框架結(jié)構(gòu)夾層設(shè)計(jì)方法探討

高培文，龐臣軍

（1.中國(guó)城市建設(shè)研究院有限公司，北京100120；2.河北寰球工程有限公司，河北 保定072750）

1 引言

框架結(jié)構(gòu)因門廳大堂、過(guò)街通道、設(shè)備專業(yè)等建筑使用功能要求而設(shè)置夾層。夾層一般層高較小，多數(shù)情況下小于2.2m，較小的層高導(dǎo)致夾層框架結(jié)構(gòu)柱剪跨比小于2，形成短柱。短柱破壞形式為剪切或黏性破壞，結(jié)構(gòu)延性較差，屬于脆性破壞，歷次大地震中短柱破壞仍然是造成鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)破壞甚至倒塌的一個(gè)重要因素[1]。設(shè)計(jì)中對(duì)剪跨比小于2的短柱，通常采用減小軸壓比限值、增大箍筋面積、加密箍筋配筋等措施，但剪跨比太?。ㄐ∮谄渑R界值），以箍筋屈服起控制的剪切破壞對(duì)剪跨比作用將不敏感[2]。框架結(jié)構(gòu)夾層的存在引起結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則，側(cè)向剛度突變、樓層承載力突變等一系列問(wèn)題，設(shè)計(jì)中若不采取措施，結(jié)構(gòu)計(jì)算指標(biāo)難以滿足規(guī)范要求，同時(shí)地震過(guò)程中，短柱塑性變形集中，豎向構(gòu)件損傷比較嚴(yán)重，影響結(jié)構(gòu)的抗震安全性能[3]。

2 剪跨比及其對(duì)框架結(jié)構(gòu)的影響

剪跨比為框架柱所受彎矩與其剪力和柱的有效截面高度之比，其計(jì)算公式為：

式中，λ為剪跨比；Mc、Vc分別為柱端截面組合彎矩、剪力計(jì)算值；h0為截面有效高度。

通常情況下，剪跨比宜大于2.0，剪跨比小于2.0而大于1.5的框架柱稱為短柱（即反彎點(diǎn)位于柱高中部時(shí)，柱凈高與截面高度之比小于4的柱）；剪跨比小于1.5的框架柱稱為超短柱。

剪跨比λ的大小決定框架柱的破壞方式：當(dāng)λ＞2.0時(shí)，框架柱延性較大，水平荷載下發(fā)生彎曲破壞；當(dāng)λ＜2.0時(shí)，框架柱成為短柱，結(jié)構(gòu)延性較差，水平荷載下發(fā)生剪切或黏性破壞。剪跨比λ對(duì)框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，主要表現(xiàn)在隨著λ提高，框架結(jié)構(gòu)柱延性增大，變形性能增強(qiáng)。

3 工程概況

3.1 基本信息

某工程位于海南省?？谑校Y(jié)構(gòu)形式為現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)，地上5層，局部有1設(shè)備夾層（層高1.8m），地下1層，結(jié)構(gòu)高度28.5m。建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑抗震設(shè)防類別為丙類（標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類），抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)計(jì)基本地震加速度：0.20g，建筑物場(chǎng)地類別為Ⅱ類，框架抗震等級(jí)為一級(jí)。

3.2 設(shè)備夾層處理

設(shè)備夾層框架柱截面為800mm×600mm，框架梁截面為400mm×800mm，按普通混凝土梁板夾層（以下簡(jiǎn)稱模型1）設(shè)計(jì)，柱凈高與截面高度之比遠(yuǎn)小于4，可以判斷該層框架柱為短柱。模型1設(shè)備夾層框架柱計(jì)算剪跨比為0.94，為超短柱，短柱效應(yīng)明顯，從而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則、側(cè)向剛度突變、樓層承載力突變等，加上酒店大堂樓面板布置不連續(xù)開(kāi)洞率大于30%，根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016年版）和《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》的相關(guān)規(guī)定，該結(jié)構(gòu)屬于特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)采取更加有效的措施。

模型計(jì)算時(shí)，設(shè)備夾層采用鋼梁鉸接組合樓板夾層（以下簡(jiǎn)稱模型2）設(shè)計(jì)，框架柱與鋼梁之間留設(shè)變形縫，框架柱預(yù)埋連接板與鋼梁采用高強(qiáng)螺栓連接，連接處螺栓孔采用長(zhǎng)圓孔。計(jì)算模型中鋼梁與框架柱鉸接連接，同時(shí)設(shè)置變形縫，鋼梁鉸接組合樓板層僅傳遞豎向荷載，鋼梁軸線方向不限制變形，避免其抗彎剛度對(duì)框架柱的影響，梁柱連接處框架柱不會(huì)形成塑性鉸，框架柱計(jì)算剪跨比時(shí)可以不考慮鋼梁的作用，避免夾層產(chǎn)生短柱效應(yīng)，同時(shí)模型計(jì)算假定與工程實(shí)際基本符合。

參考管架與主體建筑防震縫Δ計(jì)算公式：

式中，βd為大震作用于小震作用之比；ΔE為架空連梁跨度方向小震反應(yīng)譜彈性水平位移。

計(jì)算中ΔE值取計(jì)算模型中層間位移計(jì)算值，按式（2）防震縫寬度計(jì)算值為23.4mm，結(jié)合工程實(shí)際，建議設(shè)計(jì)取值為40.0mm，鋼梁與框架柱埋板連接處螺栓采用10.9級(jí)M24的高強(qiáng)螺栓，長(zhǎng)圓孔采用80mm×25.5mm。

4 計(jì)算結(jié)果

與模型1對(duì)比可知，模型2框架柱剪跨比計(jì)算值為2.82，大于2，滿足規(guī)范限值要求（規(guī)范要求計(jì)算軸壓比限值時(shí)，框架柱剪跨比宜大于2），能夠避免模型1框架柱剪跨比太小而引起的超短柱脆性破壞問(wèn)題。

圖1為模型1與模型2框架結(jié)構(gòu)X向和Y向側(cè)向剛度比對(duì)比圖，通過(guò)圖1可知，X，Y方向本層側(cè)移剛度與上一層相應(yīng)側(cè)移剛度70%的比值或上3層平均側(cè)移剛度80%的比值中之較小者大于1.0，結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較規(guī)則。

圖1模型1與模型2側(cè)向剛度比對(duì)比圖

圖2模型1與模型2樓層承載力比對(duì)比圖

圖2為模型1與模型2框架結(jié)構(gòu)X向和Y向樓層承載力比對(duì)比圖，通過(guò)圖2可知，X，Y方向本層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間承載力與上一層的承載力之比大于0.8，樓層承載力較均勻。

通過(guò)對(duì)比普通混凝土梁板夾層與鋼梁鉸接組合樓板夾層的計(jì)算結(jié)果：鋼梁鉸接組合樓板夾層模型計(jì)算剪跨比值2.82，結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比值RatX1=1.098 2、RatY1=1.070 1，樓層承載力比值RatioX=1.02、RatioY=1.18，以上計(jì)算指標(biāo)值比較合理，均能滿足規(guī)范要求滿足。

5 結(jié)語(yǔ)

框架結(jié)構(gòu)采用鋼梁鉸接組合樓板夾層，通過(guò)框架柱與鋼梁連接處設(shè)置合理變形縫值的計(jì)算模型，計(jì)算假定與工程實(shí)際相符合，計(jì)算結(jié)果表明，框架結(jié)構(gòu)計(jì)算剪跨比、側(cè)向剛度比、樓層承載力比等計(jì)算指標(biāo)值均滿足規(guī)范要求，可以解決框架結(jié)構(gòu)夾層因剪跨比較小引起的框架柱短柱問(wèn)題，對(duì)今后類似項(xiàng)目有一定的設(shè)計(jì)參考價(jià)值。