【超限高層建筑在設(shè)防烈度地震作用下墻肢拉應(yīng)力應(yīng)對(duì)方案的探究（論文）4400字】

超限高層建筑在設(shè)防烈度地震作用下墻肢拉應(yīng)力應(yīng)對(duì)方案的研究目錄TOC\o"1-2"\h\u23577超限高層建筑在設(shè)防烈度地震作用下墻肢拉應(yīng)力應(yīng)對(duì)方案的研究 1323051工程概況 2216972項(xiàng)目地震作用下豎向構(gòu)件拉應(yīng)力概述 2260382.1高層建筑受力分析 2213351.2項(xiàng)目設(shè)防烈度必要性 3198722超限高層建筑在設(shè)防烈度地震作用下的墻肢拉應(yīng)力計(jì)算方法 3193013超限高層建筑在設(shè)防烈度地震作用下的墻肢拉應(yīng)力具體應(yīng)對(duì)方案 4280343.1偏心受拉墻肢含鋼率的計(jì)算 5140163.2偏心受拉墻肢的構(gòu)造措施 5146433.3偏心受拉墻肢配置型鋼方式 642273.4偏心受拉墻肢的柱腳設(shè)計(jì) 7171574結(jié)論與建議 817629參考文獻(xiàn) 8鐘鑫堅(jiān)摘要：超限高層建筑的出現(xiàn)極大的節(jié)約了土地，但超限高層建筑單體總建造費(fèi)用耗費(fèi)較大，為提高建筑能效，不僅需要建筑結(jié)構(gòu)本身優(yōu)化，于此同時(shí)還需要考慮超限高層建筑底部部分豎向構(gòu)件偏心受拉的問題，尤其是地震高發(fā)地段，地震所產(chǎn)生的拉應(yīng)力會(huì)對(duì)建筑造成不可以逆的永久性破壞。本文基于此背景下以成都市成華區(qū)工程項(xiàng)目為例來進(jìn)行超限高層建筑在設(shè)防烈度地震作用下墻肢拉應(yīng)力應(yīng)對(duì)方案的研究。關(guān)鍵詞：墻肢拉應(yīng)力、超限高層建筑、設(shè)防烈度地震作用1工程概況本文的研究對(duì)象為成都市成華區(qū)工程項(xiàng)目（一期）11#樓。工程用地呈不規(guī)則的矩形，西側(cè)較寬，東西長約400米，南北長約270米，凈用地面積：66458.23平方米。項(xiàng)目總建筑面積376705.57平方米，建筑主要由8棟37~40層不等的高層住宅樓、一棟44層超高層辦公樓與六棟多層的商業(yè)樓組成。其中11號(hào)樓建筑高度為139.850米，為超高層建筑。地上44層，帶兩層商業(yè)裙房，一層層高4.3米，二層5.9米，三~十四層為3.30米，十五層及以上均為3.0m；地下2層地下室，地下一層層高5.0m，地下二層層高3.70m。為B級(jí)高度的高層建筑。平面成規(guī)則矩形，底部為81.05x24.85m，標(biāo)準(zhǔn)層尺寸為70.35x17.20m。塔樓長寬比為4.1，高寬比為8.13。2項(xiàng)目地震作用下豎向構(gòu)件拉應(yīng)力概述2.1高層建筑受力分析高層建筑受力情況可以近似為懸臂構(gòu)件，懸臂構(gòu)件在不同外力作用下地基的受力情況如圖1，其中：（a）圖表示該懸臂構(gòu)件只考慮重力荷載的受力情況，此時(shí)地基均勻受壓；（b）)圖表示不考慮懸臂構(gòu)件自重但同時(shí)受到水平力的情況，此時(shí)在水平力作用方向，地基由受拉逐漸過渡到受壓；（c）圖表示的是考慮自重，同時(shí)在懸臂構(gòu)件頂部作用有水平力的情況，由圖可知此時(shí)地基任然在水平力作用方向上由受拉逐漸過渡到受壓，而由于重力荷載的作用，受拉區(qū)域的受力作用有所減弱，受壓區(qū)域的壓力作用有所增強(qiáng)。圖1懸臂構(gòu)件外力作用下地基反力圖1.2項(xiàng)目設(shè)防烈度必要性本工程在設(shè)防烈度地震計(jì)算中出現(xiàn)多片剪力墻出現(xiàn)偏心受拉，且部分拉應(yīng)力已經(jīng)超過2倍混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，承擔(dān)拉應(yīng)力的型鋼含鋼率超過了2.5％，而《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)（2010）》中規(guī)定全截面型鋼和鋼板的含鋼率超過2.5％時(shí)可按比例適當(dāng)放松，但并未給出具體的型鋼含鋼率設(shè)置要求。本章將依據(jù)國家相關(guān)規(guī)定，結(jié)合工程實(shí)例，給出了墻肢內(nèi)型鋼含鋼率的計(jì)算方法與實(shí)際工程中剪力墻加設(shè)型鋼的具體方法[1]。2超限高層建筑在設(shè)防烈度地震作用下的墻肢拉應(yīng)力計(jì)算方法2.1拉應(yīng)力及抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值倍數(shù)計(jì)算根據(jù)超限審查的要求，中震時(shí)墻肢的拉應(yīng)力采用中震不屈服的計(jì)算結(jié)果。結(jié)合中震不屈服計(jì)算，可以得出每片墻肢由地震作用產(chǎn)生的軸向力（拉力為正，壓力為負(fù)）及恒載和活載作用下的壓力，從而根據(jù)如下關(guān)系得出墻肢軸向平均拉應(yīng)力以及該拉力與混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的倍數(shù)：計(jì)算時(shí)需考慮地震沿相反方向的作用分別計(jì)算并取最不利的比值。墻肢平均不屈服拉應(yīng)力不應(yīng)超過的要求轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力倍數(shù)應(yīng)不大于2.0，同時(shí)當(dāng)該倍數(shù)大于1時(shí)宜設(shè)置型鋼承擔(dān)拉力。以上要求在低烈度地區(qū)和結(jié)構(gòu)高度較小時(shí)不成問題，但在設(shè)防烈度較高、高度較大或場(chǎng)地條件不利等因素引起的地震作用較大時(shí)，結(jié)構(gòu)底部剪力墻的不屈服平均拉應(yīng)力超過的現(xiàn)象則不易避免。2.2抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)值關(guān)系圖2為各種型號(hào)的混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的關(guān)系，其平均關(guān)系為，因此則表示所以，按照《高規(guī)》的規(guī)定，在多遇地震作用下，當(dāng)墻肢全截面由軸向力產(chǎn)生的平均拉應(yīng)力超過2.86倍混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)即時(shí)，剪力墻中的混凝土喪失抗剪承載能力。圖2混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)值的關(guān)系根據(jù)超限專家的意見，在中震作用下，墻肢平均不屈服拉應(yīng)力不應(yīng)超過，以保證剪力墻的抗剪能力滿足中震的性能要求。不屈服計(jì)算時(shí)沒有考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)，認(rèn)為荷載分項(xiàng)系數(shù)均為1.0。如果取地震作用的分項(xiàng)系數(shù)1.4，則墻肢平均不屈服拉應(yīng)力不應(yīng)超過大體相當(dāng)于墻肢平均彈性拉應(yīng)力不超過，與《高規(guī)》的規(guī)定大體相當(dāng)。所以，墻肢平均不屈服拉應(yīng)力不應(yīng)超過的要求保證了中震下剪力墻的抗剪彈性的性能目標(biāo)，與《高規(guī)》多遇地震時(shí)的規(guī)定大體一致。但是，《高規(guī)》只是規(guī)定當(dāng)平均拉應(yīng)力超過時(shí)，剪力墻中的混凝土喪失抗剪承載能力，并不是一個(gè)必須滿足的條件。所以，超限專家提出的墻肢平均不屈服拉應(yīng)力不應(yīng)超過的要求較《高規(guī)》的規(guī)定顯得偏高。同時(shí)，如果超限結(jié)構(gòu)的中震性能指標(biāo)低于彈性性能要求，比如對(duì)于抗剪不屈服的性能目標(biāo)，則墻肢平均不屈服拉應(yīng)力不應(yīng)超過的要求過于嚴(yán)格。為超限高層的設(shè)計(jì)帶來了更大的難度。3超限高層建筑在設(shè)防烈度地震作用下的墻肢拉應(yīng)力具體應(yīng)對(duì)方案本文在設(shè)防烈度地震不屈服整體計(jì)算中多片剪力墻出現(xiàn)偏心受拉，對(duì)出現(xiàn)偏心受拉的剪力墻且拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)該增設(shè)型鋼來承擔(dān)拉應(yīng)力，防止剪力墻在地震力作用下受拉破壞，由于型鋼的含鋼率過小無法抵抗墻肢的拉應(yīng)力，含鋼率過大又會(huì)造成不必要的浪費(fèi)，所以型鋼的含鋼率應(yīng)該配置在一個(gè)合理的區(qū)間；此外為保證型鋼的有效與型鋼的穩(wěn)定性，在具體配置型鋼時(shí)采用型鋼加栓釘?shù)男问?，由于?gòu)造箍筋的構(gòu)造要求，部分箍筋不可避免的會(huì)穿過型鋼，為減小開洞對(duì)型鋼造成的影響，本工程采用箍筋間隔多倍箍筋間距穿過鋼骨腹板的形式；柱腳型鋼采用錨栓固定[2]。3.1偏心受拉墻肢含鋼率的計(jì)算本工程底部加強(qiáng)區(qū)豎向構(gòu)件采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C70，混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=2.99N/mm2，混凝土彈性模量Ec=3.70×104N/mm2，型鋼采用Q235鋼，鋼材彈性模量Ea=2.06×105N/mm2（采用Q235B鋼材型鋼，不存在無效含鋼區(qū)），混凝土與鋼材的彈性模量比n=Ea/Ec=5.57，故Pa≥0.1094×（K1-2）。A.墻肢Q1，NK的計(jì)算結(jié)果7903.5kN，剪力墻砼面積Ac為1225000mm2，不考慮型鋼作用時(shí)，由前式（5-8）計(jì)算得K1=2.16，則，含鋼率Pa=1.75%，由于Q1的拉應(yīng)力與混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值比值為2.16>2，所以含鋼率Pa不應(yīng)小于3%，取應(yīng)配含鋼率Pa=3%。B.墻肢Q9，NK的計(jì)算結(jié)果16080kN,剪力墻砼面積Ac為2275000mm2，不考慮型鋼作用時(shí)，由前式（5-8）計(jì)算得K1=2.36，則，含鋼率Pa=3.94%，由于墻肢含鋼率>3%，所以取應(yīng)配含鋼率Pa=4%。C.墻肢Q10，NK的計(jì)算結(jié)果14770.5kN,剪力墻砼面積Ac為2170000mm2，不考慮型鋼作用時(shí)，由前式（5-8）計(jì)算得K1=2.28，則，含鋼率Pa=3.06%>3%，由于墻肢含鋼率>3%，所以取應(yīng)配含鋼率Pa=3.5%。D.其他拉應(yīng)力與混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值比值大于1%且不大于2%的墻肢均按2.5%含鋼率設(shè)置型鋼。通過對(duì)本工程拉應(yīng)力大于2倍混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的墻肢含鋼率的計(jì)算，當(dāng)墻肢Q1取應(yīng)配含鋼率Pa=3%；當(dāng)墻肢Q9取應(yīng)配含鋼率Pa=4%；當(dāng)墻肢Q10取應(yīng)配含鋼率Pa=3.5%；其它拉應(yīng)力與混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值比值大于1%且不大于2%的墻肢均取應(yīng)配含鋼率Pa=2.5%時(shí)，型鋼能抵抗大部分拉力以保證混凝土不受過大拉應(yīng)力造成開裂等實(shí)質(zhì)時(shí)破壞，不影響建筑物的安全和正常使用壽命。3.2偏心受拉墻肢的構(gòu)造措施本工程高度超過A級(jí)高度限值，屬于B級(jí)高度超限高層建筑，屬于超限高層建筑，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，特征周期為0.45s；按《技術(shù)要點(diǎn)》第四章第十二條第四款的要求設(shè)防烈度地震計(jì)算中出現(xiàn)小偏心受拉的結(jié)構(gòu)構(gòu)件需采用《高規(guī)》中規(guī)定的特一級(jí)構(gòu)造，本工程中設(shè)置了型鋼的剪力墻的均按特一級(jí)構(gòu)造配筋，根據(jù)規(guī)范《高規(guī)》、《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ138-2016[2]可知剪力墻配筋應(yīng)滿足表1，表2要求。表1剪力墻墻肢配筋率要求墻肢豎向分布筋配筋率水平分布筋配筋率底部加強(qiáng)區(qū)（基頂~6F板面）0.6%（規(guī)范要求0.4%）0.5%（規(guī)范要求0.4%）第一層過渡層（6F~7F板面）0.6%0.5%第二、三層過渡層（7F~9F板面）0.45%0.45%一般部位0.35%0.35%表2剪力墻暗柱配筋率要求縱筋配筋率配箍特征值λ約束邊緣構(gòu)件（基頂~7F板面）1.5%0.24過渡層暗柱（7F~9F板面）1.4%構(gòu)造邊緣構(gòu)件1.2%本文在剪力墻設(shè)計(jì)中按照特一級(jí)構(gòu)造的要求設(shè)置構(gòu)造鋼筋，剪力墻墻肢分布鋼筋和剪力墻暗柱縱向配筋均大于等于表1，表2與計(jì)算結(jié)果，滿足規(guī)范要求，能保證建筑結(jié)構(gòu)的安全和正常使用。3.3偏心受拉墻肢配置型鋼方式3.3.1混凝土體積墻肢內(nèi)抗拉型鋼設(shè)置于設(shè)防烈度地震計(jì)算中有拉應(yīng)力墻肢的暗柱內(nèi)，于有拉應(yīng)的計(jì)算層全層高設(shè)置，本工程型鋼設(shè)置高度為基頂-23.350m，以Q1內(nèi)部的YBZ為例，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，Q1內(nèi)設(shè)置的型鋼含鋼率應(yīng)取3%，YBZ的混凝土體積為Ac=1760000mm2，詳下圖3；為滿足3%的含鋼率要求，暗柱內(nèi)設(shè)置兩個(gè)H500×200×32×32的工字鋼，其體積為Aa=53504mm2，其暗柱含鋼率為53504/1760000=3.04%，滿足設(shè)計(jì)要求。3.3.2墻肢內(nèi)暗柱構(gòu)造箍筋設(shè)置根據(jù)規(guī)范《高規(guī)》中特一級(jí)墻肢的構(gòu)造要求，墻肢內(nèi)暗柱構(gòu)造箍筋豎向設(shè)置的最小間距為100mm，而工字鋼的腹板長度達(dá)了500mm，為滿足規(guī)范對(duì)箍筋設(shè)置的構(gòu)造要求，部分箍筋不可避免的會(huì)穿過型鋼，因此會(huì)在型鋼腹板上開洞以便箍筋完整設(shè)置，而開洞會(huì)對(duì)型鋼的抗拉能力和穩(wěn)定性造成一定的負(fù)面影響，為減小開洞對(duì)型鋼造成的影響，本工程參考采用《大長寬比鋼骨混凝土短柱關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用》（四川省建筑設(shè)計(jì)研究院2016年3月）中所驗(yàn)證過的“栓釘+箍筋間隔多倍箍筋間距穿過鋼骨腹板”的形式設(shè)計(jì)暗柱，箍筋設(shè)置時(shí)盡量避免了穿過鋼，仍以Q1內(nèi)YBZ為例，箍筋與工字鋼的設(shè)置詳下圖3，暗柱內(nèi)有5處箍筋部分穿過型鋼，穿過型鋼的箍筋沿豎向間隔多倍間距設(shè)置，具體為每三根箍筋，則取一根穿過型鋼腹板，第一根穿孔位置位于基頂標(biāo)高+50mm；1處箍筋第根均穿過型鋼型鋼；型鋼四周設(shè)置栓釘增強(qiáng)穩(wěn)定性，此形式能保證型鋼和箍筋的完整性，確保型鋼和箍筋的抗震能力不受影響。圖3YBZ內(nèi)箍筋與工字鋼的設(shè)置詳圖3.4偏心受拉墻肢的柱腳設(shè)計(jì)本工程基礎(chǔ)采用筏板基礎(chǔ)，筏板厚度為2m，型鋼柱埋至基礎(chǔ)底，型鋼柱埋深為2m滿足以上計(jì)算結(jié)果。本工程的型鋼混凝土偏心受拉柱采用埋入式柱腳，型鋼柱埋至基礎(chǔ)底，采用4顆公稱直徑d=33mm的錨栓，配三帽兩墊錨栓，滿足《組合規(guī)》第6.5.2，6.5.4，6.5.7條要求，結(jié)構(gòu)安全可靠。圖4型鋼GZ1柱腳錨栓大樣圖4結(jié)論與建議本文對(duì)設(shè)防烈度地震不屈服分析中出現(xiàn)的小偏心受拉剪力墻提出具體的應(yīng)對(duì)方案，以保證該結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能。參考《設(shè)防烈度地震作用下超高層結(jié)構(gòu)核心筒墻肢拉應(yīng)力分析與設(shè)計(jì)》馬凱所著文章，對(duì)拉應(yīng)力超過2倍的混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的偏心受拉墻肢的含鋼率進(jìn)行了計(jì)算,根據(jù)計(jì)算結(jié)果墻肢Q1取應(yīng)配含鋼率Pa=3%；當(dāng)墻肢Q9取應(yīng)配含鋼率Pa=4%；當(dāng)墻肢Q10取應(yīng)配含鋼率Pa=3.5%；其它拉應(yīng)力與混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值比值大于1%且不大于2%的墻肢均取應(yīng)配含鋼率Pa=2.5%時(shí)，型鋼能抵抗大部分拉力以保證混凝土