穿層柱框剪結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)探討

吳敏應(yīng)

(翰林(福建)勘察設(shè)計(jì)有限公司　福建福州　350011)

?

穿層柱框剪結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)探討

吳敏應(yīng)

(翰林(福建)勘察設(shè)計(jì)有限公司福建福州350011)

以某帶穿層柱框剪結(jié)構(gòu)辦公建筑為例，對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震下的振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算，分析其結(jié)構(gòu)整體和穿層柱的受力情況，并根據(jù)局部穿層柱所占地震剪力的百分比來判斷其對整個結(jié)構(gòu)影響的大小。分析結(jié)果表明，穿層柱可不計(jì)入結(jié)構(gòu)不規(guī)則一項(xiàng)，結(jié)構(gòu)僅存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則和體型收進(jìn)不規(guī)則問題，不屬于超限高層建筑。最后，針對不規(guī)則問題采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施。

框剪結(jié)構(gòu)；穿層柱；抗震設(shè)計(jì)；地震剪力；加強(qiáng)措施

E-mail:158584664@qq.com

0　引言

辦公樓、商業(yè)及綜合性建筑，為了滿足建筑大空間、高挑空及立面效果等要求，往往樓板開大洞，局部樓板不連續(xù)，樓層處不能設(shè)梁，形成大量的穿層柱，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)平面、豎向不規(guī)則。文獻(xiàn)[1]規(guī)定：“如局部的穿層柱、斜柱、夾層、個別構(gòu)件錯層或轉(zhuǎn)換，或個別樓層扭轉(zhuǎn)位移比略大于1.2等局部的不規(guī)則，視其位置、數(shù)量等對整個結(jié)構(gòu)影響的大小判斷是否計(jì)入不規(guī)則的一項(xiàng)”。文獻(xiàn)[2]指出：“局部不規(guī)則數(shù)量一般部位不超過25%，關(guān)鍵部位不超過10%”。如一律將局部穿層柱計(jì)入不規(guī)則的一項(xiàng)，加上結(jié)構(gòu)平面、豎向或扭轉(zhuǎn)不規(guī)則其中的兩項(xiàng)，往往使得高層建筑超限，需要進(jìn)行超限專項(xiàng)審查。文獻(xiàn)[1,2]中數(shù)量百分比對于框架結(jié)構(gòu)可以比較容易直接計(jì)算；而對于框剪結(jié)構(gòu)較難直接反映出剪力墻與框架之間在數(shù)量上的等值關(guān)系。因此，可對局部穿層柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體計(jì)算分析，根據(jù)局部穿層柱所占地震剪力或傾覆彎矩的百分比來判斷其對整個結(jié)構(gòu)的影響大小，判定是否計(jì)入不規(guī)則的一項(xiàng)。

1　工程概況

圖1　建筑立面圖

本工程位于福州市晉安區(qū)連江路和塔頭路交叉路口南側(cè)的原福州二化集團(tuán)有限公司氮氧站內(nèi)，總建筑面積為6.8萬平方米，采用鋼筋混凝土框剪結(jié)構(gòu)，地下3層，地上25層，建筑高度97.80m，裙房6層，裙房高度21.3m，一層層高為4.2m，二層層高為4.5m，三～五層層高為4.2m，六層層高為4.0m，七層標(biāo)準(zhǔn)層以上層高為3.7m，建筑立面見圖1。二層結(jié)構(gòu)平面圖及柱截面尺寸見圖2所示，主樓外圍柱網(wǎng)8.4m×9.9m，南面裙房柱網(wǎng)8.4m～11.0m×12.0m，2層?xùn)|面門廳部分樓板挑空，存在6根柱子沒有X、Y向樓層梁連接，形成高度為8.7m的穿層柱。三～六層結(jié)構(gòu)平面圖及標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖見圖3、圖4所示，六層以上南面裙房尺寸收進(jìn)12.0m，形成豎向不規(guī)則。

圖2　二層結(jié)構(gòu)平面圖

圖3　三～六層結(jié)構(gòu)平面圖

圖4　標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖

本工程在設(shè)計(jì)考慮的環(huán)境類別下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級；建筑抗震設(shè)防類別為丙類，所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.10g，設(shè)計(jì)地震分組第二組；場地類別：Ⅱ類；特征周期Tg=0.40sec，建筑類別調(diào)整后用于結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算的烈度7度；按建筑類別及場地調(diào)整后用于確定抗震等級的烈度7度；建筑結(jié)構(gòu)的阻尼比取0.05；地下二層至地上二十五層：框架抗震等級為二級(局部一級)，剪力墻抗震等級為二級；地下三層：框架抗震等級為三級，剪力墻抗震等級為三級。

2　結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析

2.1主要計(jì)算結(jié)果

本工程考慮地下室頂板局部錯層，以地下一層底板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端。大開洞及穿層柱樓層定義為彈性樓板，以真實(shí)反映穿層柱受力情況。采用YJK建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行多遇地震下的振型分解反應(yīng)

譜法計(jì)算分析，結(jié)構(gòu)三維分析模型見圖5。主要計(jì)算結(jié)果見表1。

圖5　結(jié)構(gòu)三維分析模型

由于框剪結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下，框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形曲線以剪切型為主，而剪力墻的變形則以彎曲型為主。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》5.2.6條的規(guī)定，結(jié)構(gòu)樓層水平地震力宜按抗側(cè)力構(gòu)件等效剛度的比例分配，則穿層柱剪力可近似由柱總剪力按其等效剪切剛度的比例分配估算求得。各穿層柱剪力可按式(1)估算：

Qi=(GAi2/h2)×F/(ΣGAj1/h1+ΣGAi2/h2)

(1)

(i=1… …6，j=1… …n)

式中，G—為混凝土剪變模量；

Qi—為穿層柱剪力；

Ai2—為非穿層柱截面面積；

Ai2—為穿層柱截面面積

h1—為非穿層柱高度；

h2—為穿層柱高度；

F—為柱總剪力；

根據(jù)(圖2)各框架柱的截面尺寸、(表1)框架柱總剪力及式可1)近似求得各穿層柱估算地震剪力見(表2)。

穿層柱計(jì)算長度系數(shù)：

μ=(μ1×H1+μ2×H2)/(H1+H2)

(2)

式中，H1、H2分別一、二層層高；

μ1、μ2分別為一、二層柱計(jì)算長度系數(shù)，按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》表6.2.20-2取值。

通過式(2)修改穿層柱計(jì)算長度系數(shù)，采用YJK軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體計(jì)算分析， 查看各構(gòu)件內(nèi)力取得各穿層柱實(shí)際最大地震剪力見(表3)。

表3　穿層柱實(shí)際最大地震剪力

2.2結(jié)果分析

(1)計(jì)算結(jié)果表明，考慮偶然偏心地震作用下，計(jì)算結(jié)構(gòu)剛性樓板假定的位移比三～二十四層均大于1.2，且三層穿層柱頂位移比最大為1.34，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。

(2)結(jié)構(gòu)六層以上豎向構(gòu)件收進(jìn)位置大于20% (21.3m大于97.8mx20%=19.56m)且收進(jìn)尺寸大于25% (12.0m 大于40.2mx25%=10.05m)，屬于豎向不規(guī)則。

(3)二層?xùn)|面門廳位置存在6根穿層柱見(圖2)，屬于局部不規(guī)則。計(jì)算結(jié)果表明，通過等效剪切剛度近似估算的所有穿層柱地震剪力百分比與通過整體計(jì)算所得穿層柱實(shí)際最大地震剪力百分比均很小，僅為5%左右，滿足文獻(xiàn)[2]中“關(guān)鍵部位不超過10%”的規(guī)定，且穿層高度僅為8.7m，柱截面為1.2mx1.2m，不屬于長細(xì)柱，可不考慮壓桿屈曲穩(wěn)定。綜合依據(jù)文獻(xiàn) [2，3]判定該工程局部穿層柱可不計(jì)入不規(guī)則的一項(xiàng)。

3　設(shè)計(jì)加強(qiáng)措施

(1)由于穿層柱計(jì)算高度大，等效剪切剛度較小，往往柱頂位移比最大，應(yīng)采取相應(yīng)加強(qiáng)措施。本工程對穿層柱按本層所有框架柱地震剪力的平均值[3]和主樓周邊非穿層柱地震剪力[4]兩者較大值進(jìn)行其抗彎和抗剪承載力設(shè)計(jì)，增加其安全儲備。通過提高其縱筋配筋率，縱筋接頭均采用機(jī)械連接，接頭等級為一級，柱箍筋沿全高加密等措施保證構(gòu)件的抗震承載力。

(2)對主樓周邊12根剪跨比小于2的框架柱及6根穿層柱增設(shè)縱筋配筋率大于0.8%的芯柱，提高軸壓比限值[5]，以改善其延性性能。芯柱設(shè)置見(圖6)。

圖6　增設(shè)芯柱大樣

(3)依據(jù)文獻(xiàn)[5]對6層體型收進(jìn)部位的樓板及其上、下層結(jié)構(gòu)樓板設(shè)置板厚不小于150mm，板配筋不小于0.25%的雙層雙向鋼筋網(wǎng)。六層收進(jìn)部位上、下各2層主樓周邊框架柱抗震等級提高為一級，同時下部2層裙房框架柱抗震等級提高為一級，加強(qiáng)構(gòu)造配筋。加強(qiáng)部位示意圖見(圖7)。

圖7　加強(qiáng)部位示意圖

(4)對頂板局部錯層部位主梁按《全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施》[6](混凝土結(jié)構(gòu)) 12.3.2條進(jìn)行加腋處理，確保地震力能有效傳遞。

4　結(jié)論

通過對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震下的振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算分析了結(jié)構(gòu)整體和穿層柱的受力情況，根據(jù)局部穿層柱所占地震剪力的百分比來判斷其對整個結(jié)構(gòu)影響的大小。分析結(jié)果表明，穿層柱可不計(jì)入結(jié)構(gòu)不規(guī)則一項(xiàng)，結(jié)構(gòu)僅存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則和體型收進(jìn)不規(guī)則問題，不屬于特別不規(guī)則超限高層建筑。針對不規(guī)則問題采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施，可供類似工程參考。

[1]國家建設(shè)部.建質(zhì)[2015]67號，超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)[S].

[2]DB22/T480-2012，建設(shè)工程抗震超限界定標(biāo)準(zhǔn)(建筑工程部分)[S].

[3]二化集團(tuán)生產(chǎn)調(diào)度研發(fā)中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的有關(guān)問題專家論證意見[Z].2014.3.28.

[4]林寶新，路斌.某帶穿層柱框架結(jié)構(gòu)的抗震性能分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2013,36(5):610-615.

[5]JGJ3-2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[6]住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)管司.全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施(混凝土結(jié)構(gòu))[M].北京:中國計(jì)劃出版社，2012.

吳敏應(yīng)(1982.4-)，男，碩士，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，工程師。

Discussion for seismic design of frame-shear wall structure with skip-floor column

WUMinying

(Hanlin (Fujian) Investigation and Design Co.,Ltd,Fuzhou 350011)

The frame-shear wall structure with skip-floor columns in the office building is taken as an example . The skip-floor column effect on the whole structure is evaluated according to the percentage of the seismic sheer force of the skip-floor column through the analysis of the whole structure by mode-superposition response spectrum method under frequent earthquakes. The results show that the skip-floor columns is not included in the irregular structure, and the structure does not belong to out-of-codes high-rise building, which only includes irregular problems of torsion and step-back. The strengthen measures to deal with irregular structure are helpful for providing reference for similar projects.

Frame-shear wall structure；Skip-floor column；Seismic design；Seismic shear force；Strengthen measures

吳敏應(yīng)(1982.4- )，男，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，工程師。

2015-12-25

TU973+.31

A

1004-6135(2016)01-0077-05