多層框架結(jié)構(gòu)周期比調(diào)整的方法研究

聶懿

摘 要：本文結(jié)合具體工程實(shí)例的計(jì)算過程，提出了多層框架結(jié)構(gòu)周期比控制的有效方法，即加大外部柱（及外圍四周框架柱）的剛度，弱化或減小中間某些豎向構(gòu)件的剛度，加大外圍邊梁的截面高度。

關(guān)鍵詞：多層框架結(jié)構(gòu);周期比;高層建筑

中圖分類號(hào)：TU323.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）31-0105-03

Study on the Method of Periodic Ratio Adjustment

of Multilayer Frame Structure

——Take the Office Building of a Fishing Port in Guangdong Province as an Example

NIE Yi

（Institute of Fishery Engineering， Chinese Academy of Fishery Sciences，Beijing 100125）

Abstract： In this paper， combined with the calculation process of concrete engineering examples， the effective method of period ratio control of multi-storey frame structure was put forward， which was to increase the rigidity of outer column （and frame column around periphery）， weaken or reduce the rigidity of some vertical members in the middle， and increase the section height of peripheral side beam.

Keywords： multi-layer frame structure;period ratio;high rise building

多層科研樓、辦公樓常用的結(jié)構(gòu)體系為框架結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，為了防止建筑發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞，多參照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）中對(duì)高層建筑的周期比控制條文，但是對(duì)于多層框架結(jié)構(gòu)，規(guī)范沒有明文規(guī)定，需要對(duì)周期比做特殊規(guī)定（不應(yīng)大于0.9）。但實(shí)際上，很多地方審圖機(jī)構(gòu)也參照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）中的相關(guān)規(guī)定，對(duì)多層框架結(jié)構(gòu)的周期比要求控制在小于0.9的范圍內(nèi)。

1 周期比定義

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）第3.4.5條中規(guī)定：“結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)減少扭轉(zhuǎn)的影響?！Y(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期[Tt]與平動(dòng)為主的第一自振周期[T1]之比，A級(jí)高度高層建筑不應(yīng)大于0.9，B級(jí)高度高層建筑、超過A級(jí)高度的混合結(jié)構(gòu)及本規(guī)程第10章所指的復(fù)雜高層建筑不應(yīng)大于0.85?！盵1]該條主要是限制結(jié)構(gòu)的抗扭剛度不能太弱，以免產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體系的嚴(yán)重破壞。

2 建筑主自振周期的辨別

周期比調(diào)整的實(shí)質(zhì)是要保證結(jié)構(gòu)抗扭剛度適宜，不可偏低，關(guān)鍵是限制結(jié)構(gòu)以扭轉(zhuǎn)為主的第一階自振周期（[Tt]）與以平動(dòng)為主的第一階自振周期（[T1]）的比值。當(dāng)兩者接近時(shí)，由于振動(dòng)耦聯(lián)的影響，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯增大?？拐鹪O(shè)計(jì)中應(yīng)采取措施減小周期比[TtT1]值，使結(jié)構(gòu)具有可靠的抗扭剛度[1]。

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）3.4.5的條文解釋[1]：“扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)振動(dòng)的主振型，可通過計(jì)算振型方向因子來(lái)判斷。在兩個(gè)平動(dòng)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)成的3個(gè)方向因子中，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向因子大于0.5時(shí)，則該振型可認(rèn)為是扭轉(zhuǎn)為主的振型?！比欢?，對(duì)于平動(dòng)為主的第一自振周期[T1]，相關(guān)解釋沒有給出明確的判定方法，目前大多數(shù)設(shè)計(jì)人員主要通過以下三種方法進(jìn)行綜合判別：第一，通過計(jì)算振型方向因子判別法;第二，查看結(jié)構(gòu)整體空間振動(dòng)簡(jiǎn)圖判別法;第三，以振型下產(chǎn)生的基底剪力來(lái)間接判斷主平動(dòng)周期。進(jìn)行綜合判別的原因是用其中任何一種單一的方法來(lái)判定都是不準(zhǔn)確的，甚至可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的判斷。因?yàn)楸疚钠邢?，在此就不贅述說明上述三種判別方法的具體細(xì)節(jié)。

3 工程實(shí)例

廣東某漁港辦公樓共3層，建筑最大高度13.266 m（坡屋面），總建筑面積為2 053.7 m2，室內(nèi)外高差0.45 m，各層層高為3.6 m。該地區(qū)按抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.1 g，場(chǎng)地類別為Ⅳ類，抗震設(shè)防類別為丙類，框架抗震等級(jí)為三級(jí)[2]。建筑樓、屋面等效均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)和工程場(chǎng)地自然條件見表1和表2。

該建筑縱向柱距為3.6、4.2、6.6 m，縱向主梁截面為300 mm×550 mm;橫向柱距為3.6、4.2、5.7m，橫向主梁截面為300 mm×500 mm;其余次梁截面為250 mm×450 mm、250 mm×400 mm、250 mm×300 mm，各層框架柱截面為450 mm×450 mm，各層板厚為120 mm?？蚣芰?、板、柱砼為C40，基礎(chǔ)為鋼筋混凝土柱下十字條形基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)標(biāo)高±0.000以下樓梯間、獨(dú)立墻及衛(wèi)生間周圍墻體采用240 mm厚MU10燒結(jié)頁(yè)巖磚以及M7.5水泥砂漿砌筑;設(shè)計(jì)標(biāo)高±0.000以上墻體采用240 mm厚普通輕集料混凝土空心砌塊以及DM7.5干拌砂漿砌筑;所有內(nèi)墻體采用240 mm厚B04加氣混凝土砌塊，加氣混凝土專用黏結(jié)劑DA-HR砌筑。

4 結(jié)構(gòu)初步計(jì)算

結(jié)構(gòu)的計(jì)算和建模都是使用中國(guó)建筑科學(xué)研究院研發(fā)的SATWE和PMCAD軟件（V5.1版本）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其中，SATWE軟件是一種空間有限元分析軟件，是通過采用空間桿單元來(lái)模擬柱、梁及支撐等桿件，用在殼元基礎(chǔ)上凝聚而成的墻元模擬剪力墻，能比較好地模擬出結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況[3]。結(jié)構(gòu)計(jì)算中考慮雙向地震作用下的扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)，計(jì)算振型系數(shù)為9個(gè)（本文只給出6個(gè)振型），周期折減系數(shù)為0.7，地震作用分析時(shí)采用總剛分析法。初步計(jì)算以框架柱截面為450 mm×450 mm，計(jì)算結(jié)果表3、表4和圖1所示。

計(jì)算結(jié)果分析：經(jīng)軟件計(jì)算后，該辦公樓周期比為0.903 7，不滿足相關(guān)規(guī)范要求，說明結(jié)構(gòu)的抗扭剛度偏弱，在地震作用下會(huì)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，需要采取措施加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。

5 結(jié)構(gòu)調(diào)整后計(jì)算

因該建筑結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)，框架柱為主要抗側(cè)力構(gòu)件。加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，即是加強(qiáng)框架柱的剛度，即增大柱的截面。將框架柱的尺寸增加50 mm，柱截面增至500 mm×500 mm，然后進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表5、表6和圖2所示。

計(jì)算結(jié)果分析：從圖表結(jié)果來(lái)看，框架柱截面增大后，結(jié)構(gòu)的周期有所降低，但周期比變化不大，仍不能滿足規(guī)范要求。如果再繼續(xù)加大框架柱截面，結(jié)果還是實(shí)質(zhì)改變?？梢姡瑫r(shí)增加柱截面的方法不能根本上解決上述問題。在滿足柱承載力的情況下，加大柱截面，浪費(fèi)了砼，加大了柱配筋率，造價(jià)浪費(fèi)。如果把框架結(jié)構(gòu)考慮成一個(gè)由柱組成的筒體，把外部柱加強(qiáng)，而內(nèi)部柱只滿足承載力驗(yàn)算即可，并在建筑專業(yè)允許的情況下，加大外圍邊梁的截面高度。這樣也可以加大結(jié)構(gòu)的抗扭剛度[4]。

在初步計(jì)算的基礎(chǔ)上增大外圍四周框架柱及外圍梁的截面，而中間框架柱、梁的截面不變。然后進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表7、表8和圖3所示。

計(jì)算結(jié)果分析：從圖表結(jié)果來(lái)看，增大外圍四周框架柱及外圍梁的截面，而中間框架柱、梁的截面不變，可以增大平動(dòng)周期，減小扭轉(zhuǎn)周期，可以使周期比滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)論

多層框架結(jié)構(gòu)中控制結(jié)構(gòu)周期比的有效方法是：加大外部柱及外圍四周框架柱的截面，弱化或減小中間柱的剛度，加大外圍邊梁的截面高度（建筑專業(yè)能允許的最大高度），以此來(lái)增大平動(dòng)周期，減小扭轉(zhuǎn)周期，使周期比滿足（不應(yīng)大于0.9）規(guī)范要求。

參考文獻(xiàn)：

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