筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中剪重比問(wèn)題探討

1、筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中剪重比問(wèn)題探討【摘 要】本文通過(guò)筆者的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)與總結(jié)，并 結(jié)合相關(guān)規(guī)范對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中剪重比問(wèn)題進(jìn)行 了探討，以供同行參考與借鑒?！娟P(guān)鍵詞】高層建筑；抗震設(shè)計(jì)；剪重比；限值根據(jù)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程 （JGJ3-2O10 （簡(jiǎn) 稱高規(guī)）規(guī)定： 水平地震剪力系數(shù)剪重比等于樓層地震作 用與重力荷載代表值的比值，是抗震設(shè)計(jì)的重要控制指標(biāo)之 一。出于對(duì)結(jié)構(gòu)安全的考慮，高規(guī)提出不同抗震設(shè)防烈度下 樓層剪重比的限值，當(dāng)計(jì)算結(jié)構(gòu)水平地震作用效應(yīng)的剪重比 小于規(guī)范規(guī)定的限值時(shí)，須對(duì)樓層設(shè)計(jì)用的地震剪力進(jìn)行相 應(yīng)的調(diào)整。規(guī)范以規(guī)定剪重比限值的方式來(lái)控制基底和樓層 最小地震剪力的做

2、法對(duì)保證結(jié)構(gòu)的抗震安全性是有一定作 用的，但對(duì)剪重比限值的合理性以及實(shí)際設(shè)計(jì)中怎樣合理地 調(diào)整剪重比以滿足規(guī)范限值的要求，還存在不同的看法，下 面結(jié)合筆者的工作實(shí)踐，對(duì)此問(wèn)題提出相應(yīng)的建議。1 場(chǎng)地類別對(duì)剪重比限值的影響如上所述，高規(guī)中剪重比限值的水準(zhǔn)對(duì)應(yīng)于類場(chǎng)地的 地震作用，那么其他場(chǎng)地類別的限值是否需要調(diào)整呢？ 試 作如下分析。高規(guī)反應(yīng)譜地震影響系數(shù) a值在周期T> 5Tg (Tg為場(chǎng) 地特征周期)的下降段由下式確定：( 1)式中：a max為地震影響系數(shù)最大值；丫為衰減系數(shù)，阻尼比取0. 05時(shí)，丫 =0. 9； n 1為直線下降段的下降斜率調(diào) 整系數(shù)；n 2為阻尼調(diào)整系數(shù)。高規(guī)

3、條對(duì) n 1，n 2 的取值有相應(yīng)規(guī)定，代入式( 1 )后可得：( 2)式(2)表明a值與場(chǎng)地特征周期 Tg (即場(chǎng)地類別)有 關(guān)，且其影響是不可忽略的。 表 1 為不同場(chǎng)地類別在 T=3.5， 5.0s 時(shí)的地震影響系數(shù)值，中間為線性變化。表 1 不同場(chǎng)地類別和烈度的 a 值如第 1 節(jié)所述，規(guī)范規(guī)定的地震作用下高層建筑基底剪 力限值在周期T=3.5s時(shí)，即相當(dāng)于類場(chǎng)地、同周期T、同總質(zhì)量M時(shí)對(duì)應(yīng)單質(zhì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的基底剪力，那么基底剪重比 入限值應(yīng)反映出不同場(chǎng)地類別的影響，得：( 3)式中： T =3.5s時(shí)，E =1.0; T=5.0s 時(shí)，E =0.88;中間 為線性變化。得到不同場(chǎng)地類別時(shí)的

4、剪重比限值如表 2所示，表中是根據(jù)對(duì)規(guī)范規(guī)定對(duì)應(yīng)于口類場(chǎng)地的認(rèn)識(shí)推導(dǎo)至其他場(chǎng)地類 別所得到的結(jié)果，是否妥當(dāng)，尚需進(jìn)一步研究和討論。表 2 不同場(chǎng)地類別和烈度的剪重比限值2 對(duì) T>5.0s 時(shí)剪重比限值的考慮 高規(guī)規(guī)定結(jié)構(gòu)基本平動(dòng)周期 T>5.0s 時(shí)，剪重比限值取 T=5.0s 時(shí)的值，但實(shí)際上結(jié)構(gòu)周期較長(zhǎng)時(shí)，大量地震記錄天 然波的分析表明，基底剪力明顯比規(guī)范值小，因此宜進(jìn)一步 進(jìn)行研究，將剪重比限值適當(dāng)降低。3 使剪重比滿足規(guī)范限值的方法 對(duì)于實(shí)際工程中遇到的超高層結(jié)構(gòu)底部樓層剪重比小 于規(guī)范限值的情況，有以下解決辦法：（ 1）通過(guò)放大樓層地震剪力（不傳遞） ，使各樓層的剪 重

5、比滿足高規(guī)規(guī)定限值的要求，客觀上既滿足了高規(guī)的要求， 實(shí)際上又增大了樓層抗剪承載力的安全性。（2）適當(dāng)在高規(guī)規(guī)定范圍內(nèi)取周期折減系數(shù)的較小值，提高判別值B，使之滿足規(guī)范剪重比限值的要求，如乘以周 期折減系數(shù)后仍不能滿足高規(guī)要求時(shí)，可采用方法（1）補(bǔ)充進(jìn)行。4 工程實(shí)例分析 本工程為超限高層，采用框筒結(jié)構(gòu)，共 55 層，高度為258m，抗震設(shè)防烈度為7度，場(chǎng)地類別為類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。結(jié)構(gòu)基本周期為 5.80s,結(jié)構(gòu)總重量為16750440kN，計(jì)算取15個(gè)振型，其有效質(zhì)量系數(shù)為 96%,水平地震影響系數(shù)a = 0.0123，規(guī)范規(guī)定的剪重比限值入=1.20%。在不考慮周期折減時(shí)， X 方

6、向的基底剪力為 15623kN， 以 X 方向振動(dòng)為主的第 1 振型對(duì)應(yīng)的基底剪力為 14150kN， 第 1 振型的剪力比為 90.56%，相應(yīng)的第 1 振型參與質(zhì)量比為 68.54%。代入式 （B為結(jié)構(gòu)的第1振型參與質(zhì)量比與第 1 振型基底剪力與總剪力之比的比值），得B =75. 68%, E = 97.56%, B < E ,即結(jié)構(gòu)不滿足規(guī)范剪重比限值的要求。計(jì) 算得X方向115層的剪重比為0.93%1.18%，這些樓層 均 不滿足規(guī)范剪重比限值的要求。由式（16）求得 結(jié)構(gòu)底層剪重比為 0.93%,與計(jì)算所得結(jié)果一致。為解決剪重比 不滿足規(guī)范限值的問(wèn)題,需要對(duì) 結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。（1

7、）采用增大結(jié)構(gòu)剛度的方法對(duì)剪力墻做如下調(diào)整： 將 厚 400mm 的墻加厚至 600mm； 將厚 250, 200mm 的墻加 厚至300mm。在不考慮周期折減時(shí)，將結(jié)構(gòu)基本周期由 5.80s 減小為 5.63s,結(jié)構(gòu)的總重量增大為 1702182kN，水平地震 影響系數(shù) a（T） =0.0122,有效質(zhì)量系數(shù)為 96%,第 1 振型 的剪力比為 90.49%,第 1 振型參與質(zhì)量比為 68.87% ,高規(guī) 規(guī)定的剪重比限值 入=1.20%。將以上數(shù)值代入 ，得B = 76.11% （比原結(jié)構(gòu)的B = 75.68%增加很少），E = 97. 56%, 3 < E , 結(jié)構(gòu)還是不滿足規(guī)范剪

8、重比限值的要求。計(jì)算得到X方向115層的剪重比為 0.95%1.19%,這些樓層仍不滿足規(guī)范剪重比限值的要求。可見(jiàn)，加厚剪力墻的改進(jìn)效果很有限，同時(shí)，由B的表達(dá)式的性質(zhì)可知， 欲通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度或重量使結(jié)構(gòu)滿足高規(guī)剪重比限值的要求是十分困難的。（2）采用周期折減的方法： 考慮周期折減系數(shù)為 0. 85， 計(jì)算得X方向17層的剪重比為1.09%1. 19%,這些樓 層不滿足規(guī)范剪重比限值的要求。再考慮周期折減系數(shù)為 0. 8,計(jì)算得X方向14層的剪重比為1.10%1.18%,仍有4 個(gè)樓層的剪重比不滿足規(guī)范剪重比限值的要求，但已有明顯 的改善,此時(shí)再對(duì)不滿足規(guī)范剪重比限值要求的樓層采取放 大層剪力的方法解決。5 結(jié)論 綜上所述,高規(guī)的規(guī)定剪重比限值是為了保證樓層剪力 不小于一定限值,從而提高結(jié)構(gòu)安全度。但超高層建筑結(jié)構(gòu) 底部樓層剪重比不滿足規(guī)范限值要求在I,H類場(chǎng)地中是經(jīng) 常發(fā)生的,規(guī)范對(duì)剪重比限值的規(guī)定未考慮場(chǎng)地類別的影響 是不妥的。因此,我們可以通過(guò)乘以周期折減系數(shù),增大樓 層地震剪力,進(jìn)行周期折減后仍不