梁柱中線重合，改變四側(cè)梁的截面寬度不小于該側(cè)柱截面寬度的1/2，并使正交方向梁高度不小于框架梁高度的3/4。這樣，ηj可由原來的1.0提高至1.5，框架柱節(jié)點(diǎn)域抗剪超限的問題得到圓滿的解決。節(jié)點(diǎn)區(qū)域的約束由于梁的偏心造成節(jié)點(diǎn)區(qū)域的約束較差，還可以采用水平加腋的方法，這樣梁對(duì)柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域的約束有很大改善，但是此種方式在軟件中一直沒有得到體現(xiàn)，只能手工復(fù)核計(jì)算，因此加大梁截面的寬度或高度，提高混凝土標(biāo)號(hào)是一個(gè)相對(duì)方便實(shí)用的方法。

關(guān)于框架結(jié)構(gòu)薄弱層的驗(yàn)算，《抗規(guī)》2010版軟件中取消了用戶對(duì)層剛度計(jì)算方法的選擇，軟件自動(dòng)計(jì)算“剪切剛度”與“地震剪力與地震層間位移的比”的兩種層剛度，并按照規(guī)范規(guī)定，用后者進(jìn)行薄弱層的判斷。新規(guī)范中薄弱層的地震力放大系數(shù)也由1.15提高到1.25。經(jīng)計(jì)算本工程無薄弱層。

通過這個(gè)工程可以看出，本工程僅為5層，總高約18 m。如上所述的與地震力有關(guān)的參數(shù)已難以算過，而且隨著新規(guī)范的實(shí)施，加強(qiáng)了對(duì)框架結(jié)構(gòu)的要求，提高了強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)壓弱彎的調(diào)整系數(shù)，對(duì)框架的軸壓比控制更加嚴(yán)格，提高了框架柱的最小配筋率等，以及整體計(jì)算中梁剛度放大系數(shù)，薄弱層放大系數(shù)等的調(diào)整，都使得純框架的結(jié)構(gòu)模型調(diào)整更加困難。即使調(diào)整通過的框架，框架柱、梁的截面也偏大，含鋼量較高。如果本工程高度再加高一層，在抗震等級(jí)不變的條件下，以上參數(shù)調(diào)整難度就更大，而且即使某些控制指標(biāo)符合規(guī)范要求，在結(jié)構(gòu)受力上也是不合理、不經(jīng)濟(jì)的。在高烈度地區(qū)高層建筑不宜采用純框架結(jié)構(gòu)。因此，新抗規(guī)明確提出了設(shè)置少量抗震墻的框架結(jié)構(gòu)。根據(jù)《抗規(guī)》6.1.3條，設(shè)置少量抗震墻的框架結(jié)構(gòu)，在規(guī)定水平力的作用下，底層框架部分所承擔(dān)的地震傾覆力矩大于結(jié)構(gòu)總傾覆力矩的50%時(shí)，框架結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)應(yīng)按框架結(jié)構(gòu)確定，抗震墻的抗震等級(jí)可與框架的抗震等級(jí)相同。根據(jù)《抗規(guī)》6.2.13條，設(shè)置少量抗震墻的框架結(jié)構(gòu)，其框架部分的地震剪力值，宜采用框架結(jié)構(gòu)模型和框架—抗震墻模型二者計(jì)算結(jié)果的較大值。

4 結(jié)語

本文結(jié)合工程實(shí)例，介紹了新《抗規(guī)》2010版“規(guī)定水平力”的引入，在考慮偶然偏心的影響下，能較好的反映結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)不規(guī)則性。所以在今后的設(shè)計(jì)工作中，無論高層還是多層，在建模過程中只有用到“規(guī)定水平力”的時(shí)候，均需考慮偶然偏心。這是新規(guī)范使用后的不同之處。此外，在《抗規(guī)》2010推廣使用后，層數(shù)較低，或地震力較小時(shí)，宜采用純框架結(jié)構(gòu);否則，使用規(guī)范推薦的設(shè)置少量抗震墻的框架結(jié)構(gòu)更為經(jīng)濟(jì)合理。

[1]GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]趙 兵.規(guī)定水平力的概念和軟件應(yīng)用[J].PKPM新天地，2011(2):37-39.

[3]GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)用與分析[S].