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摘要：側(cè)向剛度控制是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要工作，本文結(jié)合實(shí)際工程，介紹了如何把握結(jié)構(gòu)的整體和局部合理剛度，及按規(guī)范選取正確的側(cè)向剛度計(jì)算方法。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，側(cè)向剛度是一個(gè)十分重要的參數(shù)。...

側(cè)向剛度控制及在常見(jiàn)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

馮宏團(tuán) 蘇渙珉

  陜西省建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司

一、概述

    在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，側(cè)向剛度是一個(gè)十分重要的參數(shù)。從概念角度講，在水平力作用下，側(cè)向剛度宜下大上小，均勻變化，避免突變；在具體設(shè)計(jì)計(jì)算中，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》）及《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（簡(jiǎn)稱《高規(guī)》）等規(guī)范均對(duì)側(cè)向剛度比限值提出具體要求；歷次震害也表明，具有不符合概念設(shè)計(jì)的、偏離規(guī)范要求的樓層剛度比的建筑，往往在高烈度地震中出現(xiàn)較大破壞。所以，在設(shè)計(jì)中正確布置結(jié)構(gòu)樓層剛度、控制剛度比是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一項(xiàng)非常重要的工作。  

二、常用的側(cè)向剛度比計(jì)算方法

    現(xiàn)行規(guī)范中提出的常用剛度比計(jì)算方法有如下幾種：

表 1

等效側(cè)向剛度法
考慮層高修正的樓層側(cè)向剛度比
等效剪切剛度比
等效側(cè)向剛度比

     2.1、框架結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比控制

    框架結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下變形屬剪切形變形，框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度較小。《高規(guī)》3.5.2條指出框架結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比按γ1計(jì)算，要求本層與相鄰上層的比值不宜小于0.7，與相鄰上部三層剛度平均值不宜小于0.8。《高規(guī)》5.3.7條及條文解釋指出當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)嵌固部位時(shí)，地下一層與首層側(cè)向剛度比γ3不宜小于2。

    工程案例：某框架結(jié)構(gòu)9層，一層層高4.5，其余層高3.5米，總高32.5米，一層地下室，地下室頂板為嵌固端。抗震設(shè)防烈度7度(0.15g)，丙類(lèi)設(shè)防類(lèi)別，設(shè)計(jì)分組為第一組，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，標(biāo)準(zhǔn)層平面圖如圖1。

    用SATWE進(jìn)行計(jì)算，以Y向計(jì)算結(jié)果來(lái)分析側(cè)向剛度，如表2。

圖 1

嵌固端剛度比要求	地下室剪切剛度1.22E+07(kN/m)	=5.5＞2 符合規(guī)范要求
	1層剪切剛度2.23E+06(kN/m)
側(cè)向剛度規(guī)則性判斷（以1層為例）	1層γ1 =      3.44 E+05(kN/m)	=0.9＞0.7 3.44x3/(3.81+3.66+3.53) =0.93＞0.8 符合規(guī)范要求
	2層3層4層γ1 分別為      3.81、3.66、3.53 E+05(kN/m)

表 2

    計(jì)算結(jié)果表明本工程符合嵌固端對(duì)剛度比要求。側(cè)向剛度屬規(guī)則，未出現(xiàn)薄弱層。值得一提的是，框架結(jié)構(gòu)地下室外墻為混凝土墻時(shí)，一般很容易滿足規(guī)范按等效剪切剛度比公式計(jì)算結(jié)果不小于2的要求。

    2.2、剪力墻及框剪結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比控制

    剪力墻和框剪結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度相比框架要大很多，側(cè)向剛度對(duì)高度沒(méi)有框架敏感。《抗規(guī)》對(duì)這兩類(lèi)結(jié)構(gòu)的限值要求和框架結(jié)構(gòu)相同，《高規(guī)》比《抗規(guī)》有所不同。《高規(guī)》3.5.2條指出這兩類(lèi)結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比按γ2計(jì)算，要求本層與相鄰上層的比值不宜小于0.9；當(dāng)本層層高大于相鄰上層層高的1.5倍時(shí)，γ2不宜小于1.1；底部為嵌固端的樓層與相鄰上層γ2不宜小于1.5。按《高規(guī)》5.3.7條及條文解釋結(jié)構(gòu)嵌固部位上下層側(cè)向剛度比的要求與框架相同，γ3不宜小于2。

    工程案例：某剪力墻結(jié)構(gòu)26層，一層層高5.5米，二層層高3.9米，其余層高3.0米，一層地下室，地下室頂板為嵌固端。抗震設(shè)防烈度7度(0.10g)，丙類(lèi)設(shè)防類(lèi)別，設(shè)計(jì)分組為第一組，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，標(biāo)準(zhǔn)層平面圖如圖2。

    由SATWE進(jìn)行計(jì)算，以Y向計(jì)算結(jié)果來(lái)分析側(cè)向剛度，如表3

圖 2

表 3

嵌固端剛度比要求	地下室剪切剛度5.66E+07(kN/m)	=2.1＞2  符合規(guī)范要求
	1層剪切剛度2.73E+07(kN/m)
側(cè)向剛度規(guī)則性判斷以1~3層為例，按《高規(guī)》方法	1層γ2	γ2=2.75＞1.5  符合規(guī)范
	2層γ2	γ2=1.48＞0.9  符合規(guī)范
	3層γ2	γ2=1.43＞0.9  符合規(guī)范

    SATWE計(jì)算結(jié)果表明本工程符合嵌固端對(duì)剛度比要求。側(cè)向剛度屬規(guī)則，未出現(xiàn)薄弱層。需要說(shuō)明的是，目前高層SATWE計(jì)算結(jié)果是按《高規(guī)》與《抗規(guī)》共同控制，判定規(guī)則性。即分別按表2（按γ1計(jì)算側(cè)向剛度）和表3中的方法計(jì)算側(cè)向剛度，有一項(xiàng)不滿足即判定為側(cè)向剛度不規(guī)則。

    2.3、框支剪力墻結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比控制

    框支剪力墻結(jié)構(gòu)傳力不直接，結(jié)構(gòu)豎向剛度變化很大，地震下容易形成薄弱層，因此規(guī)范對(duì)這類(lèi)結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比要求十分嚴(yán)格。《高規(guī)》E.0.1條指出轉(zhuǎn)換層為1~2層時(shí)，轉(zhuǎn)換層上下層剛度比γ3不應(yīng)小于0.5，轉(zhuǎn)換層為2層以上時(shí)，轉(zhuǎn)換層上下層剛度比γ1按不應(yīng)小于0.6，同時(shí)γ4宜接近1，不應(yīng)小于0.8。

    工程案例：某框支剪力墻結(jié)構(gòu)18層，轉(zhuǎn)換層位于三層，一層地下室，地下室頂板為嵌固端。抗震設(shè)防烈度7度(0.10g)，丙類(lèi)設(shè)防類(lèi)別，設(shè)計(jì)分組為第一組，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，轉(zhuǎn)換層平面圖如圖3。

    用SATWE進(jìn)行計(jì)算，以X向計(jì)算結(jié)果來(lái)分析側(cè)向剛度，如表4

圖 3

表 4

嵌固端剛度比要求	地下室剪切剛度9.92E+07(kN/m)	=2.2＞2  符合規(guī)范要求
	1層剪切剛度4.61E+07(kN/m)
轉(zhuǎn)換層剛度比控制	3層γ1	γ1=3.21/2.92=1.1＞0.6  符合規(guī)范
	SATWE顯示高位γ4	γ4=1.13/0.72=1.66＞0.8 符合規(guī)范

    SATWE計(jì)算結(jié)果表明本工程符合嵌固端對(duì)剛度比要求。轉(zhuǎn)換層剛度比要求符合規(guī)范要求。

三、小結(jié)

    （1）在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，控制好結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比十分重要，側(cè)向剛度宜下大上小，均勻變化，避免突變。

    （2）結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比有多種算法，不同結(jié)構(gòu)形式及具體部位應(yīng)按規(guī)范選擇合適的計(jì)算方法。

    （3）除計(jì)算外，尚應(yīng)注意建筑圍護(hù)墻和隔墻對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比的影響，采取合理的構(gòu)造措施，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的側(cè)向剛度控制符合實(shí)際受力情況。

參考文獻(xiàn)

    【1】高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ3－2010)【M】.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社

    【2】建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50011－2010)【M】.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社

    【3】建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)用與分析【M】. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社

(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)      文徑網(wǎng)絡(luò)：呂琳琳  尹維維 編輯    劉真 文徑 審核)

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