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淺析高層建筑混凝土結構水平側移特性及設計對策

來源: 云南建筑2016年第4期 點擊: 1197 2017-09-27 16:33

摘要:高層建筑混凝土結構水平側移變形控制一直是結構設計中最重要的基礎核心工作,結構樓層層間位移角也是保證混凝土結構安全、適用、經濟的重要評價指標。文章針對高層建筑混凝土結構在風荷載及地震作用下的變形特征作了簡單闡述,并對結構水平側移的構成進行了深入分析。同時,文章還對現行結構規范和規程中與結構水平側移相關的規定條款進行了整理和剖析,并提出了日常結構設計中與結構水平側移相關的設計方法及調整措施。

關鍵詞:結構水平側移  彎曲變形  剪切變形  層間位移角  有害層間位移角



淺析高層建筑混凝土結構水
平側移特性及設計對策

Brief Analysis of Horizontal Lateral Displacement Feature and

Design Strategy of Concrete Structures of Tall Building

李超明,云南中建人文建筑設計研究院有限公司,建筑及規劃設計研究院,結構設計師


1、概述
       近年來,隨著我國房地產行業 的蓬勃發展和城市化進程的不斷推 進,土地資源日趨緊張,為提高土 地利用率,國內大城市甚至許多中小城市的高層建筑混凝土結構呈現出快速發展之勢。
       高層建筑混凝土結構設計往往 由變形而非受力要求所控制,因而國內外現行的規范中均對高層建筑的頂點位移值和位移角限值作出了嚴格限制。高層建筑混凝土結構在水平荷載作用下的側移控制極其重要,主要體現在以下三點:首先,側移過大將容易導致建筑室內裝修、室外幕墻等的裂縫破壞;其次,側移過大意味著結構側移剛度偏小,水平荷載作用下的結構構件內力偏大,風荷載作用下極易產生過大的風振,影響人在建筑物內的正常工作生活,而在地震作用下結構延性差,容易造成災難性破壞;最后,側移過大將會產生較大的重力二階效應,即重力荷載將產生附加傾覆彎矩,加大水平荷載的側移效應,進而造成結構的失穩和破壞。因此,高層建筑混凝土結構在風荷載及地震作用下的變形控制是結構設計中的最重要的基礎核心工作。


 2、高層建筑混凝土結構水平側移特性及構成
 2.1 主體結構水平側移特性
       從宏觀控制分析的角度來看,常規高層建筑混凝土結構可視為一根豎直放置且嵌固于地基上的開孔、帶橫肋的巨型空間構架式的“懸臂梁”。該“懸臂梁”不僅要承受其內部所有重力荷載的作用并保持自身穩定,而且要承受風荷載及地震作用等水平荷載的作用并保持一定的剛度,避免過大的水平位移和振動,保證其內部各種建筑裝飾、幕墻、填充墻、機電設備不受損壞,以提供在其內部活動的人員一個舒適的環境。
       高層建筑混凝土結構的水平變形主要由風荷載和地震作用引起,風荷載和地震作用都是動力荷載,其作用在建筑物上的幅值大小取決于結構自身固有的振動特性和自振周期,同時此幅值也是結構在風荷載及地震作用下的結構振動響應的一種反映。高層建筑混凝土結構所受到的風荷載和水平地震作用沿建筑物的豎向分布一般較接近于倒三角形,因此在分析高層建筑混凝土結構水平側移時所取的側向荷載取相同的倒三角形分布。
       由結構力學知識可知,豎向懸臂梁在倒三角形分布的側向荷載作用下的計算簡圖及其彎曲變形如(圖1) 所示,豎向懸臂梁在倒三角形分布的側向荷載作用下的計算簡圖及其剪切變形如(圖2) 所示。顯然,豎向懸臂梁在同一個倒三角形分布的側向荷載作用下的總側移變形應為彎矩引起的彎曲側移變形和剪力引起的剪切側移變形之和。當豎向懸臂梁細高,懸臂高度與截面高度之比H/h≥6 時,梁截面剪切變形很小,豎向懸臂梁的總的頂點側移近似等于其彎曲側移變形。反之, 當豎向懸臂梁粗矮, H/h≤2時,梁截面剪切變形影響很大,豎向懸臂梁總的側移變形必須計入其中梁的剪切變形的貢獻。
       如前所述,高層建筑混凝土結構作為一根嵌固于地基上的“豎向懸臂梁”,在風荷載作用及水平地震作用下,根據不同的結構體系及高寬比等結構特征,結構水平側移分別呈現出彎曲型變形、剪切型變形或兩者兼有的彎剪型變形特征。常見高層建筑混凝土結構體系框架結構、剪力墻結構及框剪結構在側向力作用下的水平位移曲線的特點 如下:
1) 框架結構抗側剛度較小,其位移由兩部分組成:梁和柱的彎曲變形產生的位移,側移曲線呈剪切型,自下而上層間位移減小;柱的軸向變形產生的側移,側移曲線呈彎曲型,自下而上層間位移增大。第一部分是主要的,第二部分很小可以忽略,所以框架結構在側向力作用下的側移曲線以剪切型為主,故稱為剪切型變形。底部的剪力大剪切變形就大,樓層增高該變形逐漸減小。
2) 剪力墻結構相當于一根下部嵌固的懸臂深梁,抗側剛度較大,剪力墻的剪切變形產生位移,側向位移呈彎曲型,即層間位移由下至上逐漸增大。

3) 框架-剪力墻結構的位移曲線包括剪切型和彎曲型,由于樓板的作用,框架和墻的側向位移必須協調。在結構的底部,框架的側移減小;在結構的上部,剪力墻的側移減小,側移曲線呈彎剪型,層間位移沿建筑物的高度比較均勻,改善了框架結構及剪力墻結構的抗震性能,也有利于減少小震作用下非結構構件的破壞。
       綜上,高層建筑混凝土結構整體彎曲型變形主要是由于結構整體抗彎剛度EI 較小,抗彎能力弱,豎向構件發生軸向變形,從而產生整體彎曲型變形,其變形特征如圖3所示。結構整體剪切型變形主要是由于結構整體剪切剛度GA 較小,抗彎能力弱,豎向和水平構件發生彎曲變形,從而產生整體剪切型變形,其變形特征如圖4 所示。由圖中變形特征可知,彎曲型變形的特點是層間側移上大下小,剪切型變形的特點是層間側移上小下大。從力學上看,最終呈現變形特征主要是由結構壓縮變形和剪切變形所占比重決定,結構種哪種變形相對較多則哪種變形特征相對占主導地位。

 2.2 主體結構豎向構件水平側移構成

       一般高層建筑混凝土結構各層層間位移中同時包含了受力層間位移和非受力層間位移。受力層間位移為外力產生的層間位移,即扣除樓層剛體變形后的位移,該部分位移會引起結構損傷,因此又稱有害層間位移。非受力層間位移是由于下部樓層彎曲轉動引起的上部結構剛體轉動,而剛體位移不產生結構內力,各層的剪力為零,上部各層的層間位移即非受力位移,該部分位移不會引起結構損傷,因此又稱無害層間位移。
       大量的高層建筑混凝土結構計算結果表明,結構的樓層水平側移值沿高度單調增長。但結構豎向構件在樓層處的截面轉角由于與其相連的水平構件中出現剪力對其彎曲變形產生抑制作用,一般不再呈現從下往上到頂單調增長的規律,而是僅在結構底部若干層樓層范圍內從下往上逐漸單調增大,到一定高度后,截面轉角會逐漸有所減小。與此同時,隨著結構樓層增加,樓層處的截面轉角往上不斷累計疊加。一般而言,在截面轉角最大處非受力層間位移也達到最大,它在與受力層間位移共同組成的整個層間位移中所占的比例也是逐漸增大,另外,受力層間位移在整個層間位移中所占的比例則相應有所減小。常見高層建筑混凝土結構形式的層間位移變化規律特點如下:
1) 框架結構在水平荷載作用下樓層處位移隨高度增加逐漸加大,而框架柱在樓層處截面轉角從底部為零逐漸加大,到某一高度后轉角方向維持不變,轉角值逐漸減小。隨著框架結構的梁柱剛度變化,框架柱在樓層處截面轉角最大值位置會相應變動。受力層間位移除底層與層間位移相等外,隨著高度增加,受力層間位移會沿高度逐漸減小,到頂層標高處幾乎接近于零。框架結構變形曲線特征如(圖5) 所示。
2) 剪力墻結構在水平荷載作用下樓層處位移隨高度單調增大,而樓層處截面轉角也是從底部開始單調增大,但在結構下部增長迅速,在結構頂部增長緩慢。與框架結構類似,在結構底層受力層間位移底層與層間位移相等,隨著高度增加逐漸減小,當到頂層標高處層間位移最大時,受力層間位移與層間位移之比幾乎為零。剪力墻結構變形曲線特征如(圖6) 所示。
3) 框架-剪力墻結構在水平荷載作用下樓層處位移隨高度單調增大,而樓層處截面轉角也是從底部開始單調增大,但在結構下部增長迅速,在結構頂部增長緩慢。在結構底層框剪結構柱和墻的受力層間位移底層與層間位移相等,往上即迅速減小,至較上部樓層處墻的受力層間位移甚至出現負值,但在層間位移達到最大值時,柱和墻的受力層間位移所占比例也已很小。框架- 剪力墻結構變形曲線特征如(圖7) 所示。


 3、現行規范對結構水平側移的規定
       各國規范對水平側移限值都提出了規定,主要控制指標有頂點位移、層間位移及層間位移角等。若只限制頂點位移不限制層間位移的做法雖比較實用簡單,但對層剛度很不均勻的高層建筑不適用,對地震區的高層建筑尤不適用。限制層間位移的做法可以防止剛度薄弱層的出現,又在一定程度上概括了對頂點位移的控制,因此控制層間位移的方法比僅控制頂點位移的方法更好。
       層間變形傳統上以層間位移角表示,它反映剪切型結構的受力特征較為合理,但與彎曲型或彎剪型結構的受力特征的相關性較差。有害層間位移角主要用來反映剪力墻等彎曲型結構的受力特征,對整個樓蓋的變形采用了平截面假定。高層或超高層建筑多為彎剪型結構,一方面構件的變形中存在與受力不相關的樓蓋剛性轉動成分,另一方面整個樓蓋的變形不符合平截面假定,即存在樓蓋的豎向翹曲變形。 廣義剪切變形的實質是將層間位移角中剪力墻、框架和連梁區格各自不同的剛性位移(轉動) 部分去除,剩下部分則是受力引起的變形,即是對層間位移角的“去偽存真”。區格的廣義剪切變形中包括彎曲變形和剪切變形。與彈性力學中剪切變形的定義相似。將一個樓層劃分為剪力墻、框架和連梁三類不同的區格后,由于三類區格下樓蓋的轉動各不相同,在相同的層間位移角下不同區格的廣義剪切變形也不相同。同時,因為將空間結構劃 分為平面區格,可用不同位置的實際位移計算廣義剪切變形,則既可以考慮側向位移的影響,也可考慮樓蓋扭轉變形的影響。最大層間位移角一般位于建筑物的中上部位,與受力相關性較差;剪力墻區格的最大廣義剪切變形一般位于建筑物的底部或加強層附近,框架與連梁區格的最大廣義剪切變形一般位于框架梁和連梁內力最大部位,與受力相關性較好。剪力墻區格的最大剪切變形數值遠小于最大層間位移角,當層間位移角限制在1/500 以內時,剪力墻區格的最大廣義剪切變形均小于1/3000。加之超高層結構豎向構件軸壓力遠大于剪力,墻肢不會出現裂縫,層間變形的限值主要由框架和連梁區格的廣義剪切變形允許值控制。
      《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ 3- 2010)(以下簡稱《高規》) 3.7.1 條及條文說明中對水平側移控制指標及控制方法進行了闡述:“迄今,控制層間變形的參數有三種:即層間位移與層高之比(層間位移角);有害層間位移角;區格廣義剪切變形。......考慮到層間位移控制是一個宏觀的側向剛度指標,為便于設計人員在工程設計中的應用,本規程采用了層間最大位移與層高之比△u/h ,即層間位移角θ 作為控制指標。”
       目前我國現行的主要規范或規程中均對彈性狀態下風荷載或多遇地震作用下的混凝土結構層間位移角限值作了詳細規定,列表如表1 所示:
       對于結構高度超過150 m 的高層建筑,整體彎曲變形增長加快,上述各規范或規程中均考慮了其影響,允許扣除整體彎曲變形,從而放松層間位移角限值。另外,對高寬比較大(H/B>6) 的高層建筑,《建筑抗震設計規范》(GB50011- 2010) (以下簡稱《抗規》) 5.5.1 條文說明中也給出了放松條件:“高度超過150 m 或H/B>6的高層建筑,可以扣除結構整體彎曲所產生樓層水平絕對位移值,因為以彎曲變形為主的高層建筑,這部分位移在計算的層間位移中占有相當的比例,加以扣除比較合理。如未扣除,位移角限值可有適當放寬。”


 4、設計對策
       《高規》3.7.3 條明確規定按彈性方法計算的樓層最大層間位移角僅針對風荷載和地震作用標準值作用下結構分析所得的結果。因此風荷載和地震作用標準值的確定是最關鍵的步驟。
       《高規》4.2.2 條規定:“對風荷載比較敏感的高層建筑,承載力設計時應按基本風壓的1.1 倍采用。”因此,計算風荷載作用下結構正常使用狀態層間位移角時仍可按基本風壓采用。《建筑結構荷載規范》(GB 50009- 2012)(以下簡稱《荷規》) 8.4.4 條規定:“對于高度大于30m 且高寬比大于1.5 的房屋,應考慮風壓脈動對結構順風向風振的影響。”根據《荷規》8.5.1條及條文說明, 建筑高度大于150 m 或高寬比大于5 的高層建筑橫風向風振作用效應明顯,宜考慮橫風向風振的影響。根據《荷規》 8.5.4 條及條文說明,建筑高度大于150 m 并且滿足特定條件的高層建筑扭轉風振作用效應明顯,宜考慮扭轉風振的影響。另外,需考慮風荷載不同的作用方向,分別按左右風向(+-) 進行驗算。綜上,驗算最大層間位移角時風荷載標準值的計算應采用基本風壓,按左右風向(+-) 分別驗算,并根據結構自身特征考慮順風向風振、橫風向風振及扭轉風振的影響。
       《抗規》6.2.13 條文說明中規定“計算地震內力時,抗震墻連梁剛度可折減,計算位移時,連梁剛度可不折減。”根據《高規》3.7.3 條的規定,抗震設計時層間位移角計算可不考慮偶然偏心的影響。根據《抗規》3.4.3、3.4.4 條文說明規定,結構樓層位移和層間位移控制值驗算時,應采用CQC 的效應組合,即相鄰振型的相互影響不可忽略,在地震作用標準值計算時應考慮扭轉耦聯振動的影響。雙向地震作用的計算本質是對抗側力構件承載力的一種放大,屬于承載能力計算范疇,不涉及對結構扭轉控制的判斷和對結構抗側剛度大小的判斷,因此層間位移角驗算時所采用的地震作用效應無須考慮雙向地震作用的影響。《全國民用建筑工程設計技術措施:結構(混凝土結構)(2009 年版) 》2.3.2 條也同時指出:“驗算最大彈性位移角限值時可不考慮雙向地震作用下的扭轉影響。”另外,由于地震沿著不同的方向作用,結構地震反應的大小也不盡相同,存在某個角度(最不利地震方向) 使得結構地震反應最大,因此除應在兩個正交方向進行地震作用下層間位移角的驗算外,尚應驗算最不利地震方向作用下層間位移角。綜上,驗算最大層間位移角時水平地震荷載標準值的計算應采用連梁剛度不折減模型,采用CQC效應組合,同時不考慮偶然偏心及雙向地震作用影響,并應取兩個正交方向及最不利地震方向下的最不利。
       處于基本風壓較大及抗震烈度設防地區的高層建筑混凝土結構在計算模型建立及調整過程中,層間位移角指標往往是決定結構抗側力構件布置的關鍵指標,同時也是最難滿足要求的指標。在建筑條件已經確定的情況下,合理地布置結構抗側力構件既能滿足層間位移角等指標,又可以具備較好的經濟性。首先,查找層間位移角的最大樓層的最大位移點進行剛度加強,調整結構布置,或提高混凝土強度,增加布置數量。其次,對剪力墻結構,因剪力墻只能提供面內剛度,剪力墻中一字墻及短肢墻提供剛度較小,應盡量做成筒形或L 形等雙向提供剛度支撐的形狀。考慮扭轉耦聯,針對L 形墻體等增加另一個方向的墻體厚度及增加連接墻體間另一個方向的連梁或梁的寬度及高度,對需調整方向的抗側剛度的貢獻是很可觀的,就像增加工字型截面翼緣的同時增大了截面剛度一樣。最后,加強整體結構外圍剪力墻布置,減小扭轉影響,盡量減小遠離需調整方向對稱軸的,且與該方向相連的另一個方向的剪力墻長度,同時增加建筑物外圍需調整方向的剪力墻厚度,尤其是遠離另一個方向對稱軸的該方向剪力墻效果更佳。“好鋼用在刀刃上”,關鍵部位可盡量增加抗側力構件的布置以滿足抗側剛度需求,同時在一些不必要的地方取消部分抗側力構件布置,看似剛度下降,實則減少了扭轉影響,也會對層間位移角指標產生積極作用。
       對于結構體型極其不規則及對建筑功能有特殊要求的高層建筑混凝土結構,可在結構相應部位設置阻尼器等耗能構件,提供附加阻尼,降低結構的動反應,從而更有效地控制結構側向變形,同時也能最大限度地滿足建筑功能和使用要求。


 5、結論
       高層建筑混凝土結構的水平側移控制重要性不言而喻,需要引起結構設計人員的足夠重視,設計過程中必須將其放在重中之重。結構在水平荷載作用下的彎曲變形對應彎曲破壞,是延性破壞,而剪切變形對應剪切破壞,是脆性破壞,因此高層建筑混凝土結構設計中應盡量避免。高度較高及高寬比較大的高層建筑混凝土結構在水平荷載作用下呈現彎曲型變形特征,在結構上部受力層間位移角(有害層間位移角) 所占比例較少,應允許扣除整體彎曲變形。結構設計中應嚴格按照現行規范要求,對風荷載和地震作用進行合理取值,結合建筑功能有效地布置抗側力構件,形成有效抗側剛度,必要時增加阻尼器等耗能構件,滿足結構安全的同時,
保證建筑美觀實用及工程造價經濟合理。


參考文獻
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