地裂場(chǎng)地對(duì)某寬扁梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)性能影響

韓玨，馬倩倩

（1.商洛學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，陜西商洛 726000；2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西西安 710064）

地裂縫是西安地區(qū)一種比較嚴(yán)重的自然災(zāi)害。地裂縫引起的地基不均勻沉降對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的破壞較大。由于地裂縫活動(dòng)對(duì)建筑物破壞的難以抵御性，地裂縫災(zāi)害防治主要以避讓為主，其關(guān)鍵是合理避讓距離的確定。陜西省建設(shè)廳發(fā)布了《西安地裂縫場(chǎng)地勘察與設(shè)計(jì)規(guī)程》[1]，即采用空間避讓措施是合理選擇安全避讓距離來(lái)防止地裂縫對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的破壞。規(guī)程給出的避讓距離的合理性尚存在爭(zhēng)議，因此，對(duì)地裂縫的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。美國(guó)對(duì)地裂縫開(kāi)展了大量研究[2-4]，主要在于地裂縫成因問(wèn)題上。有三種不同的觀點(diǎn)：構(gòu)造成因觀、地下水開(kāi)采成因觀、綜合成因觀。而地裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)的影響方面的研究成果較少，多采用避讓的措施。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者研究了地裂縫對(duì)建筑結(jié)構(gòu)影響。周洋洋[5]對(duì)地裂縫沉降進(jìn)行了預(yù)測(cè)，得出沉降擬合曲線(xiàn)；劉博華[6]利用有限元軟件對(duì)地裂場(chǎng)區(qū)內(nèi)的純框架結(jié)構(gòu)和填充墻框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈性分析。萬(wàn)通[7]分析了地裂縫對(duì)上部建筑物的主要影響因素和應(yīng)對(duì)地裂縫活動(dòng)采取的主要技術(shù)措施。胡志軍[8]研究了地裂場(chǎng)地對(duì)整體式雙肢剪力墻結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形影響。對(duì)于帶寬扁梁轉(zhuǎn)換高層建筑結(jié)構(gòu)在地裂縫場(chǎng)地下的工作性能研究較少。鑒于此，基于一實(shí)際典型寬扁梁托柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)工程實(shí)例，研究了不同避讓距離下，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形性能。通過(guò)分析研究，為帶寬扁梁式轉(zhuǎn)換框架結(jié)構(gòu)在地裂場(chǎng)地下安全避讓距離的選取及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供建議。

1 工程概況及模型建立

本工程地處景區(qū)附近，為典型的景區(qū)房。下部商場(chǎng)，上部旅店。為了同時(shí)兼顧建筑功能、層高的需求。選擇寬扁梁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)（利用寬扁梁代替?zhèn)鹘y(tǒng)的梁式轉(zhuǎn)換梁）作為該工程的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形式。工程位于臨潼—長(zhǎng)安斷裂帶西北側(cè)（上盤(pán)）。規(guī)范規(guī)定最小避讓距離為20 m[1]。

該建筑層數(shù)12層，框架結(jié)構(gòu)（梁托柱），底部3層，層高4.5 m。轉(zhuǎn)換層位于第3層。上部結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)9層，層高3.3 m?？偢?3.2 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖1、圖2。設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為8°，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.2×9.8 m·s-2，場(chǎng)地類(lèi)型Ⅱ類(lèi)，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。轉(zhuǎn)換層樓板厚度150 mm，其余各層樓板厚120 mm。結(jié)構(gòu)縱向受力鋼筋均采用HRB400，箍筋采用HRB335。利用ETABS作為有限元分析軟件。

模型建完后，分別以避讓距離為5、8、11、14、17 m的情況對(duì)結(jié)構(gòu)支座施加位移荷載。

圖1 轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)布置圖

圖2 轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)布置圖

2 基本假定

1）假定地裂縫方向與建筑物縱向平行。

2）假定地裂縫距離建筑物的距離大于20 m時(shí)，建筑物不發(fā)生不均勻沉降[9]。

3）沉降曲線(xiàn)選用周洋洋用灰色理論模型[5]擬合出的地裂沉降曲線(xiàn)，見(jiàn)圖3。通過(guò)此沉降曲線(xiàn)，可以確定不同避讓距離下框架柱的支座沉降位移（Z向、Y向），見(jiàn)表1。

表1 不同避讓距離底層框架柱支座位移

4）采用傳統(tǒng)固定支座模型法對(duì)支座施加位移荷載，考慮不均勻沉降影響。目前對(duì)于地裂縫不均勻沉降一般采用固定支座和彈性支座來(lái)模擬。雖然彈性支座模型能反映地基剛度對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響，但其支座彈簧的剛度難以把握且計(jì)算復(fù)雜。固定支座模型簡(jiǎn)單易實(shí)施，且滿(mǎn)足本文指定沉降值進(jìn)行分析的要求。因此采用固定支座模型來(lái)模擬地裂場(chǎng)地上的不均勻沉降。

5）荷載組合為1.2重力荷載+1.3地震荷載+1.3不均勻沉降。

圖3 f6地裂縫平面展圖

3 位移分析

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》3.7條對(duì)結(jié)構(gòu)水平位移限值和舒適度進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)定。同時(shí)指明了所給限值只使用于風(fēng)荷載和多遇地震荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用的情況。對(duì)不均勻沉降工況并沒(méi)有給出明確規(guī)定。從舒適度角度考慮，近似采用風(fēng)荷載及地震荷載工況下給定的層間位移角限值來(lái)衡量地裂不均勻沉降工況下的位移限值[5,10-12]。不同避讓距離下結(jié)構(gòu)層間位移角如圖4。

圖4 沉降預(yù)測(cè)

由圖5可知，隨著避讓距離的增大，結(jié)構(gòu)的層間位移角減小。結(jié)構(gòu)最大層間位移角見(jiàn)表2，由表2可見(jiàn)，避讓距離在14 m以外，結(jié)構(gòu)側(cè)移滿(mǎn)足規(guī)范要求，11 m以?xún)?nèi)不滿(mǎn)足規(guī)范要求。

表2 結(jié)構(gòu)最大層間位移角

圖5 不同避讓距離下結(jié)構(gòu)層間位移角

4 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

4.1 底層及轉(zhuǎn)換層柱軸力

選取一榀框架為代表，底層柱及轉(zhuǎn)換層柱在不同避讓距離下的軸力，見(jiàn)圖6。

圖6 柱軸力隨避讓距離對(duì)柱軸力的影響

從圖6可以看出：在荷載組合作用下，隨著避讓距離的增大，左邊柱和右邊柱軸力值均為先變小后變大；避讓距離為11 m時(shí)，軸力值最小。中柱的軸力變化規(guī)律同邊柱正好相反即先變大后變小。避讓距離為11 m時(shí)，軸力值最大。在同一避讓距離下，中柱軸力>右邊柱軸力>左邊柱軸力。在避讓距離變化時(shí)，中柱最容易發(fā)生破壞，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加大中柱截面或者采取全長(zhǎng)加密箍筋措施[13]。底層框架柱及轉(zhuǎn)換層柱軸力的變化規(guī)律基本相同。

4.2 底層框架梁彎矩及剪力

同樣以一榀框架為代表，底層框架梁內(nèi)力隨避讓距離改變的變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 避讓距離對(duì)底層梁彎矩的影響

由圖7可以看出，底層框架梁均在避讓距離為11 m時(shí)彎矩值達(dá)到最大；梁的跨中截面彎矩受避讓距離變化的影響不大。梁端截面彎矩受避讓距離的影響較大。由圖7（a）看出，隨著避讓距離的增大，左梁左截面彎矩由負(fù)值逐漸變?yōu)檎?，左梁右端截面彎矩均為?fù)值且先變大后變?。粌啥私孛婢诒茏尵嚯x為11 m時(shí)達(dá)到最大彎矩。因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)避讓距離的不同在支座附近截面下部布置相應(yīng)的縱筋來(lái)抵抗支座處的正彎矩。由圖6（b）隨著避讓距離增大，右梁左截面彎矩由正彎矩變?yōu)樨?fù)彎矩，同樣在避讓距離為11 m時(shí)達(dá)到最大負(fù)彎矩值。右梁右截面彎矩均為負(fù)值，彎矩值先增大后減小，避讓距離為11 m時(shí)達(dá)到最值。由圖7（a）看出，底層框架梁的截面剪力隨避讓距離的變化趨勢(shì)基本一致；左梁剪力值均為先增大后減小，并于避讓距離為11 m處達(dá)到極值。通過(guò)改變避讓距離可以有效的減少截面箍筋及彎起鋼筋的用量。

由圖8（b）底層框架右梁中截面剪力值隨避讓距離變化可知，避讓距離的變化會(huì)導(dǎo)致梁截面剪力方向變化。因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該考慮在梁跨中截面設(shè)置反向彎起鋼筋或者加配箍筋等措施來(lái)抵抗跨中截面反方向剪力。

圖8 避讓距離對(duì)底層梁剪力的影響

4.3 轉(zhuǎn)換梁彎矩及剪力

轉(zhuǎn)換梁內(nèi)力隨避讓距離改變的變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖9、圖10。

圖9 避讓距離對(duì)轉(zhuǎn)換梁彎矩的影響

由圖9、圖10可知，轉(zhuǎn)換梁的跨中截面彎矩受避讓距離的變化影響不大。左轉(zhuǎn)換梁和右轉(zhuǎn)換梁的右、左截面都在避讓距離為11 m附近發(fā)生突變并達(dá)到極值，并且該突變涉及到彎矩方向和數(shù)值大小兩個(gè)方面的變化。分析引起突變的原因，一方面是由于基礎(chǔ)不均勻沉降引起；另一方面，轉(zhuǎn)換梁上部承托的框架柱對(duì)轉(zhuǎn)換梁有較大的集中荷載作用?？紤]到隨著時(shí)間的增長(zhǎng)、地裂縫的發(fā)展延伸以及理論與工程實(shí)踐上的誤差，在進(jìn)行理論計(jì)算的時(shí)候不能準(zhǔn)確的得到避讓距離的精確值。因此，建議在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到此種突變，設(shè)計(jì)時(shí)須對(duì)該部位進(jìn)行保守配筋，截面上部及下部采用對(duì)稱(chēng)配筋的形式。對(duì)于轉(zhuǎn)換梁與上部框架柱連接處應(yīng)該采取加密箍筋的形式來(lái)防止該部位發(fā)生沖切破壞。左轉(zhuǎn)換梁左截面彎矩隨避讓距離改變的變化規(guī)律與右轉(zhuǎn)換梁右截面彎矩相同：均為先增大后減小，并在避讓距離為7 m附近彎矩值由負(fù)值變?yōu)檎?。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該采取對(duì)稱(chēng)配筋的形式。而建議對(duì)于考慮地基不均勻沉降的轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采取全長(zhǎng)截面對(duì)稱(chēng)配筋的形式；箍筋采用全長(zhǎng)加密布置。

由圖10可知，左、右轉(zhuǎn)換梁各截面剪力值均在避讓距離為11 m時(shí)達(dá)到極值。左轉(zhuǎn)換梁左截面、中截面以及右轉(zhuǎn)換梁的中截面、右截面剪力隨著避讓距離的變化方向?qū)?huì)改變。考慮到此種因素影響。建議設(shè)計(jì)在截面上部、下部分別布置抗剪的彎起鋼筋，同時(shí)加密箍筋配置。

圖10 轉(zhuǎn)換梁剪力隨避讓距離變化對(duì)轉(zhuǎn)換梁剪力的影響

5 結(jié)論與建議

考慮到實(shí)際工程情況與理論研究的誤差，理論設(shè)計(jì)時(shí)不可能精確的確定避讓距離的數(shù)值。本文首次研究了寬扁梁托柱轉(zhuǎn)換框架結(jié)構(gòu)在不同地裂縫避讓距離下的抗震性能。研究了地裂場(chǎng)地引起的基礎(chǔ)不均勻沉降對(duì)此種結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件的影響，對(duì)于此類(lèi)結(jié)構(gòu)避讓距離的選取、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)提出相應(yīng)的建議。

1）避讓距離為14 m以外，結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足位移限值要求。

2）在重力荷載、地震荷載以及不均勻沉降荷載組合作用下，考慮轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的底層梁和柱以及轉(zhuǎn)換層柱、轉(zhuǎn)換梁為最不利構(gòu)件，分析可知在避讓距離變化時(shí)，中柱最容易發(fā)生破壞，建議設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加大中柱截面或者采取全長(zhǎng)加密箍筋措施。

3）避讓距離為11 m時(shí)，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力值均達(dá)到極值。底層框架梁轉(zhuǎn)換梁跨中彎矩及剪力值受避讓距離變化的影響不大。底層框架梁及轉(zhuǎn)換梁的梁端彎矩及剪力值在避讓距離發(fā)生變化時(shí)，會(huì)發(fā)生數(shù)值突變及方向的改變。因此，在對(duì)考慮基礎(chǔ)沉降的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，建議采取對(duì)稱(chēng)配筋的形式、在梁跨中截面設(shè)置反向彎起鋼筋或者加配箍筋等措施來(lái)抵抗跨中截面反方向剪力。對(duì)于轉(zhuǎn)換梁建議箍筋采用全長(zhǎng)加密布置。