抗震概念設(shè)計(jì)在框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系中的應(yīng)用

黃小燕，趙 菲，陳超核

（海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，海南?？?570228）

抗震概念設(shè)計(jì)在框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系中的應(yīng)用

黃小燕，趙 菲，陳超核

（海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，海南海口 570228）

闡述了高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中“概念設(shè)計(jì)”的重要性及其基本原則，并通過(guò)有設(shè)防烈度地區(qū)的高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)工程實(shí)例，闡明了概念設(shè)計(jì)在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用.

高層建筑結(jié)構(gòu);概念設(shè)計(jì);基本原則;框架剪力墻結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

地震作用是一種隨機(jī)性比較強(qiáng)的往復(fù)循環(huán)荷載，建筑物的地震破壞機(jī)理又十分復(fù)雜，存在著太多不確定因素和模糊情況，特別是在結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析方面，由于未能充分考慮結(jié)構(gòu)的空間作用、材料時(shí)效、非彈性性質(zhì)、阻尼變化等多種因素以及計(jì)算方法還不完善，在當(dāng)前的科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平和經(jīng)濟(jì)條件下，要準(zhǔn)確計(jì)算或預(yù)測(cè)建筑物所遭遇的地震的特性和參數(shù)，目前還很難做到.人們?cè)诳偨Y(jié)歷次大地震災(zāi)害的經(jīng)驗(yàn)后，逐漸認(rèn)識(shí)到宏觀的“概念設(shè)計(jì)”比以往的“數(shù)值設(shè)計(jì)”更為重要.因此，概念設(shè)計(jì)越來(lái)越受到人們的重視.

1 結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的內(nèi)容和基本原則

1.1 概念設(shè)計(jì) 所謂“概念設(shè)計(jì)”是指人們運(yùn)用對(duì)建筑結(jié)構(gòu)體系的正確認(rèn)識(shí)以及運(yùn)用工程、力學(xué)概念來(lái)妥善處理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中遇到的各種問(wèn)題［1］.其宗旨是在特定的建筑空間及環(huán)境條件下，用整體概念來(lái)考慮結(jié)構(gòu)的總體方案，在初始選型設(shè)計(jì)階段用概念近似計(jì)算方法，迅速有效地對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行構(gòu)思、比較與選擇.因此，這要求設(shè)計(jì)者從結(jié)構(gòu)主體上了解抗震特性和振動(dòng)中結(jié)構(gòu)的受力特征，抓住主要矛盾，然后用正確的工程力學(xué)概念來(lái)指導(dǎo)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).

1.2 概念設(shè)計(jì)的基本原則

1.2.1 剛度適當(dāng)?shù)脑瓌t在地震作用中，如果建筑物的剛度越大，結(jié)構(gòu)的自振周期就越短，所承受的地震作用就越大，建筑物的破壞程度也就相對(duì)越嚴(yán)重，同時(shí)還會(huì)造成建筑材料的浪費(fèi);但是建筑物的剛度過(guò)小，在風(fēng)荷載和地震作用下，建筑物又會(huì)產(chǎn)生較大變形，從而影響其穩(wěn)定性和正常使用性能.因此，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，適當(dāng)?shù)剡x擇建筑物的剛度是非常重要的，它直接影響到建筑物的安全性、經(jīng)濟(jì)性和適用性.

1.2.2 結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)原則在“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)計(jì)原則下，建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)成延性結(jié)構(gòu)，亦即在地震作用下，允許部分構(gòu)件出現(xiàn)塑性鉸，這種狀態(tài)是“中震可修”狀態(tài);如果能合理地控制塑性鉸出現(xiàn)的部位，并且構(gòu)件具備足夠的延性時(shí)，便可做到在大震作用下結(jié)構(gòu)不致倒塌，從而從概念設(shè)計(jì)中真正實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)剪弱彎”、“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)錨固”的抗震措施［2］.

1.2.3 多道抗震設(shè)防設(shè)計(jì)原則強(qiáng)烈地震的持續(xù)時(shí)間，少則幾秒，多則十幾秒，并且不同的地層構(gòu)造，有可能發(fā)生多次余震.長(zhǎng)時(shí)間的地面運(yùn)動(dòng)，將對(duì)建筑物產(chǎn)生多次往復(fù)沖擊，建筑破壞逐漸累積.如果建筑物僅設(shè)置一道抗震防線，該防線一旦沖破，接踵而來(lái)的持續(xù)的震動(dòng)，就會(huì)造成建筑物的倒塌.如果設(shè)置了第二甚至第三道抗震防線，就能夠保證建筑物在地震作用下的安全，同時(shí)達(dá)到建筑物三水準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求.

1.2.4 建筑物的自振周期約束原則在較小的地震作用下，因建筑結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段，自振周期較小并接近一個(gè)常數(shù)，在強(qiáng)烈的地震作用下，當(dāng)結(jié)構(gòu)的自振周期和場(chǎng)地的特征周期相等或接近時(shí)，容易產(chǎn)生共振效應(yīng)，使得結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)很大而造成一定的破壞.因此，在抗震概念設(shè)計(jì)中，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)本身的自振周期加以約束，使其避開(kāi)場(chǎng)地特征周期.

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況 本工程建筑高度為55.1 m，地上17層，地下1層，其中地下室層高為6.5 m，地上1～14層層高3.0 m，15層3.6 m，16層3.0 m，17層1.5 m，總建筑面積10 393.8 m2.結(jié)構(gòu)體系采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15 g.剪力墻抗震等級(jí)為2級(jí)，框架抗震等級(jí)為3級(jí)，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為2級(jí)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為丙級(jí)，基礎(chǔ)坐于強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r.地面粗糙程度為B類(lèi)，基本風(fēng)壓0.65 kN·m－2.2種標(biāo)準(zhǔn)層的結(jié)構(gòu)平面布置方案分別見(jiàn)圖1和圖2.由于篇幅有限，本文僅給出方案1的主要構(gòu)件材料、設(shè)計(jì)信息和構(gòu)件截面尺寸，方案2類(lèi)同.

2.2 概念設(shè)計(jì)思想在建模中的體現(xiàn)

2.2.1 結(jié)構(gòu)的平面和豎向布置為了減少結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，建筑結(jié)構(gòu)的豎向和水平布置應(yīng)具有合理的剛度和承載力分布.在進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置時(shí)，平面形狀應(yīng)盡量簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱(chēng)，并盡量縮小質(zhì)量中心與剛度中心的差異;豎向體型也應(yīng)盡量規(guī)則、均勻，避免有過(guò)大的外挑和內(nèi)收，側(cè)向剛度最好下大上小，逐漸均勻變化，避免豎向剛度發(fā)生突變.在本工程中剪力墻盡量布置在電梯間以及樓板較大洞口的兩側(cè)，并且在兩個(gè)主軸方向組合布置成L形、T形或形成封閉的筒，以提高剪力墻自身的剛度（詳見(jiàn)圖2）.

2.2.2 剪力墻的最大間距、構(gòu)造要求和抗側(cè)剛度的調(diào)整本工程方案2對(duì)剪力墻的位置、長(zhǎng)度和厚度均進(jìn)行了合理的布置和調(diào)整，一般墻肢的長(zhǎng)度為2～3.5 m，最小墻肢長(zhǎng)度不小于5 bw（bw為剪力墻的厚度），單片剪力墻的長(zhǎng)度最長(zhǎng)為5.1 m，不超過(guò)8 m，由于地下室層高為6.5 m，一層以上為3.0 m，顯然，如果地下室與一層的剪力墻面積相同，則一層的剛度大于地下室，因此為了使塔樓各層的剛度趨于均勻，應(yīng)將各層的剪力墻厚度進(jìn)行調(diào)整，即地下室擋土墻厚取300 mm，一層以上取250 mm，五層以上電梯處剪力墻為200 mm.并且為了提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和抗扭剛度，在建筑的拐角處取消了部分柱子，增設(shè)了剪力墻（詳見(jiàn)圖2）.

2.3 部分計(jì)算結(jié)果及其分析 結(jié)構(gòu)方案的選擇與總體布置，依據(jù)控制結(jié)構(gòu)整體性的主要指標(biāo)位移比［3］、剛度比、周期比、剛重比、剪重比、樓層間受剪承載力之比等.本工程采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院編制的高層建筑結(jié)構(gòu)有限元分析軟件SATWE進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模和分析計(jì)算，并調(diào)整方案，反復(fù)計(jì)算，直至滿(mǎn)足規(guī)范要求.

2.3.1層間位移角的控制層間位移角（即層間最大位移與層高之比）是控制結(jié)構(gòu)整體剛度和不規(guī)則性的主要指標(biāo).限制結(jié)構(gòu)層間位移角的主要目的有2點(diǎn):一是保證主體結(jié)構(gòu)基本處于彈性受力狀態(tài)，避免混凝土受力構(gòu)件出現(xiàn)裂縫或裂縫超過(guò)規(guī)范允許的范圍;二是保證填充墻和各種管線等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件完好，避免產(chǎn)生明顯的損傷.方案1和方案2的電算分析得出的樓層最大位移角見(jiàn)表1和表2.2種不同方案的最大位移角曲線圖類(lèi)似，如圖3.

表1 最大樓層層間位移角（方案1）

表2 最大樓層層間位移角（方案2）

圖3 不同荷載作用下的最大位移角曲線圖

根據(jù)表格數(shù)據(jù)顯示，方案1和方案2的不同荷載工況下的最大層間位移角均滿(mǎn)足《高層規(guī)程》JGJ3－2002［4］要求（即地震作用下最大層間位移角限值為1/1 000，風(fēng)荷載作用下限值為1/1 100），并且兩者無(wú)明顯的優(yōu)劣之分.

2.3.2 周期比的控制扭轉(zhuǎn)周期與平動(dòng)周期之比是控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的重要指標(biāo)，是結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度、扭轉(zhuǎn)慣量分布大小的綜合反應(yīng).控制結(jié)構(gòu)的周期比，即控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形小于結(jié)構(gòu)的平動(dòng)變形，其目的是使結(jié)構(gòu)的平面布置更加合理、有效，不會(huì)出現(xiàn)過(guò)大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng).表3和表4（取前3個(gè)振型周期）分別為方案1和方案2的周期的電算結(jié)果.

表3 結(jié)構(gòu)的周期（方案1）

表4 結(jié)構(gòu)的周期（方案2）

經(jīng)計(jì)算，表3中的T3/T1=0.744＜0.9，表4中的T3/T1=0.808＜0.9（T1和T3分別為振型號(hào)1和振型號(hào)3所對(duì)應(yīng)的周期），滿(mǎn)足《高層規(guī)程》JGJ3－2002第4.3.5條的規(guī)定.

2.3.3 剛重比和剪重比的控制《高層規(guī)程》5.4.4條的條文說(shuō)明指出，“高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)僅在豎向重力荷載作用下產(chǎn)生整體失穩(wěn)的可能性很小.高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計(jì)主要是控制在風(fēng)荷載或水平地震作用下，重力荷載產(chǎn)生的二階效應(yīng)（重力P－△效應(yīng)）不致過(guò)大，以致引起結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)倒塌.結(jié)構(gòu)的剛度和重力荷載之比（剛重比）是影響重力P－△效應(yīng)的主要參數(shù).”表5和表6分別為方案1和方案2的剛重比和剪重比的電算結(jié)果.

表5 剛重比和剪重比（方案1） %

表6 剛重比和剪重比（方案2） %

表5和6中X和Y向剛重比均大于1.4，能夠通過(guò)高層規(guī)程（5.4.4）式的整體穩(wěn)定驗(yàn)算，并且都大于2.7，可以不考慮重力二階效應(yīng).經(jīng)電算分析，本工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平力較大，方案1和方案2的樓層剪重比（樓層剪力與其上各層重力荷載代表值之和的比值）滿(mǎn)足大于0.024.

2.3.4 樓層間受剪承載力之比樓層間受剪承載力是指在所考慮的水平地震作用下，該層全部柱及剪力墻的受剪承載力之和.《高層規(guī)程》4.4.3條指出:“A級(jí)高度高層建筑的樓層層間抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力不宜小于其上一層受剪承載力的80%，不應(yīng)小于其上一層受剪承載力的65%;B級(jí)高度高層建筑的樓層間抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力不應(yīng)小于其上一層受剪承載力的75%”.表7和表8（選取承載力之比較大的3組數(shù)據(jù)）分別為方案1和方案2的層間受剪承載力之比，計(jì)算結(jié)果均滿(mǎn)足規(guī)范要求.

表7 受剪承載力（方案1）

表8 受剪承載力（方案2）

2.3.5 經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)為了與工程實(shí)際情況相符，假設(shè)混凝土的成本與混凝土的體積成正比，鋼筋的成本與鋼筋的體積成正比.本工程中筆者僅對(duì)比墻柱梁的鋼筋用量和混凝土用量.在造價(jià)上，不考慮模板及樓板等其他因素對(duì)工程造價(jià)的影響.表9為工程結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)指標(biāo).由表9可知，方案2比方案1在混凝土造價(jià)上要節(jié)約6.5%，鋼筋造價(jià)可以節(jié)約9.4%.

表9 結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

3 結(jié) 論

通過(guò)以上SATWE建模下的幾項(xiàng)指標(biāo)分析，得出方案2優(yōu)于方案1，方案2充分針對(duì)高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原理和概念，對(duì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行考察、分析、確定，以及運(yùn)用工程設(shè)計(jì)概念貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)，反復(fù)比對(duì)原設(shè)計(jì)方案并不斷調(diào)整，將建筑藝術(shù)性與受力合理性有機(jī)地結(jié)合，充分考慮荷載特點(diǎn)、地基條件、施工方法及材料狀況，從結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)保證強(qiáng)度、剛度、傳力途徑直接簡(jiǎn)捷并滿(mǎn)足抗震有關(guān)要求［5］.體系具備必要的強(qiáng)度、良好的變形能力和耗能能力，避免了過(guò)大的應(yīng)力集中和塑性變形集中及薄弱層，處理好剛度與強(qiáng)度、剛度與延性、強(qiáng)度與延性三者的關(guān)系.

［1］魏璉，韋承基，高小旺.論建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的墓本原則［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1985（5）:128－131.

［2］趙積華.建筑抗震設(shè)計(jì)原理［M］.南京:河海大學(xué)出版社，2003:1－2.

［3］魏璉，王森.論高層建筑結(jié)構(gòu)層間位移角限值的控制［G］∥張幼啟.首屆全國(guó)建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)交流會(huì)論文集.深圳:建筑結(jié)構(gòu)，2006，36（增刊）:49－55.

［4］中華人民共和國(guó)建設(shè)部.JGJ3－2002，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

［5］書(shū)鵬生，王全鳳.多因素對(duì)剪力墻最優(yōu)剛度影響的綜合分析［J］.工程力學(xué)，1996，13（2）:61－68.

Application of Seismic Conceptual Design in the Frame-shear Wall Structure

HUANG Xiao-yan，ZHAO Fei，CHEN Chao-he

（College of Civil Engineering and Architecture，Hainan University，Haikou 570228，China）

In the paper，the importance and basic principles of“concept design”in tall buildings of seismic design were introduced，and intensity frame-shear wall structure high-rise residential areas of engineering practices were used as examples to elucidate the application of conceptual design in engineering structure design.

tall buildings structural;conceptual design;basic principles;frame-shear wall structure;structural design

TU 973+.16

A

1004－1729（2012）01－0058－08

2011－07－26

海南省教育廳科研課題（Hjkj200723）;海南大學(xué)2009科研項(xiàng)目（hd09xm76）

黃小燕（1986－），女，江西宜黃人，海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院2009級(jí)碩士研究生.