結(jié)構(gòu)內(nèi)力調(diào)整及其在SATWE 中的體現(xiàn)

許春懿

(北京建筑大學(xué)，北京100044)

引言

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，為了實(shí)現(xiàn)小震不壞、中震可修、大震不倒的抗震性能目標(biāo)，工程設(shè)計(jì)人員一方面采用概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法;另一方面，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中融入概念設(shè)計(jì)的概念。概念設(shè)計(jì)的一個(gè)重要體現(xiàn)就是通過內(nèi)力調(diào)整。

根據(jù)目前《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010、《高層混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ3-2010可以將內(nèi)力調(diào)整主要可分為三類即，整體調(diào)整、局部調(diào)整、構(gòu)件調(diào)整。

1 整體調(diào)整

1)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)影響

在水平地震作用下，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)影響應(yīng)按《抗規(guī)》5.2.3條進(jìn)行調(diào)整。規(guī)則結(jié)構(gòu)不進(jìn)行扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)計(jì)算時(shí)，平行于地震相互作用方向的兩個(gè)邊榀各構(gòu)件，其地震作用效應(yīng)應(yīng)乘以增大系數(shù)。一般情況，短邊可按1.15采用，長邊可按1.05采用;當(dāng)扭轉(zhuǎn)剛度較小時(shí)，周邊各構(gòu)件按不小于1.3采用。角部構(gòu)件宜同時(shí)乘以兩個(gè)方向各自的增大系數(shù)。

SATWE中強(qiáng)制考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)影響，因此不必人為進(jìn)行干預(yù)。

2)水平地震剪力調(diào)整——剪重比(抗規(guī)5.2.5條)

剪重比是規(guī)范考慮長周期結(jié)構(gòu)用振型分解反應(yīng)譜法和底部剪力法計(jì)算時(shí)，因地震影響系數(shù)取值可能偏低，而規(guī)定了樓層水平地震剪力的最小值。由于地震影響系數(shù)在長周期段下降很快，對(duì)于周期大于3.5s的結(jié)構(gòu)，由此計(jì)算的水平地震效應(yīng)可能過小。對(duì)于長周期結(jié)構(gòu)，地震地面運(yùn)動(dòng)速度和位移可能對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞影響更大，但規(guī)范中的振型分解反應(yīng)譜法無法做出合理估計(jì)，因此，處于對(duì)結(jié)構(gòu)安全的考慮《抗規(guī)》5.2.5 條和《高規(guī)》4.3.13 都對(duì)此作出了規(guī)定。

當(dāng)計(jì)算所得剪力不滿足規(guī)范要求時(shí)，《抗規(guī)》中給出了以下三種情況下的調(diào)整方法:

a.若結(jié)構(gòu)基本周期位于反應(yīng)譜的加速度控制段時(shí)，各樓層均需乘以同樣大小的增大系數(shù)。

b.若結(jié)構(gòu)基本周期位于反應(yīng)譜的位移控制段時(shí)，則各樓層i均需按底部的剪力系數(shù)的差值Δλ0增加該層的地震剪力——ΔFEKi=Δλ0GEi。

c.若結(jié)構(gòu)基本周期處于反應(yīng)譜的速度控制段時(shí)，則增加值應(yīng)大于Δλ0GEi，頂部增加值可取位移作用和加速度作用二者的平均值，中間各層的增加值可近似按線性分布。

SATWE中計(jì)算剪重比時(shí)，采用的剪力是通過對(duì)地震作用CQC得到的，剪力的實(shí)際放大系數(shù)為。如圖1所示，勾選調(diào)整樓層地震內(nèi)力后，程序會(huì)自動(dòng)根據(jù)規(guī)范條文說明的方法進(jìn)行剪重比調(diào)整。弱軸方向指第一平動(dòng)周期方向，強(qiáng)軸方向指第二平動(dòng)周期方向。動(dòng)位移比例要根據(jù)結(jié)構(gòu)周期與Tg及5Tg的關(guān)系確定，當(dāng)結(jié)構(gòu)周期處于加速度段時(shí)，此處填0;當(dāng)位于位移段時(shí)，此處填1;位于速度段時(shí)填0.5。填充后，軟件會(huì)自動(dòng)按照《抗規(guī)》中給出的方法進(jìn)行調(diào)整。需要指出的是，之后用到的結(jié)構(gòu)計(jì)算內(nèi)力都是經(jīng)過剪重比調(diào)整的。

圖1 SATWE剪重比調(diào)整

3)考慮地基與結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的影響的調(diào)整

抗震規(guī)范5.2.7條規(guī)定8度和9度時(shí)建造在Ⅲ、Ⅳ類場(chǎng)地，采用剛性較好的筏基和樁箱聯(lián)合基礎(chǔ)的砼高層建筑，當(dāng)結(jié)構(gòu)基本自振周期處于特征周期Tg的1.2倍至5倍范圍時(shí)，對(duì)剛性地基假定計(jì)算出來的水平地震剪力可適當(dāng)折減，其層間變形可按折減后的樓層剪力計(jì)算。

a.高寬比小于3的結(jié)構(gòu)，各樓層的水平地震剪力的折減系數(shù)，可按下式計(jì)算:

公式1

φ——計(jì)入地基與結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用后的地震剪力折減系數(shù);

T1——按剛性地基假定確定的結(jié)構(gòu)基本自振周期;

ΔT——計(jì)入地基與結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的附加周期

b.高寬比不小于3的結(jié)構(gòu)，底部的地震剪力按A規(guī)定折減，頂部不折減，中間各層按線性插入值折減。

SATWE中并未考慮地基與結(jié)構(gòu)相互作用的影響，因此在計(jì)算中不會(huì)折減。

4)豎向地震調(diào)整

如圖2所示，在此狀態(tài)下，SATWE可以實(shí)現(xiàn)《抗規(guī)》5.3.1條，計(jì)算時(shí)程序會(huì)自動(dòng)對(duì)豎向地震作用效應(yīng)增加1.5倍。

圖2 SATWE中的豎向地震作用計(jì)算信息

2 局部調(diào)整

1)豎向不規(guī)則調(diào)整

豎向不規(guī)則包括:側(cè)向剛度變化、抗剪承載力變化、豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)等。對(duì)于此類結(jié)構(gòu)，《抗規(guī)》和《高規(guī)》的調(diào)整方法不同。

《高規(guī)》3.5.8條規(guī)定，側(cè)向剛度變化、承載力變化、豎向抗側(cè)力構(gòu)件連續(xù)性不符合規(guī)定的樓層，其對(duì)應(yīng)于地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的剪力應(yīng)乘以1.25的增大系數(shù)。

而《抗規(guī)》3.4.4.2 條規(guī)定，平面規(guī)則而豎向不規(guī)則的建筑，應(yīng)采用空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，剛度小的樓層的地震剪力應(yīng)乘以不小于1.15的增大系數(shù)。豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)時(shí)，該構(gòu)件傳遞給水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件的地震內(nèi)力應(yīng)根據(jù)烈度高低和水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件的類型、受力情況、幾何尺寸等，乘以1.25～2.0的增大系數(shù)。

《高規(guī)》3.5.8條規(guī)定，A類高度建筑層間受剪承載力不宜小于上一層的80%，不應(yīng)小于上一層的65%;B類高度建筑不應(yīng)小于上一層的75%。

而《抗規(guī)》3.4.4.2 條(3)規(guī)定，樓層承載力突變，薄弱層受剪承載力不應(yīng)小于上一層的65%。

現(xiàn)在回顧那次并購，或許也可稱之為西王進(jìn)軍體育產(chǎn)業(yè)的先聲。在魏橋集團(tuán)投資乒超球隊(duì)之后，縣級(jí)市鄒平又誕生了一家全國性的體育俱樂部。

不同于規(guī)范，SATWE軟件將軟弱層與薄弱層統(tǒng)稱為薄弱層。用戶可以根據(jù)計(jì)算的樓層抗剪承載力比值，以及豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)情況，人工指定薄弱層位置(如圖3所示)實(shí)現(xiàn)薄弱層調(diào)整，軟件也會(huì)自動(dòng)根據(jù)側(cè)向剛度比自動(dòng)判斷薄弱層，并乘以1.25的地震內(nèi)力放大系數(shù)。

例如圖5所示模型，將一層柱截面尺寸設(shè)置為250×250mm，梁截面為250×300mm，二層柱設(shè)置為500×500mm，梁為500×800mm。其薄弱層設(shè)置情況如圖3所示，計(jì)算結(jié)果如圖4所示，可以看出程序自動(dòng)將地震內(nèi)力擴(kuò)大了1.25倍。

圖3 薄弱層的內(nèi)力調(diào)整

圖4 薄弱層的內(nèi)力調(diào)整結(jié)果

圖5 框架模型簡圖

圖6 薄弱層自動(dòng)判斷情況

2)0.2V0調(diào)整

對(duì)于框架剪力墻結(jié)構(gòu)為了調(diào)高框架部分的二道防線抗震能力，《高規(guī)》8.14條規(guī)定這類結(jié)構(gòu)中滿足框架承擔(dān)的總剪力Vf≥0.2 V0的樓層，框架總剪力不必調(diào)整;不滿足要求的樓層，其框架總剪力應(yīng)按0.2V0和1.5Vfimax二者的較小值采用。各層框架所承擔(dān)的地震總剪力應(yīng)按調(diào)整前、后總剪力的比值調(diào)整每根框架柱和與之相連框架梁的剪力及端部彎矩標(biāo)準(zhǔn)值，框架柱的軸力標(biāo)準(zhǔn)值可不予調(diào)整。

同樣對(duì)于框架核心筒結(jié)構(gòu)，《高規(guī)》9.1.11規(guī)定當(dāng)框架部分分配的地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值的最大值小于結(jié)構(gòu)底部地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值的10%時(shí)，各層框架部分承擔(dān)的地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)增大到結(jié)構(gòu)底部總地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值的15%;此時(shí)各層核心筒墻體的地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值宜乘以增大系數(shù)1.1，但可不大于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值，墻體構(gòu)造措施應(yīng)按提高一級(jí)采用。當(dāng)框架部分分配的地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值小于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值的20%，不小于總地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值的10%時(shí)，調(diào)整方法同框架剪力墻結(jié)構(gòu)。

對(duì)于框架柱數(shù)量從下至上基本不變的結(jié)構(gòu)，V0應(yīng)取對(duì)應(yīng)于地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的結(jié)構(gòu)底部總剪力;對(duì)于框架柱數(shù)量從下至上分段有規(guī)律變化的結(jié)構(gòu)，應(yīng)V0取每段底層結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的總剪力。因此SATWE中采用分段調(diào)整的方法(如圖7所示)，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，默認(rèn)情況下，程序會(huì)自動(dòng)進(jìn)行0.2 V0的調(diào)整。當(dāng)輸入的起始樓層號(hào)為負(fù)值時(shí)，調(diào)整系數(shù)會(huì)不受限值要求。當(dāng)輸入調(diào)整系數(shù)上限值為0時(shí)，表示不做0.2 V0調(diào)整。所做的調(diào)整結(jié)果可在WVO2Q文件中可以看到。

圖7 SATWE中的內(nèi)力調(diào)整

3)水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件

對(duì)于存在水平轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)，包括采用轉(zhuǎn)換梁、桁架、空腹桁架、箱型結(jié)構(gòu)、斜撐等，《高規(guī)》10.2.4條規(guī)定特一、一、二級(jí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的水平地震作用計(jì)算內(nèi)力應(yīng)分別乘以增大系數(shù) 1.9、1.6、1.3。

SATWE中首先應(yīng)定義薄弱層層號(hào)，然后再到特殊構(gòu)件補(bǔ)充定義中進(jìn)行轉(zhuǎn)換構(gòu)件定義才可實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)調(diào)整。

圖8 SATWE的0.2V0內(nèi)力調(diào)整結(jié)果

3 構(gòu)件調(diào)整

構(gòu)件調(diào)整主要是指強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件調(diào)整。在SATWE中，這些調(diào)整主要是通過設(shè)置構(gòu)件的抗震等級(jí)來實(shí)現(xiàn)。

1)框支剪力墻結(jié)構(gòu)

a.框支剪力墻內(nèi)力調(diào)整

b.框支柱內(nèi)力調(diào)整

由于落地剪力墻的抗側(cè)剛度遠(yuǎn)大于框支柱，因此在水平作用下，剪力墻會(huì)承擔(dān)絕大部分的水平力，考慮到實(shí)際工程中轉(zhuǎn)換層的面內(nèi)變形和落地剪力墻的剛度衰變會(huì)導(dǎo)致框支柱剪力增大，因此《高規(guī)》10.2.17 和《抗規(guī)》6.2.10 都規(guī)定了框支柱的數(shù)量和框支柱承擔(dān)的最低剪力。

表1 《高規(guī)》中規(guī)定的框支墻內(nèi)力調(diào)整系數(shù)

表2 《抗規(guī)》中規(guī)定的框支柱內(nèi)力調(diào)整系數(shù)

2)框架柱

梁柱節(jié)點(diǎn)處，柱端組合彎矩值剪力值調(diào)整。

表3 《抗規(guī)》中規(guī)定的框架柱內(nèi)力調(diào)整系數(shù)

此表不適用于頂層柱和軸壓比小于0.15的框架柱。

一、二、三、四級(jí)框架的角柱，調(diào)整后的組合彎矩、剪力設(shè)計(jì)值還應(yīng)乘以不小于1.1的增大系數(shù)。

3)框架梁、連梁剪力調(diào)整

表4 框架梁、連梁的剪力調(diào)整系數(shù)

4)剪力墻內(nèi)力調(diào)整

對(duì)于剪力墻的內(nèi)力調(diào)整，《抗規(guī)》和《高規(guī)》存在一些差異。比較而言，《高規(guī)》所規(guī)定的內(nèi)容更為詳細(xì)。對(duì)于一級(jí)剪力墻的加強(qiáng)部位以上部位的內(nèi)力調(diào)整，二者存在差異，《高規(guī)》的內(nèi)力放大系數(shù)是1.3，而《抗規(guī)》則為1.2。

表5 《抗規(guī)》中剪力墻內(nèi)力調(diào)整系數(shù)

雙肢剪力墻不宜出現(xiàn)小偏心受拉;當(dāng)任一墻肢為偏心受拉時(shí)，另一墻肢的彎矩設(shè)計(jì)值和及剪力設(shè)計(jì)值應(yīng)乘以增大系數(shù)1.25。

4 結(jié)束語

內(nèi)力調(diào)整是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中概念設(shè)計(jì)的重要表現(xiàn)，對(duì)于結(jié)構(gòu)整體的宏觀控制具有重要意義，工程設(shè)計(jì)人員應(yīng)合理把握，通過熟悉了解SATWE軟件的關(guān)于規(guī)范內(nèi)力調(diào)整的執(zhí)行方法，才能保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性與合理性。

表6 《高規(guī)》中剪力墻內(nèi)力調(diào)整系數(shù)

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