剪重比作為衡量結(jié)構(gòu)布置合理性指標(biāo)時(shí)的場(chǎng)地類別影響分析

陳曉東，張　杰

(浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310028)

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剪重比作為衡量結(jié)構(gòu)布置合理性指標(biāo)時(shí)的場(chǎng)地類別影響分析

陳曉東，張杰

(浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310028)

摘要：現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定了抗震設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)構(gòu)任一樓層的水平地震剪力最小值，由此產(chǎn)生的剪重比指標(biāo)通常被視為衡量結(jié)構(gòu)布置是否合理的重要指標(biāo)之一。在此，通過對(duì)影響結(jié)構(gòu)剪重比各因素的分析和具體工程實(shí)例的計(jì)算，指出場(chǎng)地類別對(duì)剪重比結(jié)果具有重要影響，進(jìn)而揭示剪重比作為衡量結(jié)構(gòu)布置合理性指標(biāo)的不足。當(dāng)剪重比不能滿足要求時(shí)，建議直接放大地震剪力即可，無須調(diào)整結(jié)構(gòu)布置。

關(guān)鍵詞：抗震設(shè)計(jì)；水平地震剪力最小值；剪重比；場(chǎng)地類別

當(dāng)前《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011—2010)》[1](以下簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》)和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ 3—2010)》[2](以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》)均以強(qiáng)制性條文規(guī)定了抗震設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)構(gòu)任一樓層的水平地震剪力最小值要求(即一般所謂的剪重比要求)，然而在各地的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與圖審實(shí)踐中，往往不僅要求結(jié)構(gòu)的各層均滿足水平地震剪力最小值要求，更將剪重比作為衡量結(jié)構(gòu)布置是否合理的重要指標(biāo)之一。本文通過理論分析和工程實(shí)際算例表明：影響剪重比的因素有很多，而場(chǎng)地類別是其中的一個(gè)重要因素，同一抗震設(shè)防區(qū)域的同一結(jié)構(gòu)，當(dāng)所處場(chǎng)地類別不同時(shí)，剪重比差異明顯。從而揭示了其作為衡量結(jié)構(gòu)布置合理性指標(biāo)的不足，進(jìn)而建議當(dāng)剪重比不能滿足要求時(shí)，可以直接放大地震剪力。

1規(guī)范中的剪重比規(guī)定及其條文說明

《抗規(guī)》第5.2.5條規(guī)定(強(qiáng)制性條文)：抗震驗(yàn)算時(shí)，結(jié)構(gòu)任一樓層的水平地震剪力應(yīng)符合式(1)要求。

(1)

式(1)中：Veki—第i層對(duì)應(yīng)于水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的樓層剪力；

λ—剪力系數(shù)，不應(yīng)小于表5.2.5規(guī)定的樓層最小地震剪力系數(shù)值，對(duì)豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)的薄弱層，還應(yīng)乘以1.15的增大系數(shù)；

Gj—第j層的重力荷載代表值。

其中的樓層最小剪力系數(shù)值見表1。

表1　樓層最小地震剪力系數(shù)值

由式(1)變換可得：

(2)

式(2)中符號(hào)左側(cè)部分即結(jié)構(gòu)剪重比。

根據(jù)《抗規(guī)》第5.2.5條的條文說明，可知制定該強(qiáng)制性條文主要是為了彌補(bǔ)加速度反應(yīng)譜法的不足，防止由于規(guī)范計(jì)算方法的局限性所引起的地震效應(yīng)計(jì)算結(jié)果過小，從而保證結(jié)構(gòu)具有足夠的抗震能力。

條文說明還指出：“當(dāng)不滿足時(shí)，需改變結(jié)構(gòu)布置或調(diào)整結(jié)構(gòu)總剪力和各樓層的水平地震剪力使之滿足要求。”也就是說，當(dāng)剪重比不滿足要求時(shí)，可以通過兩種方法來調(diào)整：1)直接放大結(jié)構(gòu)總水平地震剪力和各樓層的水平地震剪力值；2)改變結(jié)構(gòu)布置，從而調(diào)整結(jié)構(gòu)的整體剛度和各層剛度，最終增大水平地震剪力。對(duì)于兩種方法在實(shí)際工程中該如何應(yīng)用，條文說明進(jìn)一步指出：“當(dāng)?shù)撞靠偧袅ο嗖钶^多時(shí)，結(jié)構(gòu)的選型和總體布置需要重新調(diào)整，不能僅采用乘以增大系數(shù)方法處理?！币虼?，在設(shè)計(jì)和圖審過程中，往往將剪重比作為衡量結(jié)構(gòu)布置是否需要調(diào)整的關(guān)鍵指標(biāo)之一。

《高規(guī)》第4.3.12條的規(guī)定(同樣為強(qiáng)制性條文)及其條文說明與抗規(guī)第5.2.5條規(guī)定基本一致。

然而，規(guī)范及條文說明并未明確“底部總剪力相差較多”這一概念具體的判別標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)無法參考。對(duì)此，朱炳寅提出：當(dāng)部分樓層計(jì)算分析得到的樓層地震水平剪力的標(biāo)準(zhǔn)值小于規(guī)范規(guī)定的最小樓層水平剪力時(shí)，可采用加大地震力調(diào)整系數(shù)的方法，對(duì)全部樓層進(jìn)行剪力放大，若需要調(diào)整的樓層超過樓層總數(shù)的1/3或增大系數(shù)大于1.3時(shí)，則應(yīng)對(duì)建筑布置和結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行調(diào)整[3]；對(duì)高層建筑，當(dāng)需要調(diào)整的樓層超過樓層總數(shù)的15%或增大系數(shù)大于1.2時(shí)，應(yīng)對(duì)建筑布置和結(jié)構(gòu)體系及構(gòu)件截面尺寸進(jìn)行調(diào)整[4]。

2剪重比指標(biāo)的影響因素

對(duì)式(2)進(jìn)行分析可知，影響剪重比的因素只有樓層水平地震剪力和各層重力荷載代表值兩項(xiàng)。對(duì)于一個(gè)結(jié)構(gòu)，當(dāng)各層的平面形狀、使用功能、層高、梁板厚度、隔墻布置等確定后，各層的重力荷載代表值已基本確定，那么影響剪重比的主要因素就是樓層水平地震剪力。進(jìn)一步分析可知，影響樓層水平地震剪力的參數(shù)也即是能影響到結(jié)構(gòu)水平地震影響系數(shù)α的參數(shù)：1)水平地震影響系數(shù)最大值αmax和建筑場(chǎng)地特征周期值Tg。根據(jù)《抗規(guī)》第5.1.4條，水平地震影響系數(shù)最大值與抗震設(shè)防烈度和地震類型(多遇或罕遇)有關(guān)，而場(chǎng)地特征周期值與場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組有關(guān)。2)結(jié)構(gòu)阻尼比。根據(jù)《抗規(guī)》第5.1.5條，結(jié)構(gòu)的阻尼比決定了地震影響系數(shù)曲線的阻尼調(diào)整和形狀參數(shù)值，進(jìn)而影響到結(jié)構(gòu)水平地震影響系數(shù)α值。3)結(jié)構(gòu)基本周期T。結(jié)構(gòu)的基本周期與結(jié)構(gòu)的整體剛度以及計(jì)算時(shí)的自振周期折減系數(shù)有關(guān)，其中結(jié)構(gòu)體系、總層數(shù)、各層層高、各層結(jié)構(gòu)布置、各構(gòu)件截面尺寸等因素均會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的整體剛度產(chǎn)生影響，從而影響結(jié)構(gòu)基本周期——因此調(diào)整結(jié)構(gòu)布置會(huì)影響剪重比的計(jì)算結(jié)果。

通過以上分析可知，影響剪重比的因素較多，但表1中只提及抗震設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)基本周期和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，其余因素并未被充分考慮?？梢?，當(dāng)出于防止地震剪力被低估的目的來規(guī)定結(jié)構(gòu)所應(yīng)能承受的最小地震剪力時(shí)，規(guī)范條文并無不妥；但當(dāng)將剪重比作為衡量結(jié)構(gòu)布置是否合理的指標(biāo)時(shí)，則存在局限性和不足。

進(jìn)一步對(duì)表1中未考慮的因素進(jìn)行分析：1)地震類型(多遇或罕遇)。工程設(shè)計(jì)中一般在多遇地震下分析結(jié)構(gòu)的整體剛度合理性，因此該因素可以忽略。2)結(jié)構(gòu)阻尼比。一般認(rèn)為混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比取0.05，鋼結(jié)構(gòu)為0.02～0.04，混合結(jié)構(gòu)為0.03，當(dāng)結(jié)構(gòu)類型確定時(shí)該參數(shù)已隨之確定，因此也可忽略。3)設(shè)計(jì)地震分組和建筑場(chǎng)地類別。計(jì)算得到的剪重比結(jié)果顯然會(huì)隨著設(shè)計(jì)地震分組和場(chǎng)地類別的不同而有所變化，但和設(shè)防烈度一樣，設(shè)計(jì)地震分組是一個(gè)由建筑所在地區(qū)決定的參數(shù)，不存在變數(shù)；相反，場(chǎng)地類別由建筑場(chǎng)地的工程地質(zhì)條件所決定，存在不確定性，因此本文主要分析場(chǎng)地類別對(duì)結(jié)構(gòu)剪重比的重要影響。

3工程實(shí)例及分析

3.1工程實(shí)例1

某33層鋼筋混凝土高層住宅(加機(jī)房屋面共34層)，總高97m，剪力墻結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置見圖1，標(biāo)準(zhǔn)層層高2.9m，底層層高5m。該工程位于6度區(qū)，地震分組為第一組，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05，用SATWE軟件(V1.3N版)進(jìn)行多遇地震計(jì)算，周期折減系數(shù)取0.85，計(jì)算所得結(jié)構(gòu)基本周期值為3.112 4s。不同場(chǎng)地類別下該結(jié)構(gòu)的剪重比計(jì)算結(jié)果見表2。

圖1　某住宅標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面

圖2　某酒店標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面

場(chǎng)地類別底層剪重比計(jì)算值X向λx1Y向λy1規(guī)范要求值與計(jì)算值之比[λ]λx1[λ]λy1剪重比不滿足要求層數(shù)X向nxY向ny不滿足要求的層數(shù)與總層數(shù)之比nxNnyN是否需要調(diào)整結(jié)構(gòu)布置Ⅰ00.00610.00641.311.2511932.3%26.5%是Ⅰ10.00640.00671.251.1910829.4%23.5%是Ⅱ0.00700.00741.141.087320.6%8.8%是Ⅲ0.00750.00801.071.00205.9%0否Ⅳ0.00930.01060.860.750000否

注:1)表2中規(guī)范要求的值[λ]為0.008，總層數(shù)N為34；

2)表2中“是否需要調(diào)整結(jié)構(gòu)布置”的依據(jù)是前文提及的“當(dāng)需要調(diào)整的樓層超過樓層總數(shù)的15%或增大系數(shù)大于1.2時(shí)，應(yīng)對(duì)建筑布置和結(jié)構(gòu)體系及構(gòu)件截面尺寸進(jìn)行調(diào)整”。

3.2工程實(shí)例2

某27層鋼筋混凝土高層酒店，總高92.8m，框架-核心筒結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置見圖2，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.4m，底部四層為商業(yè)用房，層高4.5m。該工程位于7度區(qū)，地震分組為第一組，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05，用SATWE軟件進(jìn)行多遇地震計(jì)算，周期折減系數(shù)取0.85，計(jì)算所得結(jié)構(gòu)基本周期值為2.781 7s。不同場(chǎng)地類別下該結(jié)構(gòu)的剪重比計(jì)算結(jié)果見表3。

表3　某高層住宅不同場(chǎng)地類別下結(jié)構(gòu)剪重比計(jì)算結(jié)果

注:表3中規(guī)范要求值[λ]為0.016，總層數(shù)N為27。

以上兩個(gè)實(shí)例表明：1)同一地區(qū)(設(shè)防烈度和地震分組相同)的同一結(jié)構(gòu)，當(dāng)所處的場(chǎng)地類別不同時(shí)，計(jì)算所得剪重比差異較大，即場(chǎng)地類別是影響剪重比結(jié)果的重要因素之一；2)僅根據(jù)剪重比指標(biāo)無法判斷該結(jié)構(gòu)是否需要調(diào)整；3)當(dāng)場(chǎng)地類別由Ⅰ0類向Ⅳ類逐漸變化時(shí)，剪重比逐漸增大——這是因?yàn)榈鼗谟煽拐鹣鄬?duì)有利的“硬土”轉(zhuǎn)向相對(duì)不利的“軟土”，地震效應(yīng)在增大。

由此產(chǎn)生了一個(gè)悖論：同樣一個(gè)結(jié)構(gòu)，當(dāng)處于抗

震相對(duì)不利的Ⅲ、Ⅳ類場(chǎng)地時(shí)，剪重比符合要求，但當(dāng)處于相對(duì)有利的Ⅰ、Ⅱ類場(chǎng)地時(shí)，反而由于剪重比不滿足要求而需要進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)一步加大該結(jié)構(gòu)的剛度。

解決問題的途徑有兩條：1)僅規(guī)定各樓層應(yīng)能承受的水平地震剪力最小值，不再將其作為衡量結(jié)構(gòu)是否需調(diào)整的指標(biāo)，即當(dāng)剪重比不滿足規(guī)范要求時(shí)，直接放大地震效應(yīng)即可，無須調(diào)整結(jié)構(gòu)布置?，F(xiàn)行廣東省標(biāo)準(zhǔn)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(DBJ 15—92—2013)》[5]中第4.3.13條即明確規(guī)定“當(dāng)小震彈性計(jì)算的樓層剪力小于規(guī)定的最小值時(shí)，可直接放大地震剪力以滿足樓層最小地震剪力要求?！?)在規(guī)范條文中增加一個(gè)與地震分組和場(chǎng)地類別有關(guān)的影響系數(shù)，或者明確當(dāng)用剪重比指標(biāo)衡量結(jié)構(gòu)布置是否合理時(shí)所應(yīng)假定的地震分組和場(chǎng)地類別，比如以第一組、Ⅱ類場(chǎng)地為基準(zhǔn)。本文建議采用途徑1。

4結(jié)語

本文通過理論分析及工程實(shí)例的計(jì)算，分析了各因素尤其是場(chǎng)地類別對(duì)剪重比結(jié)果的影響，得到如下結(jié)論：

1)影響結(jié)構(gòu)剪重比計(jì)算結(jié)果的因素有很多，場(chǎng)地類別是其中的一個(gè)重要因素，當(dāng)場(chǎng)地類別由Ⅰ0類向Ⅳ類逐漸變化時(shí)，同一結(jié)構(gòu)的剪重比逐漸增大。

2)由于未充分考慮場(chǎng)地類別等因素的影響，僅用剪重比指標(biāo)去衡量結(jié)構(gòu)布置是否合理存在局限性和不足，甚至產(chǎn)生悖論。

3)規(guī)范僅規(guī)定各樓層應(yīng)能承受的水平地震剪力最小值，建議不再將其作為衡量結(jié)構(gòu)是否需調(diào)整的指標(biāo)。即，當(dāng)剪重比不滿足規(guī)范要求時(shí)，直接放大地震效應(yīng)即可，無須調(diào)整結(jié)構(gòu)布置。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]中國(guó)建筑科學(xué)研究院.GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.

[2]中國(guó)建筑科學(xué)研究院.JGJ 3—2010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,2010.

[3]朱炳寅.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問答及分析[M].2版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2013.

[4]朱炳寅.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程應(yīng)用與分析JGJ 3—2010[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2013.

[5]華南理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院.DBJ 15—92—2013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,2013.

收稿日期：2016-03-02

作者簡(jiǎn)介：陳曉東(1980—)，男，浙江杭州人，工程師，從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

中圖分類號(hào)：TU311.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-3707(2016)05-0016-03

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