多层钢筋混凝土框架结构抗震设计的自振周期折减系数探讨.pdf

第 3 1 卷第 9期 2 0 0 4年 9月 建筑技术开发 B u i l d i n g T e c h n i q u e D e v e l o p me n t Vo 1 3 1 N o 9 S e p 2 0 0 4 多层 钢 筋 混凝 土框 架 结构抗 震设 计 的 自振 周期 折减 系数 探 讨 杨正海 1 昆明理 工大学设 计研 究院 昆明 6 5 0 0 5 1 何 玲 2 昆明理 工 大学建 筑工程 学院 昆明 6 5 0 0 5 1 摘要 由于计算模型的简化处理 多层钢筋混凝土框架结构 的计算 自振周期 与其真实 自振周期有不 同程度的差 异 而须作经验调整 通过对影响结构 自振周期诸多因素分析 提出多层钢筋混凝土框架结构 自振周期折减 系数的取值建议 关键词 多层钢筋混凝土框架结构 抗震设计 自振周期 折减系数 中图分类号 T U 3 7 5 4 T U 3 1 1 3 文献标识码 A 文章编号 1 1 3 0 1 5 2 3 X 2 0 0 4 0 9 0 0 5 7 0 3 DI S CUS S I ON CoM PENS ATI oN CoEF FI C皿 NT ON NATURAL P ERI oD oF VI BRATI oN I N M ULTI S ToRY REI NFoRCED CoNCRETE FRAM E S TRUCTURE S EI S M I C DES I GN l A b s t r a c t 1 Ke y w o r d s J Ya n g Z h e n g h a i He L i n g C o mp u t a t io n p e r i o d o f v i b r a t i o n i n mu h i s t o r y r e i n f o r c e d c o n c r e t e f r a me s t r u c t u r e i s d i ff e r e n t f r o m i t s r e a l p e r i o d t o v a r y i n g d e g e r e e s b e c a u s e o f s i mp l i f y i n g c o mp u t a t i o n m o d e l s i t m u s t b e a d j u s t e d b y e x p e r i e n c e Ma n y f a c t o r s t h a t e ff e c t o n th e p e r i o d o f v i b r a t i o n i n mu l t i s t o r y r e i n f o r c e d c o n c r e t e f r a me s t r u c t u r e wi l l b e a n a l y s e d i n t h i s a r t i c l e a n d g i v e n a d v i c e o n h o w t o u s e c o mp e n s a t i o n c o e f f i c i e n t o n n a t u r a l p e r i o d o f v i b r a t i o n Mu l t i s t o r r e i nfo r c e d e o n e e e t e fl a me S t ruc t u r e S e i s mi c d e s i g n N a t u r a l p e r i o d o f v i b r a t i o n C o mp e n s a t i o n c o e ffic i e n t 由于计算模型的简化和非结构因素的作用 导致 多层钢 筋混凝土框架结构在弹性阶段 的计算 自振周期 下简称 计 算周期 比真实 自振周期 下简称 自振周期 偏长 因此 无论是采用理论公式 l 算还是经验公式计算 无论是简化手 算还是采用计算机程序计算 结构的计算周期值都应根据具 体情况采用 自振周期折 减系数 下简称 折减系数 加以修 正 经修正后的计算周期 即为设计 采用的实际周期 下简称 设计周期 设计周期 计算周期 折减 系数 如果折减 系数取值不恰 当 往往使结构设计不合理 或造成浪费 甚至 产生安全隐患 诚然 折减系数是钢筋混凝土框架结设计 所 需要解决的一个重要问题 影响 自振周期因素是诸多方面的 加之多层钢筋混凝土 框架结构实际工程的复 杂性 抗震规范 没 有 也不 可能对 折减系数给出一个确切的数值 许 多文献中给出 当主要考 虑填充墙的刚度影响时 折减系数可取 0 6 0 0 7 根据 填充墙的多少 填充墙开洞情况 其对结构 自振周期影响 的 收稿 日期 2 0 0 4 0 6 0 8 作者简介 杨正海 1 9 7 0 一 男 云南瑞丽人 国家 级注册结构工 程 师 在 读硕 士 不同 可取 0 5 0 0 9 0 这些都是 以粘土实心砖为填充墙 的经验值 不言而喻 采用不同填充墙体材料 的折 减系数是 不相同的 当采用轻质材料或空心砖作填充墙 当然不应该 套用实心砖为填充墙的折减 系数 对于粘土实心 砖外的其 它墙体可根据具体情况确定折减系数 通过笔者的粗浅分析和工程实践摸索 指出影响 自振周 期的一些主要因素 并对折减系数的取值提出建议 供结构 工程师参考 1 计算周期与 自振周期存在差异的诸多因素 结构计算分析总是要进行简化的 简化程度取决于当时 的计算工具 简化是有条件的 而关键是 简化模 型尽可能符 合真实受力模型 多层钢筋混凝土框架结构的计算周期 往 往与其 自振周期有较大 出人 笔者认为 此偏差主要来 自计 算模型的简化 没有计人那些难 于准确计算 的因素造 成的 一 分为二的说 没有计入的那些因素 常常使计算 周期 比 自 振周期长 在一定条件下也会使计 算周期 比 自振 周期短 主 要 表 现为 以下 几 方 面 1 1 造成计算周期 比自振周期长的诸 多原因 1 1 1 填充墙的刚度影响 大多数多层钢筋混凝土框架结构的设计计算 中 并没有 5 7 维普资讯 第9期 杨正海等 多层钢筋混凝土框架结构抗震设计的 自振周期折减 系数探讨 第3 1 卷 计算填充墙 装 修 饰 材 料 支撑 设 备等非结卡 句构件 的刚 度 实际工程 中 由于未考虑砖填充墙的刚度常常使计算周 期比实测 自振周期 下简称 实测周期 大很 多 填 充墙 的影响与填充墙 的材料性能 数量 单片墙体长度 墙体完整 性 开洞情况 与框架 的连接情况息息相关 定性地说 填 充墙的数量 多 单片墙体长度大 墙体开洞少且小 与框架连 接好 它对框架结构的刚度增加 大 反之就小 我国的框架填充墙的发展趋势是 逐 步取 消粘土砖 保 护粘土资源 能源 环境等的要求 采用 多样化轻质填充砌 体 轻墙板取 而代之 采用不同材料 的填充墙 由于填充墙 材料的刚度 变形性能 延性的不同 其对结构的空间刚度影 响显然不相同 在其它条件相同时 采用轻质填充墙 比粘土 砖填充墙对结构的刚度影响小 一 般框架结构都要有填充墙 当砖填充墙 多 可能会成 为影响结构 自振周期的主要直接闲素 1 1 2 基坑 回填土及混凝土刚性地坪对底层框架柱的侧 限 作用 通常 在 汁算模型中 多层钢筋混凝土框架结构 的底层 柱高 计算高度 一般取基顶至一层 楼盖顶之 的距离 见 图 1 由于基顶至室内 外之间 回填土必须严格夯实 例如 压实填土地基 要求回填 土的压实系数不应小于 0 9 4 而 且 通常在审 内都要作混凝土刚性地坪 填土及地坪对结构 侧移的约束 完全可以改变底层柱 的计算高度 增大了结构 刚 度 为 考虑 填 土及 地坪 影 响 加 强 了底 层柱 根 及其 在 刚 性 地 坪部 位 的 构造 措施 当基 础埋 深 大 填 土 密实 混 凝 土地 坪 刚度 大 时 也 是 造 成计算周期 比实测周期偏长的重要原因 恻 惶 蜮 1 框 架 柱底 层 汁算岛度示意 l 一 一层 楼 盖 2 框 架 粱 3 一 室 内地 面 刚性 地坪 4 基顶 标 高 5 室 外地 面 6 一 框架 柱 2 1 3 现 浇 楼 板 对 楼 而 梁 的 刚度 影 响 目前 常 规 的 多层 钢 筋 混 凝土框架结构 的分 析计算 通 常采 用轩 元 结 卡 勾模 型 如 P K 采用平面杆 丸模型 T A T T B S A 等采用空间杆冗模型 但是客 观 L 现浇楼板 肜成 了结 钩的 刚度 任结构设计时参考 了教 科书及许 多文献 采用简化 方 法 考虑 了现浇 楼 板 对楼 面梁 的 刚度增大 系数 比如 边 框架 梁取 I 5倍 中 框 架梁 取 2 0 倍 但是 这并不足以反应现浇楼板作为粱的有效翼缘对 线形杆元模型粱的惯性矩真实增大 r多少 往弹性 阶段 此 增大系数完全 可能大于 2 0 准确计算是无法做到 的 也 只能经验考虑 若增大系数值取小 了 计算所得的结构刚度 偏 小 即计算 周 期偏 长 现 浇 楼板 对 楼面 梁 的剐 度增 大 系 数 取值 也直接影响着结构的计算心期 1 1 4汁算衙载高估 r 结 构真实质量 一 般情况下 计算荷载不同程度地高估了结构的真实质 58 量 或简化的振动质点质量 对于恒筒载构成的质量 在正 常设汁情况下 计算值 必然大于实际值 对于活荷载构成 的 简化质点质量 比如楼面等效均布茼载按 5 0 考虑 出现这 样满载布置情况也是不太可能的 因此 所得简化质点质量 之和往 庄大于真实结构质量 数值计算所得的周期 自然偏大 1 1 5 结构构件的超强性 首先 对材料强度具有 9 5 保证率的可靠度要求 材 料 如混凝土 钢筋等 存在超强因素 其次 设 汁和施工都要 求结 杠 J 构件的实际强度 如指标 尺寸 如指标 不得低 于设计标准 再者 混凝土的强度和其他性能指标的标准 一 般取龄期 f 2 8 d来标定 而一般 情况下混凝土的抗压强 度是随龄I 胡单凋增 长的 其增 长速度渐减 并趋向收敛 如 规范 C E B F I P MC 1 9 9 0中 混凝土 的抗压强度及弹性模量随 龄期增长的计算式分别为 t 卢 E f 3 E 式 中 e 一 当然 正常情况下 结构的实际刚度也就 大于设 汁计算刚度 1 2 自振周期是 变化的 特 别是结构进入 弹塑性 塑性 变形阶段也会出现计算周期比 自振周期短的情形 1 2 1 结构刚度随不同变形 阶段 而变化 无论是结构构件还是非结构构件 随着结构变形不断增 加 自身开裂直至破坏的过程中 其刚度逐渐衰减 同时阻尼 住增加 才致使地震作用内力不会直线上升 当结构的侧向 变形达到一定范围后 填 充墙 出现开裂 破坏 现浇楼 板 刚 性地坪等的刚度也退化和逐渐破坏 同时 随着结构构件开 裂 按弹性计算 的周期应该作相应恻整 以反 应非结 构构件 抗侧移刚度降低甚至消失和结构构件刚度的折减 当计算 变形较 大 时 结 卡 句构件 按 弹性 计 算 的 刚 度 宜 折减 如取 0 8 5 E o 1 2 2实 测 自振周 期 随外 界 的f扰 力大 小 而 变化 钢筋混凝土结构的自振周期 在大振幅振动与微幅振动 下足不同的 对同一结构来说 地震作用 由小至大 自振周 期也由短变长 例如 北京饭店东楼横 向基本实测周期 在 地震前 脉动法实测值 海城地震时 唐山地震时分别测得 0 9 0秒 0 9 5秒 1 4 0秒 而 且 结 构 并 未 进 入 明 显 的 塑性 变形 震 仅有填充墙轻微开裂 也就是说 结构构件进入 塑性变形之前 建筑物 的抗侧移刚瞍已经 明显降低 自振周 期比微幅振动时 脉动法实测值 已经增加 了许多 I 2 3 钢筋混凝土构件带裂缝工作性质 大多钢筋混凝土构件是带裂缝 l 作 的 钢筋混凝土受 弯构件的刚度 随时间 长驻荷载 配 筋率 而变化 短期刚度 可 按 下 式 汁 算 日 吾 丽 其 f a E E E 长期刚度可按下式计算 日 日 其中长期 荷载作用下对挠度增大 的影响系数 与纵向受压钢筋配筋 率等因素有关 一般 长期刚度小于短期刚度 钢筋混凝土受弯构 件 当弯矩 M 大于开裂弯矩 M 后 维普资讯 第 3 l卷 杨正海等 多层钢筋混凝土框 架结构抗震设计的 自振周期折减系数探讨 第9期 随着弯矩 或弯曲应力 增大 构件 上裂缝开展深度增 加 截面有效高度减小而刚度降低 但是 在弹性 变形阶段 裂 缝对受弯构件的刚度影响较小 当进入弹塑性和塑性 变形阶 段 裂缝对受弯构件的刚度影响是不可忽略的因素 1 3 其 它 影 响 因素 的说 明 1 3 1 宅 间 布置 的 差别 建筑的空间整体工作性能 平面布置 实际质量 包括筒 载 分布 场地地基和基础 施工质量 材料性能等等 都会对 结构的自振 I 1 期产生影响 1 3 2 计算简网忽略诸多次要因素产生的模型化误差 计算模型的假定和边界条件的处理 比如 实际结沟的 质量沿竖向是连续分布的 振动质点的简化与实际建筑 存在 连续介质离散化的物理意 义上的模型化差异 自然也就仔 在 算结果的数值羞异 总而 言 之 于钢 筋混 凝 土 材 料性 能 的离 散 性 变 形 成 分的多样和影响因素的众 多 很 难建立一 个通用的可用于 精确计算的本构模 犁 对任 意框架结构和同一框架结构的 弹性 弹塑性 塑性变形的各阶段给定 同一周期折减系数计 算显然足不恰 当的 也是不切合实际的 从上述各种 因素的 分析和根据大量实测统 计 计算周期平均为实测 自振周期的 2 5 3倍 在弹性 计算阶段 计算周期比自振周期偏长 2 采用折减系数要求结构刚度 质量 荷载 填充墙在平面 内和沿 竖 向均 匀 分布 多层框架结 构 山于框架柱布置灵活 随着建筑功能的 复杂性 多样性增强 欠 间结构 复杂结构 特殊结 构的 口 益增 多 抗 震 的 慨 念 没计 构 造 设 计 更 显得 重 要 对 关 键部 位 薄弱 节的 必须具有针对性 肓效性 对这类结构 广 1 振周期折戏 以增大地震作用效应来增加结卡 勾安全性 并 f 一定奏效 还可能会使结构构件受力失真 2 1 填充墙在平 面内均匀分布的要求 准确的说 于填 充墙的刚度影响 必须号虑填 充墙 的 他置及分 布 比如 2 仅 当 l 2轴之间有 砖填充墙 中 框架往 z 2的抗弯刚度 E 1 为 z 1的 8倍多 卡 目 碰的其抗侧移 阿 0 度也 比 z l超出许多倍 就 l z 2而 言 如果弩虑填 充墙 的 4 0 度影响 采f f j 劂期折减系数予以捌整 水平地震作用产 的 力增加 部分 按抗侧侈 刚度分配 绝大 部分 由 z 2承 担 并术针埘性的考虑 亍 填充墙 直接干 连的 z l 这是不合理 的 特别 采用过小的阎期折减系数 这种失真程度将 日 j 显 增 大 图 2 局部结构平面 Z I 3 5 0 3 5 0 2 一 z 2 6 O O 6 0 0 3 一填 充墙 4 一 楼 梯 2 2结构 刚度 突 变 在建立整体计算模型时 往往由于楼梯细部尺寸未确定 如楼梯平台梁位置 标高等 而没有考虑楼梯间 的楼梯平 台梁参 与结构空间刚度的计算 如图 2中的 A轴 上 两框架 柱之间的半层处楼梯平台梁实际已经构成了框架梁 该处框 架拄 的线 刚 度 显著 增 大 甚 至 形 成 短 柱 恰 恰 这 些 地 方 正是 结构刚度突变 并且填充墙影响较大而必须加强的部位 采 用通常的周期折减系数的方法并不能准确 有效的体现这种 刚度 变 化和 填 充墙 的不 利影 响 一 3结论 和 建议 a 由于结构计算模 型未 考虑非 结构卡 句件的刚度 目前 通过经验 系数对计算周期进行折减 适当增大结构抵 御地震 作用的能力是必要的 也是可行的 抗震 没计时 设计周期 计算周期 折减系数 b 客观 上 由于非结构构件 填 充墙 现浇板 刚性地 坪 等 参 与构成了实际建筑结构的刚度 但是非结构构件 自身 破坏时也耗散 了地震能量 不可否认它参与了结构抗震 C 折减系数的取值同样必须遵循概念设汁原则 使用者 必须首先弄明白 折减系数与哪些 因素相关 哪些 是该工程 的主要影响因素 各因素在不同的实际工程 不同的变形阶 段 中的影