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關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)高層建筑 安全性
中圖分類號(hào):TU208文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,城市用地日趨緊張,這使得高層建筑成為了目前階段建筑設(shè)計(jì)的主要形式。高層建筑的廣泛出現(xiàn),既節(jié)約了建筑的占地面積,增加了使用空間,又豐富了城市的景觀。但高層建筑美化城市的同時(shí),也給建筑設(shè)計(jì)師們?cè)诎踩O(shè)計(jì)性方面提供了諸多挑戰(zhàn)。其中,結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)就是一個(gè)十分重要的部分。
建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整個(gè)建筑的精髓,是整個(gè)建筑工程的骨骼,因此對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。其合理的設(shè)計(jì)是保證建筑質(zhì)量及安全性的重要方法。高層建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是需同時(shí)承受水平和豎向的荷載或間接作用。低層建筑結(jié)構(gòu)通常以抵抗豎向荷載為主,水平荷載和作用的影響較小。如風(fēng)荷載和地震作用,它們所產(chǎn)生的內(nèi)力和位移較小,一般可以忽略。因此在低層建筑結(jié)構(gòu)中,豎向荷載往往就是設(shè)計(jì)的控制因素。但在高層建筑結(jié)構(gòu)中,較大的建筑高度造成了完全不同的受力情況,水平荷載和作用不僅是主要荷載的一種,跟豎向荷載共同起作用,而且往往還成為設(shè)計(jì)中的控制因素。因此,在水平荷載作用下,若高層建筑結(jié)構(gòu)的抵抗側(cè)向變形能力或側(cè)向剛度不足,將會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的側(cè)向變形,不僅使人產(chǎn)生不舒服的感覺(jué),而且會(huì)使結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下產(chǎn)生附加內(nèi)力,會(huì)使填充墻、建筑裝修和電梯軌道等服務(wù)設(shè)施出現(xiàn)裂縫、變形,甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)性的損傷或裂縫,從而危及結(jié)構(gòu)的正常使用和耐久性。因此設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)時(shí),不僅要求結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度,而且要求結(jié)構(gòu)有合理的剛度,使水平荷載所產(chǎn)生的側(cè)向變形限制在規(guī)定的范圍內(nèi)。同時(shí),有抗震設(shè)防要求的高層建筑還應(yīng)具有良好的抗震性能,使結(jié)構(gòu)在可能的強(qiáng)震作用下當(dāng)構(gòu)件進(jìn)入屈服階段后,仍具有良好的塑性變形能力,即具有良好的延性性能。綜合高層建筑的上述受力特點(diǎn)可知,與低層結(jié)構(gòu)不同,高層建筑結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度、剛度和延性三方面要滿足更多的設(shè)計(jì)要求??箓?cè)力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
關(guān)鍵詞:帶轉(zhuǎn)換層; 高層建筑;抗震設(shè)計(jì)
Abstract: With the rapid development of high-rise buildings in our country, as well as to the building structure with transfer function requirements, more and more high-rise structure, and set the location of the conversion layer is also more and more high. Therefore, this paper analysis of tall building structures with transfer story is not difference between seismic and seismic fortification intensity six seismic designs, for the majority of the engineering design personnel to deepen understanding, provide reference for different situations to take different measures to achieve the economic design, the purpose of safety.
Keywords: with the conversion layer of high-rise building; seismic design;
中圖分類號(hào):[TU208.3]文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào)
六度抗震地區(qū)與非抗震地區(qū)在帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的存在區(qū)別,不同區(qū)域的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),根據(jù)抗震等級(jí)不同也存在區(qū)別,對(duì)不同地區(qū)進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì),應(yīng)避免在實(shí)際設(shè)計(jì)工程中造成不必要的浪費(fèi)或者安全度偏大,以達(dá)到節(jié)省建筑工程造價(jià)的目的。
一、帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則
帶轉(zhuǎn)換層建筑結(jié)構(gòu)是一種受力復(fù)雜、不利于抗震的結(jié)構(gòu)體系,在結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)時(shí),特別是在抗震設(shè)防地區(qū),應(yīng)遵循的如下原則:
首先,傳力直接,避免多次轉(zhuǎn)換。布置轉(zhuǎn)換層上下主體豎向結(jié)構(gòu)時(shí),要盡量使水平轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)傳力直接,通過(guò)結(jié)構(gòu)的合理布置,使不落地的剪力墻通過(guò)轉(zhuǎn)換托梁直接傳給豎向承重構(gòu)件,盡可能的避免轉(zhuǎn)換次梁及水平多級(jí)轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)傳力路勁的最短化。
其次,強(qiáng)化下部、弱化上部。要保證底部大空間有適宜的剛度、強(qiáng)度、延性和抗震能力,要有意識(shí)的強(qiáng)化轉(zhuǎn)換層下部主體結(jié)構(gòu)剛度,弱化轉(zhuǎn)換層上部主體結(jié)構(gòu)的剛度,使得轉(zhuǎn)換層上下部主體結(jié)構(gòu)的剛度及變形特征盡量接近,以避免出現(xiàn)薄弱層。
再次,計(jì)算全面準(zhǔn)確。必須將轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)作為整體結(jié)構(gòu)中一個(gè)重要組成部分,采用符合實(shí)際受力變形狀態(tài)的正確計(jì)算模型進(jìn)行三維空間整體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。采用有限元方法對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部補(bǔ)充計(jì)算時(shí),轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)以上至少取2層結(jié)構(gòu)進(jìn)入局部計(jì)算模型,同時(shí)應(yīng)計(jì)及轉(zhuǎn)換層及所有樓蓋平面內(nèi)剛度,計(jì)及實(shí)際結(jié)構(gòu)三維空間盒子效應(yīng),采用比較符合實(shí)際邊界條件的正確計(jì)算模型。
二、建筑結(jié)構(gòu)平面布置
關(guān)于建筑物的結(jié)構(gòu)平面布置,僅在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》表4.3. 3中對(duì)建筑物在考慮地震作用時(shí)的平面長(zhǎng)寬比以及局部凹凸進(jìn)行明確規(guī)定;并且在4.3.5條中對(duì)建筑的位移比和周期比進(jìn)行嚴(yán)格的限制。非抗震設(shè)計(jì)時(shí),由于對(duì)周期比沒(méi)有嚴(yán)格的限制,故在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換層以上的小開(kāi)間住宅部分的豎向構(gòu)件時(shí),可以只按照豎向構(gòu)件的承載力進(jìn)行設(shè)計(jì);作抗震設(shè)計(jì)時(shí),為了使周期比滿足規(guī)范要求的限值,必須對(duì)建筑物周圍的豎向構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)處理,這就人為地增大了轉(zhuǎn)換層上部的建筑物結(jié)構(gòu)剛度,也增加了豎向構(gòu)件的數(shù)量或者截面,同時(shí)也會(huì)引起轉(zhuǎn)換層下部剛度相應(yīng)增大。
三、建筑結(jié)構(gòu)豎向布置
考慮地震作用下,僅在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中4.4.2和4.4.3條對(duì)建筑物的側(cè)向剛度進(jìn)行限制,保證建筑物的側(cè)向剛度的連續(xù)。4.4.5條對(duì)建筑物的豎向收進(jìn)和外挑進(jìn)行限制。
(1)底部大空間為1層時(shí),可近似采用轉(zhuǎn)換層上、下層結(jié)構(gòu)等效剪切剛度比γ表示轉(zhuǎn)換層上、下層結(jié)構(gòu)剛度的變化,γ宜接近1,非抗震設(shè)計(jì)時(shí)γ 不應(yīng)大于3,抗震設(shè)計(jì)時(shí)γ不應(yīng)大于2。
(2)底部大空間層數(shù)大于1層時(shí),其轉(zhuǎn)換層上部與下部結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比γe宜接近1,非抗震設(shè)計(jì)時(shí)γe不應(yīng)大于2,抗震設(shè)計(jì)時(shí)γe不應(yīng)大于1.3。由于轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)上部建筑多為住宅,根據(jù)建筑住宅使用功能的要求,房間分隔較小且對(duì)結(jié)構(gòu)梁高進(jìn)行限制,故造成上部住宅部分的豎向構(gòu)件柱子或短肢剪力墻數(shù)量較多,梁較密。并且轉(zhuǎn)換層上部住宅部分層高一般比下部大開(kāi)間的商場(chǎng)部分小得多。這些都是造成轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于下部結(jié)構(gòu)剛度的客觀原因。為了增加下部結(jié)構(gòu)剛度,只能在適當(dāng)位置處增加豎向構(gòu)件或原豎向構(gòu)件的截面尺寸。上、下部剛度越要求接近,則增加的下部豎向構(gòu)件越多或者截面越大。
因此,高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)一定要注意按照轉(zhuǎn)換層所在位置的三種不同情況,分別采用三種不同的控制方法,特別要注意的是當(dāng)轉(zhuǎn)換層在3 層及3 層以上時(shí),應(yīng)采用同時(shí)滿足等效剪切剛度比和樓層側(cè)向剛度比的兩個(gè)控制條件,才能滿足安全的要求。
四、結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)的區(qū)別
《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》4.7.1 條中規(guī)定:無(wú)地震作用時(shí),構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值大于等于結(jié)構(gòu)作用效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值與結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)的乘值(結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)的取值在1.~1.1之間);有地震作用組合時(shí),構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值大于等于結(jié)構(gòu)作用效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值與結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力抗震調(diào)整系數(shù)的乘值(結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力抗震調(diào)整系數(shù)的取值在1.0~1.33之間)。
以上分析均針對(duì)非抗震設(shè)計(jì)和抗震設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)上的區(qū)別,屬于確定建筑方案前需要考慮的結(jié)構(gòu)體系對(duì)建筑物的總體影響,是非抗震設(shè)計(jì)和抗震設(shè)計(jì)在性能設(shè)計(jì)上的根本區(qū)別,需要在建筑方案確定前進(jìn)行經(jīng)濟(jì)綜合性比較分析。整體結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)非抗震結(jié)構(gòu)性能經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)的根本方向。
五、具體建筑構(gòu)件單項(xiàng)比較分析
1.框支梁
梁上、下部縱向鋼筋的最小配筋率,非抗震設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)小于0.30%;抗震設(shè)計(jì)時(shí),特一、一和二級(jí)不應(yīng)小于0.60%、0.50%和0.40%;加密區(qū)箍筋最小面積含箍率在非抗震設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)小于0.9ft/f yv;抗震設(shè)計(jì)時(shí),特一、一和二級(jí)不應(yīng)小于1.3ft/fyv、1.2ft/fyv和1.1ft/fyv。
梁截面高度在抗震設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)小于計(jì)算跨度的1/ 6,非抗震設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)小于計(jì)算跨度的1/ 8;框支梁截面組合的最大剪力設(shè)計(jì)值應(yīng)符合下列要求:
無(wú)地震作用組合時(shí):V≤0.2β cfcbh0;
有地震作用組合時(shí):V≤0. 15β cfcbh0/γRE。
2.框支柱
框支柱截面組合的最大剪力設(shè)計(jì)值應(yīng)符合下列要求:無(wú)地震作用組合時(shí),V≤0.2β cfcbh0;有地震作用組合時(shí),V≤0.15β cfcbh0/γRE。
柱截面寬度,非抗震設(shè)計(jì)時(shí)不宜小于400mm,抗震設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)小于450mm;柱截面高度,非抗震設(shè)計(jì)時(shí)不宜小于框支梁跨度的1/15,抗震設(shè)計(jì)時(shí)不宜小于框支梁跨度的1/12;
非抗震設(shè)計(jì)時(shí),框支柱宜采用復(fù)合螺旋箍或井字復(fù)合箍,箍筋體積配箍率不宜小于0.8%,箍筋直徑不宜小于10mm,箍筋間距不宜大于150mm。
3.剪力墻
部分框支剪力墻結(jié)構(gòu),剪力墻底部應(yīng)加強(qiáng)部位墻體的水平和豎向分布鋼筋最小配筋率,抗震設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)小于0.3%,非抗震設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)小于0.25%;
錯(cuò)層處平面外受力的剪力墻,其截面厚度,非抗震設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)小于200mm,抗震設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)小于250mm,并均應(yīng)設(shè)置與之垂直的墻肢或扶壁柱;抗震等級(jí)應(yīng)提高一級(jí)采用。錯(cuò)層處剪力墻的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C30,水平和豎向分布鋼筋的配筋率,非抗震設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)小于0.3%,抗震設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)小于0.5%。
4.一般框架梁、柱、抗震墻
根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外規(guī)范最小配筋率取值情況的研究成果,可知各國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范梁類構(gòu)件受拉鋼筋最小配筋率取值存在兩種體系。
一種是對(duì)抗震及非抗震情況取用相同的最小配筋率,如美國(guó)、新西蘭規(guī)范。另一種是對(duì)抗震及非抗震情況分別取用大小不同的最小配筋率,如歐共體混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范EC2 和抗震設(shè)計(jì)規(guī)范EC8。后者非抗震最小配筋率的取值水準(zhǔn)比第一種取值體系明顯偏低。結(jié)合我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范分析如下:
(1)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2002)第9.5.1 條規(guī)定在非抗震的情況下,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件中縱向受力鋼筋的最小配筋百分率。具體規(guī)定如下:①受壓構(gòu)件。全部縱向鋼筋最小配筋百分率0. 6%;一側(cè)縱向鋼筋最小配筋百分率0.2%。②受彎構(gòu)件、偏心受拉、軸心受拉構(gòu)件一側(cè)的受拉鋼筋最小配筋百分率0.2和45ft/fy中的較大值。
(2)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001)第6.3.3 條規(guī)定在考慮抗震的情況下,梁端截面的底面和頂面縱向鋼筋配筋量的比值,除按計(jì)算確定外,一級(jí)不應(yīng)小于0.5,二、三級(jí)不應(yīng)小于0.3?!痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2002)第10.2.6 條規(guī)定當(dāng)梁端實(shí)際受到部分約束但按簡(jiǎn)支計(jì)算時(shí),應(yīng)在支座區(qū)上部設(shè)置縱向構(gòu)造鋼筋,其截面面積不應(yīng)小于梁跨中下部縱向受力鋼筋計(jì)算所需截面面積的0. 25。故在非抗震的情況下部分符合該情況的梁局部支座負(fù)筋可比考慮抗震時(shí)低25%左右。
(3)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001)第6.3.8.1 條規(guī)定在考慮抗震的情況下,根據(jù)抗震等級(jí)的不同,中柱和邊柱截面縱向鋼筋的最小總配筋率由0. 6%逐步遞增到1.0%;角柱、框支柱截面縱向鋼筋的最小總配筋率由0.8%逐步遞增到1.2%。故在非抗震的情況下,當(dāng)柱截面配筋均為構(gòu)造配筋時(shí),柱截面縱向鋼筋僅為考慮抗震時(shí)的50%~75%左右。
(4)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001)第6.4.3 條規(guī)定在考慮抗震的情況下,一、二、三級(jí)抗震墻的豎向和橫向分布鋼筋最小配筋率不應(yīng)小于0.25%;四級(jí)抗震墻不應(yīng)小于0.20%。故當(dāng)剪力墻豎向和橫向配筋均為構(gòu)造配筋時(shí),在非抗震的情況下的剪力墻配筋與四級(jí)情況下的剪力墻配筋相同,但僅為考慮地震作用時(shí)一、二、三級(jí)剪力墻配筋的80%左右。
關(guān)鍵詞:砌體結(jié)構(gòu);概念設(shè)計(jì);構(gòu)造措施
1、建筑設(shè)計(jì)
1.1設(shè)計(jì)應(yīng)符合抗震概念設(shè)計(jì)要求
平面不規(guī)則的建筑由于平面上質(zhì)量和剛度中心偏移距離較大,而在地震中產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)變形。地震作用計(jì)算一般采用底部剪力法,此法的前提是以剪切變形為主、且質(zhì)量和剛度沿高度分布比較均勻的結(jié)構(gòu);豎向不規(guī)則的建筑、豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù),將影響水平力的傳遞途徑,引起水平力的重分配和應(yīng)力集中。2008年5月12日的汶川大地震就有力地詮釋了這個(gè)概念:平面規(guī)則的建筑破壞相對(duì)較小,而那些平面不規(guī)則的如H型、L型、T型、回型等建筑破壞相對(duì)較大。
1.2設(shè)計(jì)應(yīng)嚴(yán)格控制房屋高度、層數(shù)和層高
《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)第7.1.2條明確規(guī)定了各種設(shè)防烈度下房屋的層數(shù)和總高度限值。經(jīng)過(guò)對(duì)多棟建筑(8烈度設(shè)防)抗震計(jì)算結(jié)果分析可知總高度和層數(shù)接近或達(dá)到抗震規(guī)范表7.1.2規(guī)定的限值時(shí),不但橫墻的間距、洞口的尺寸、窗間墻等都遠(yuǎn)大于本規(guī)范的限值,而且構(gòu)造柱的設(shè)置數(shù)量遠(yuǎn)大于本規(guī)范的構(gòu)造規(guī)定。即使計(jì)算能通過(guò),建筑造價(jià)也要大幅增加。同樣,抗震規(guī)范表7.1.5規(guī)定了砌體房屋的層高限值,若超過(guò)了限值則要通過(guò)一系列措施來(lái)加強(qiáng),如增加墻的厚度、加密構(gòu)造柱等,無(wú)形中增加了很多造價(jià)。因此,建筑方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免房屋的高度、層數(shù)和層高接近、達(dá)到或超過(guò)抗震規(guī)范規(guī)定的限值。
1.3控制房屋的高寬比和房屋中砌體墻段的局部尺寸
房屋的高寬較大時(shí),在水平力作用下,建筑的變形中不僅有剪切變形,而且產(chǎn)生較大的整體彎曲變形,與底部剪力法的計(jì)算假定條件不符,計(jì)算結(jié)果可想而知。依據(jù)有關(guān)資料,多層砌體房屋一般可以不做整體變曲驗(yàn)算,但為了保證房屋的穩(wěn)定性,在設(shè)計(jì)中一定要控制建筑的高寬比。
墻體是多層砌體房屋最基本的承重構(gòu)件和抗側(cè)力構(gòu)件,地震時(shí)房屋的倒塌往往是從墻體破壞開(kāi)始的。應(yīng)保證房屋的各道墻體能同時(shí)發(fā)揮它們的最大抗剪強(qiáng)度,并避免由于個(gè)別墻段抗震強(qiáng)度不足首先破壞,導(dǎo)致逐個(gè)破壞進(jìn)而造成整棟房屋的破壞甚至倒塌??拐鹨?guī)范第7.1.6條明確對(duì)房屋中砌體墻段的局部尺寸作了詳細(xì)的限值規(guī)定,這一條與地震剪力的分配密切相關(guān)??拐鹨?guī)范第7.2.3條明確了墻段的高寬比對(duì)剛度計(jì)算的影響,如高寬比較大時(shí),等效側(cè)向剛度取0,在抵抗地震作用時(shí),不能發(fā)揮作用。同樣,在設(shè)計(jì)時(shí)必須注意洞口的大小和布置,避免形成許多高寬比較大的墻垛,影響墻體的側(cè)向剛度。
1.4合理設(shè)置砌體房屋的變形縫、樓梯間并采用合理的結(jié)構(gòu)體系
為防止或減輕砌體房屋在正常使用條件下,由溫差和砌體干縮引起墻體豎向裂縫,應(yīng)在墻體中設(shè)置伸縮縫,設(shè)置條件詳見(jiàn)《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50003-2011)第6.3.1條;當(dāng)建筑物高度差異或荷載差異較大時(shí),應(yīng)設(shè)置沉降縫將其分開(kāi),以適應(yīng)結(jié)構(gòu)豎向沉降變形,沉降縫的設(shè)置詳見(jiàn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB5007-2011)第7.3.1、7.3.2條;在軟弱地基上建設(shè)時(shí),還要符合第7.4.3條對(duì)建筑長(zhǎng)高比的限值。如果是在抗震設(shè)防區(qū),需要設(shè)置沉降縫時(shí),應(yīng)符合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)的相關(guān)要求。
《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)第7.1.7條明確規(guī)定:為保證房屋抗震能力,多層砌體的縱橫向墻體數(shù)量不宜相差過(guò)大,在房屋寬度的中部應(yīng)設(shè)有內(nèi)縱墻且多道內(nèi)縱墻開(kāi)洞后累計(jì)長(zhǎng)度≥房屋縱向長(zhǎng)度的60%;避免采用混凝土墻與砌體墻混合稱重的體系,防止不同材料性能的墻體各個(gè)被擊破;房屋轉(zhuǎn)角處不應(yīng)設(shè)窗,避免局部破壞嚴(yán)重。
2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1設(shè)計(jì)說(shuō)明
首先依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)可靠設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB50068-2001)確定建筑的設(shè)計(jì)使用年限;按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)第3.4.1條明確鋼筋混凝土構(gòu)件的環(huán)境類別;建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)應(yīng)根據(jù)《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB5003-2011)第4.1.4條選用。對(duì)抗震設(shè)防區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),還須參照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)區(qū)分建筑抗震設(shè)防類別》(GB50223-2008)。為了能準(zhǔn)確采用塊體和砂漿的強(qiáng)度等級(jí),應(yīng)注明砌體的施工質(zhì)量控制等級(jí);為了能合理地對(duì)地基基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì),應(yīng)注明地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)。
2.2材料選用
《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50003-2011)對(duì)材料的等級(jí)進(jìn)行了調(diào)整,如取消了MU7.5燒結(jié)普通磚等;《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)第3.4.2~3.4.6條的規(guī)定限制了在各種環(huán)境類別和設(shè)計(jì)使用年限建筑應(yīng)采用的混凝土等級(jí)及其它要求。如在抗震設(shè)防區(qū)須同時(shí)滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)第3.9.2~3.9.3條中對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)材料的要求,如混凝土的強(qiáng)度等級(jí)中框支梁、框支柱及抗震等級(jí)為一級(jí)的框架梁、柱、節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)不應(yīng)低于C30;構(gòu)造柱、芯柱、圈梁及其他類構(gòu)建不應(yīng)低于C20等。
2.3抗震設(shè)計(jì)
由于墻體材料為脆性和整體性能差,使得砌體房屋的抗震性能相對(duì)較低。因此,抗震設(shè)計(jì)尤其重要。2008年5月12日的汶川大地震表明,嚴(yán)格按照現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工和使用的建筑,在遭遇比當(dāng)?shù)卦O(shè)防烈度高一度的地震作用下,沒(méi)有出現(xiàn)倒塌破壞,有效地保護(hù)了人民的生命安全。進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí),多層砌體房屋只要符合現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范,可采用底部剪力法進(jìn)行抗震計(jì)算。
采用經(jīng)過(guò)批準(zhǔn)使用的軟件進(jìn)行計(jì)算,其計(jì)算過(guò)程和結(jié)果不用懷疑。在計(jì)算通不過(guò)時(shí)應(yīng)從兩方面進(jìn)行調(diào)查:其一,檢查方案是否合理,即平面豎向是否規(guī)則、墻體水平和縱向錯(cuò)位是否較多、窗間墻是否滿足等情況;在底部大開(kāi)間的商住樓設(shè)計(jì)中還發(fā)現(xiàn)由于洞口過(guò)多、過(guò)大超出《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)第7.3.14條第3款的限值,出現(xiàn)大量高寬比大于1的砌體墻段,這樣墻體的抗側(cè)向剛度必然減小,影響結(jié)構(gòu)的抗震性能,此時(shí)應(yīng)與建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者協(xié)商變更方案。其二,經(jīng)過(guò)建筑方案的調(diào)整抗震計(jì)算仍通不過(guò)時(shí)依然不能僅考慮增加墻厚和增設(shè)構(gòu)造柱來(lái)調(diào)整,這樣工程造價(jià)會(huì)增加過(guò)多。因此可以考慮在抗側(cè)移能力較弱的方向設(shè)配筋砌體或?qū)⒉糠謮Χ斡善鲶w改為鋼筋混凝土,即增加部分剪力墻。
2.4構(gòu)造措施
在抗震設(shè)防地區(qū),為了增強(qiáng)房屋的整體性,提高房屋的抗震能力,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)第7.3節(jié)的多層磚砌體房抗震構(gòu)造措施進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。由于鋼筋混凝土構(gòu)造柱的作用主要在于對(duì)墻體的約束,構(gòu)造柱截面不必很大,但須與各層縱橫墻的圈梁或現(xiàn)澆樓板連接,才能發(fā)揮約束作用。現(xiàn)澆樓板允許不設(shè)圈梁,樓板內(nèi)須有足夠的沿墻體周邊加強(qiáng)鋼筋(一般2φ10或2φ12)伸入構(gòu)造柱內(nèi)并滿足錨固要求。構(gòu)造柱和圈梁等延性構(gòu)件的設(shè)置,對(duì)整個(gè)砌體房屋而言,承載力提高不多,而變形能力和耗能能力卻大大增加。這樣可以大大提高砌體房屋的抗倒塌能力,改善砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能。
參考文獻(xiàn):
關(guān)鍵詞:梁柱節(jié)點(diǎn),抗剪承載力,梁端加腋
如果說(shuō) “強(qiáng)柱弱梁,強(qiáng)剪弱彎”是提高結(jié)構(gòu)變形能力的設(shè)計(jì)精髓,那么節(jié)點(diǎn)核心區(qū)截面抗震受剪承載力驗(yàn)算就是實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的關(guān)鍵,也是建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的關(guān)鍵。節(jié)點(diǎn)域內(nèi)抗剪設(shè)計(jì)不足,遇到地震時(shí)會(huì)造成剪切破壞,屬于脆性破壞,無(wú)征兆,致使建筑物瞬間垮塌。
根據(jù)建筑功能需要布置結(jié)構(gòu)時(shí),當(dāng)遇到高層辦公室或公寓等開(kāi)間要求高的建筑,一般無(wú)法采用純剪力墻,而是采用框架結(jié)構(gòu)以及較為靈活的框架―剪力墻結(jié)構(gòu)??蚣芙Y(jié)構(gòu)在高層建筑因荷載關(guān)系,軸壓比限制下結(jié)構(gòu)柱截面較大;框剪結(jié)構(gòu)由于剪力墻無(wú)法靈活布置,第一道防線較為薄弱,則第二道防線框架的豎向構(gòu)件的結(jié)構(gòu)柱截面也不會(huì)很小。當(dāng)抗震等級(jí)為一、二級(jí)時(shí),如結(jié)構(gòu)梁截面寬度也為了滿足建筑要求設(shè)置得較小時(shí),通常無(wú)法很好約束結(jié)構(gòu)柱,導(dǎo)致梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)抗剪承載力計(jì)算不通過(guò)。
以廣州(7度區(qū))某處的公寓式住宅樓為例。該工程為32層總高99m的框架―剪力墻結(jié)構(gòu),框架抗震等級(jí)為二級(jí)。因超長(zhǎng)設(shè)置了抗震縫,其中分縫右邊單體標(biāo)準(zhǔn)層局部結(jié)構(gòu)布置如下:
上圖中,結(jié)構(gòu)柱截面邊長(zhǎng)1350mm,框架梁250mmx700mm,上機(jī)電算結(jié)構(gòu)顯示1-A軸的結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪不足。
由《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011-2010的附錄D 框架梁柱節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)組合的剪力設(shè)計(jì)值,應(yīng)符合下列要求:
Vj≤(0.3η jfcbjhj)/rRe
框架梁柱節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)組合的截面抗震驗(yàn)算則符合以下公式要求:
由上面公式可知,影響框架梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪承載力的主要因素是核心區(qū)截面的有效驗(yàn)算寬度bj及梁的約束影響系數(shù)ηj,而bj和ηj都是跟梁柱截面的寬度有關(guān)。由于框架柱截面面積比較大,當(dāng)結(jié)構(gòu)梁截面寬度受限取值較小時(shí),bj和ηj的也會(huì)相應(yīng)較小,節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪承載力不足。
為了加大bj和ηj,我們考慮了以下措施:
1.加大框架梁的截面寬度。加大結(jié)構(gòu)梁截面寬度是最有效的措施,但對(duì)建筑美觀性要求有所降低,同時(shí)結(jié)構(gòu)梁全截面加大造價(jià)也會(huì)相應(yīng)提高;
2.梁端設(shè)置水平加腋。在框架梁的端部設(shè)置水平加腋,以加大框架梁對(duì)兩柱節(jié)點(diǎn)約束寬度,滿足規(guī)范對(duì)框架梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的抗剪承載力驗(yàn)算要求。采用此方法結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工復(fù)雜,但只是框架的端部截面增大,對(duì)建筑的影響小,造價(jià)也不會(huì)提高很多,經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)好。
3.加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)區(qū)域。類似無(wú)梁樓蓋的柱帽做法,把節(jié)點(diǎn)位置包大。該做法比水平加腋更復(fù)雜些,經(jīng)濟(jì)性也不及水平加腋。
當(dāng)然提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)也是一個(gè)方法。當(dāng)梁柱砼相差超過(guò)兩個(gè)等級(jí)時(shí)應(yīng)分開(kāi)澆搗,隔網(wǎng)在施工時(shí)容易出現(xiàn)問(wèn)題。
綜合分析以上幾點(diǎn),最后選擇了在結(jié)構(gòu)梁的梁端部設(shè)置水平加腋,做法如下圖:
計(jì)算顯示梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)抗剪承載力通過(guò)。由上面分析及計(jì)算得知,梁水平加腋是提高梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)抗剪承載力而不影響建筑、不過(guò)多增加造價(jià)的較好方法。
依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》,節(jié)點(diǎn)核心區(qū)是保證框架承載力和抗倒塌能力的關(guān)鍵部位,《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》也對(duì)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)做了明確規(guī)定。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中針對(duì)規(guī)范中的抗震驗(yàn)算規(guī)定進(jìn)行驗(yàn)算,當(dāng)驗(yàn)算不滿足規(guī)范要求時(shí),宜先檢查η j 正交梁的約束影響系數(shù)是否正確,再針對(duì)fc、bj、 hj 進(jìn)行合理調(diào)整,如提高砼強(qiáng)度等級(jí)標(biāo)號(hào),增加節(jié)點(diǎn)域面積,能夠有效提高抗剪承載力,直到滿足規(guī)范要求。
參考文獻(xiàn):
【1】《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011-2010
【2】《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》 GB50010-2010
關(guān)鍵詞:抗震設(shè)計(jì);計(jì)算方法;基于性能
Abstract: earthquake has the characteristics of sudden, forecast is still very low. Earthquake disaster is one of severe natural disasters human beings are facing. Our country two seismic zone in the middle, ring the Pacific seismic zone in the east, west of the Mediterranean - Himalayan seismic belt, is one of the earthquake more countries in the world. So the seismic performance of structures in our country has full of necessity.
Key words: seismic design; Calculation method; Based on the performance
中圖分類: TU973+.31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):
抗震概念設(shè)計(jì)及思路
抗震設(shè)防的基本目的是在一定的經(jīng)濟(jì)條件下,最大限度地限制和減輕建筑物的地震破壞,保障人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。為了實(shí)現(xiàn)這一目的,抗震設(shè)計(jì)規(guī)范以“小震不壞,中震可修,大震不倒”,即三水準(zhǔn)的抗震設(shè)防要求作為建筑抗震設(shè)計(jì)的基本原則。
一般來(lái)說(shuō),建筑抗震設(shè)計(jì)包括三個(gè)方面的內(nèi)容與要求:概念設(shè)計(jì)、抗震計(jì)算與構(gòu)造措施。概念設(shè)計(jì)在整體上把握抗震設(shè)計(jì)的主要原則,減少由于建筑結(jié)構(gòu)自身帶來(lái)地震作用及結(jié)構(gòu)地震反映的復(fù)雜性而造成抗震計(jì)算不準(zhǔn)確;抗震計(jì)算為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供定量依據(jù);構(gòu)造措施則是抗震概念設(shè)計(jì)與抗震計(jì)算的有效保障。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)三個(gè)方面的內(nèi)容是一個(gè)不可分割的整體,忽略其中任何一部分都可能造成抗震設(shè)計(jì)的失效。
建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)的目標(biāo)是使整體結(jié)構(gòu)能發(fā)揮耗散地震能量的作用,從而避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)比較敏感的薄弱部位,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過(guò)早的破壞。假定整個(gè)結(jié)構(gòu)能發(fā)揮耗散地震能量的作用是抗震設(shè)計(jì)方法的前提之一,在此前提下才能以多遇地震作用進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算與構(gòu)造措施。
建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基本原則包括:(1)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性,即結(jié)構(gòu)在地震作用下具有比較明確的傳力途徑,結(jié)構(gòu)的計(jì)算、內(nèi)力及位移分析都易于把握。(2)結(jié)構(gòu)的規(guī)則及均勻性,造型和結(jié)構(gòu)布置比較均勻可以避免剛度、承載能力與傳力途徑的突變,以限制結(jié)構(gòu)在豎向出現(xiàn)敏感的薄弱部位,建筑平面比較規(guī)則可以使建筑物質(zhì)量分布與結(jié)構(gòu)剛度分布協(xié)調(diào),限制質(zhì)量與剛度之間的偏心。(3)結(jié)構(gòu)的剛度與抗震能力,結(jié)構(gòu)布置應(yīng)使結(jié)構(gòu)在兩個(gè)主軸方向具有足夠的剛度和抗震能力、足夠的抗扭剛度和抵抗扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的能力。
二、結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算方法及抗震驗(yàn)算
結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算可分為地震作用計(jì)算和結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算兩部分。進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí),在確定結(jié)構(gòu)方案后,首先應(yīng)計(jì)算地震作用,然后計(jì)算結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的地震作用效應(yīng),最后再將地震作用效應(yīng)與其他荷載效應(yīng)進(jìn)行組合,驗(yàn)算結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的承載力與變形,以滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防要求。
結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算的方法包括:(1)底部剪力法,特點(diǎn)是忽略高振型的影響,假定結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)以基本振型為主,將基本振型簡(jiǎn)化為倒三角形進(jìn)行計(jì)算,但是計(jì)算精度稍差。(2)振型分解反應(yīng)譜法,利用振型分解的原理和反應(yīng)譜理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)最大地震反應(yīng)分析,計(jì)算精度稍高。(3)時(shí)程分析法,選用一定的地震波直接輸入到所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu),然后對(duì)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)微分方程進(jìn)行逐步數(shù)值積分,求得結(jié)構(gòu)在整個(gè)地震時(shí)程范圍內(nèi)的地震反應(yīng),計(jì)算精度高。
為了滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定進(jìn)行下列內(nèi)容的抗震驗(yàn)算:(1)多遇地震下結(jié)構(gòu)允許彈性變形驗(yàn)算,防止非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞,如隔墻、幕墻、建筑裝飾等的破壞。(2)多遇地震下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算,防止結(jié)構(gòu)構(gòu)件因承載力不足而破壞。(3)罕遇地震下結(jié)構(gòu)彈塑性變形驗(yàn)算,以防止結(jié)構(gòu)因過(guò)大變形發(fā)生倒塌。
三、提高結(jié)構(gòu)抗震性能的措施
結(jié)構(gòu)的抗震性能決定于結(jié)構(gòu)的整體性、延性,而結(jié)構(gòu)的整體性和延性與結(jié)構(gòu)布置、結(jié)構(gòu)整體剛度、結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件的延性和強(qiáng)度密切相關(guān)。
結(jié)構(gòu)布置時(shí)宜考慮多道抗震防線,一個(gè)抗震結(jié)構(gòu)應(yīng)由若干延性較好的分體系組成,通過(guò)構(gòu)件的鏈接協(xié)同作用,有意識(shí)地在結(jié)構(gòu)內(nèi)部、外部建立一系列分布的屈服區(qū),使結(jié)構(gòu)在先屈服的部分耗散大量的地震能量,而使最后的“防線”得以保存,便于結(jié)構(gòu)修復(fù)。
結(jié)構(gòu)應(yīng)具有合理的剛度和承載力分布,建筑物的側(cè)移剛度越大,則自振周期越短,地震作用也越大,要求結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有較高的承載力。提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度,往往以提高造價(jià)和降低結(jié)構(gòu)變形能力為代價(jià),因此在確定結(jié)構(gòu)體系時(shí),需要在剛度、承載力之間尋求較好的匹配關(guān)系。
結(jié)構(gòu)應(yīng)采取的構(gòu)造措施,對(duì)于多層砌體結(jié)構(gòu),在構(gòu)造上應(yīng)采取設(shè)置構(gòu)造柱、在砌體內(nèi)配置橫向和豎向鋼筋等措施。對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),應(yīng)通過(guò)混凝土材料、截面尺寸、縱向和橫向的配筋來(lái)避免剪切破壞先于彎曲破壞、混凝土的壓碎先于鋼筋的屈服、鋼筋的錨固黏結(jié)破壞先于構(gòu)件的破壞。
四、基于性能的抗震設(shè)計(jì)
按現(xiàn)行的以保障生命安全為基本目標(biāo)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范所設(shè)計(jì)和建造的建筑物,在地震中雖然可以避免倒塌,但其破壞卻造成了嚴(yán)重的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失,甚至影響到社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。這些破壞和損失遠(yuǎn)超出了設(shè)計(jì)者、建造者和業(yè)主原先的估計(jì)。
為了強(qiáng)化結(jié)構(gòu)抗震的安全目標(biāo)和提高結(jié)構(gòu)抗震的功能要求,提出了基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想和方法。結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計(jì)通常采用的方法為非線性時(shí)程分析法與非線性靜力分析法。非線性時(shí)程分析法從建立在層模型到建立在截面多彈簧模型上的方法,再到當(dāng)前正在研究發(fā)展的建立在截面纖維滯回本構(gòu)關(guān)系的纖維模型法,準(zhǔn)確程度正在不斷提高?;舅悸肥峭ㄟ^(guò)適當(dāng)數(shù)值方法建立和求解動(dòng)力方程,從而得到結(jié)構(gòu)各個(gè)時(shí)刻的反應(yīng)量。非線性靜力分析法,從本質(zhì)上說(shuō)是一種靜力非線性計(jì)算方法,先以某種方法求得結(jié)構(gòu)在地震作用下所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)位移,然后在對(duì)結(jié)構(gòu)施加豎向荷載的同時(shí),將表征地震作用的水平靜力荷載以單調(diào)遞增的形式作用到結(jié)構(gòu)上,在達(dá)到目標(biāo)位移時(shí)停止荷載遞增,最后再對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能評(píng)估,判斷結(jié)構(gòu)是否可滿足在水平地震作用下功能需求。
基于性能的抗震設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的抗震思想相比具有以下特點(diǎn):(1)從著眼于單體抗震設(shè)防轉(zhuǎn)向同時(shí)考慮單體工程和所相關(guān)系統(tǒng)的抗震。(2)將抗震設(shè)計(jì)以保障人民的生命安全為基本目標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)樵诓煌L(fēng)險(xiǎn)水平的地震作用下滿足不同的性能目標(biāo),即將統(tǒng)一的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)改變?yōu)闈M足不同性能要求的更合理的設(shè)防目標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)。(3)設(shè)計(jì)人員可根據(jù)業(yè)主的要求,通過(guò)費(fèi)用—效應(yīng)的工程決策分析確定最優(yōu)的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)方案,以滿足不同業(yè)主、不同建筑物的不同抗震要求。
五、結(jié)束語(yǔ)
我國(guó)在學(xué)習(xí)借鑒世界其他各國(guó)抗震研究成果的基礎(chǔ)上,逐漸形成了自己的一套較為先進(jìn)的抗震設(shè)計(jì)思路。其中大部分內(nèi)容都符合現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)理念,但是也有許多考慮欠妥的地方。我國(guó)的抗震設(shè)計(jì)思路應(yīng)該在完善自身不足的同時(shí),不斷向前發(fā)展。
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