实用性能法验算高层建筑梁式转换结构.doc

实用性能法验算高层建筑梁式转换结构唐纯能 （湖南悍马建设有限公司 长沙 411000）提要 高层建筑梁式转换结构是一种刚度分布不规则的复杂空间结构，地震作用下的结构响应往往成为结构设计的控制因素，采用实用性能化设计，提高结构整体或关键部位的抗震性能。考虑安全性与经济性相结合，目前宜采用中震不屈服设计法，对转换结构的框支柱、框支梁、落地剪力墙及转换层相邻上两层剪力墙的截面及配筋进行复核与调整，使重要结构构件或结构整体具有更大的承载力。关键词 梁式转换结构 实用性能法 中震不屈服设计Practical performance-based method check High-rise beam transfer building structures/Authors: Tang Chunneng,(Hunan Hangma construction Co. , LTD, Changsha 411000, China )Abstract: High-rise beam transfer building structures are complex spatial structures of irregularly distributed stiffness. The structural response under earthquake often become the controlling factors of structural design, Uses practical performance-based method to Improve the integral or key parts of seismic performance. Considering combining security and economy, At present uses the design law of suitably shakes does not submit is reasonable, To the frame prop, the transfer beam, the landing shearing wall of transfer structures and on the transfer story neighboring two shearing wall section and the reinforcing bars carries on reexamines with adjusts, Make important structural components or the whole structure with greater capacity .Key words： beam-transfer structure; practical performance-based method; the design law of suitably shakes does not submit 0 引言高层建筑梁式转换结构的受力、变形特点：竖向力的传递不连续，存在变形复杂、传力不明确的现象，尤其在复杂的转换层结构中，如：带次梁转换的转换层、超大梁转换层、箱形大梁转换等；在转换层上下一、二层范围内，转换层上下容易产生刚度突变,转换层刚度、质量集中，造成地震效应突然增大；转换层落地和不落地支承的竖向形差较大，造成转换层上部结构在恒载作用下弯矩、剪力突变，容易超限；转换层分析不能采用简化方式，如转换梁的轴向变形不能忽略，结构内力计算与分析不能采用刚性楼板假定。对于一般的高层建筑抗震设计，国内规范是以小震作用下的弹性分析进行内力计算，通过概念设计与抗震构造措施来满足大震不倒的要求。这种设计方法，对于规则结构是适用的，塑性铰分布较为合理，其结构在预先设定的能发挥延性变形能力的部位进入塑性阶段，大震下靠构件塑性变形耗能。对于带梁式转换的复杂高层建筑，转换构件为薄弱部位，可能在地震作用下首先进入塑性阶段，大量吸收地震能量而导致破坏，并可能因局部破坏造成整个结构倒塌。弹性分析方法无法确切地分析在大震作用下结构进入塑性阶段后的实际地震反应，无法确保复杂结构设计的安全可靠性，弹塑性分析方法应运而生。对特别不规则的结构，在弹性分析的基础上，通过弹塑性分析的方法验算结构在大震下的位移与塑性铰分布，进行防倒塌的第二阶段验算。目前采用空间有限元模型对复杂高层建筑进行罕遇地震作用下的变形分析是十分复杂而困难的工作，主要体现在以下三方面1：（1）地震作用的复杂性。（2）结构自身描述的复杂性。（3）计算分析的复杂性。静力弹塑性分析法是在结构上施加重力荷载代表值并保持不变，然后施加沿高度分配的某种水平荷载或位移作用，随着水平作用的不断增加，结构弹塑性逐渐发展，结构的梁、柱和剪力墙等构件出现塑性破坏，最后达到极限承载能力。静力弹塑性分析能发现结构的抗震薄弱环节和部位、结构的地震破坏机制，并能粗略地估计不同水准的地震作用下的目标位移和变形需求；其缺点是无法考虑地震动的持续时间、损伤累积、材料的动态性能等影响因素，对于平面、立面等不规则的复杂结构，适用性较差。弹塑性动力时程分析法的理论较为严格，可以反映地震过程中每一时刻的受力与变形状况，能直观地判断结构的薄弱部位与屈服机制，但计算工作量大，数值分析技术要求高。套用现行的标准，按目前的设计手段，很难保证框支柱和落地剪力墙在罕遇地震作用不发生严重破坏，因此抗震设计时，带转换层的高层建筑较适合采用基于性能的抗震设计方法。1 实用性能法的理论分析建筑物遭遇各种水准的地震影响时，其可能的损坏形态及修复的难易程度，可根据建筑地震破坏等级划分标准（建设部90建抗字377号）第1.5条，建筑地震等级划分2见表1。表1 建筑地震破坏等级划分表破坏等级 破坏状态的描述继续使用的可能性变形参考值基本完好（含完好）承重构件完好；个别非承重构件轻微损坏；附属构件有不同程度破坏一般不需修理即可继续使用轻微损坏个别承重构件轻微裂缝，个别非承重构件明显破坏；附属构件有不同程度的破坏不需修理或需稍加修理，仍可继续使用 中等破坏多数承重构件轻微裂缝部分明显裂缝；个别非承重构件严重破坏需一般修理，采取安全措施后可适当使用严重破坏多数承重构件严重破坏或部分倒塌。应采取排险措施；需大修、局部拆除倒塌多数承重构件倒塌需拆除 注：个别指5%以下，部分指30%以下，多数指50%以上。根据建筑工程抗震性态设计通则（试用）第3.1.3条，建筑结构在不同地震水准下的预期性能目标见表2。表2 建筑结构预期性能目标地震动水平多遇地震设防地震罕遇地震性能目标1完好完好，正常使用基本完好，检修后继续使用性能目标2完好基本完好，检修后继续使用轻微至中等破坏，修复后继续使用性能目标3完好轻微损坏，简单修理后继续使用其破坏需加固后继续使用性能目标4完好轻微至接近中等损坏，变形接近严重破坏，大修后继续使用。基于性能的抗震设计方法分为中震弹性设计与中震不屈服设计两种。中震弹性设计及中震不屈服设计的承载力基本表达式3如下。 中震弹性设计的承载力基本表达式为： （1）式中 S构件在中震地震作用下的内力组合设计值； R构件的承载力设计值； 承载力抗震调整系数。 中震不屈服设计的承载力基本表达式为： （2）或 （3）式中 RK构件的承载力标准值； SK构件在中震地震作用下的内力组合标准值； S构件在中震地震作用下的内力组合设计值。 实用性能设计法中，主要是取用中震时的地震作用验算抗侧力结构及其重要构件的承载力。相对于小震时的地震作用，中震时将增大2.752.88倍；相对于小震时的地震作用，大震时将增大4.386.25倍。为使工程造价避免增加太多，一方面合理选定抗侧力结构中的重要构件计及中震作用产生的内力，另一方面根据工程条件选定按中震弹性设计法，还是按中震不屈服阶段设计法验算重要构件的承载力。由上述承载力表达式(1)、式（2）、式（3）可知，中震弹性阶段法比中震不屈服阶段具有更高的抗震承载力，也增加更多的工程成本。高层建筑梁式转换结构受力的复杂性,应考虑安全性与经济性相结合，目前宜采用中震不屈服设计法，对转换结构的框支柱、框支梁、落地剪力墙及转换层相邻上两层的剪力墙的截面及配筋进行复核与调整，使重要结构构件具有更大的承载力。2 工程概况四方嘉丽属商住综合楼。一至四层为商业用房，五至三十一层为住宅，采用转换层设在第五层的部分框支剪力墙结构，为梁式转换结构形式。建筑结构的安全等级为二级，结构设计使用年限为50年，结构设计基准期50年，抗震设防烈度为6度，设计地震分组第一组，基本地震加速度为0.05g，建筑场地类别为类，抗震设防类别为丙类。基本风压为0.40KN/，基本雪压为0.45KN/，地面粗糙度类别为B类。图1为转换层结构平面图，图2为转换层以上相邻层结构平面图。图1 转换层结构平面图图2 转换层以上相邻层结构平面图3 计算比较分析根据高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）的有关规定，梁式转换结构形式的部分框支剪力墙结构，是属于特别不规则的高层建筑结构，其不规则的程度超过现行标准的限值较多，结构的延性变形能力较差，结合目前经济发展水平，宜选用性能目标3。现四方嘉丽工程为例，运用PKPM系列的SATWE与PMSAP两种不同程序对该工程进行中震不屈服验算，两程程序的分析结果基本接近。其中STAWE程序对框支柱纵筋、箍筋的分析结果见表1、表2。框支柱纵向钢筋变化表（采用HRB400级别钢筋） 表1构件名称KZZ1KZZ2KZZ3KZZ4KZZ5小震弹性设计纵筋AsAS=10500mm2ASB=4300mm2ASH=6600mm2ASB=4200mm2ASH=4700mm2ASB=3600mm2ASH=3800mm2ASB=9800mm2ASH=9800mm2中震不屈服设计纵筋AsAS=11400mm2ASB=4700mm2ASH=7100mm2ASB=4800mm2ASH=4800mm2ASB=3600mm2ASH=4400mm2ASB=10600mm2ASH=10600mm2备注：KZZ1为圆柱AS为总纵筋量；KZZ2KZZ4为矩形柱，ASB、ASH 各为单边B、H的纵筋量。ASB=4300mm2框支柱箍筋钢筋变化表（采用HPB235级别钢筋） 表2构件名称KZZ1KZZ2KZZ3KZZ4KZZ5小震弹性设计箍筋AsvASv=660mm2ASv=930mm2ASv=950mm2ASv=790mm2ASv=1170mm2中震不屈服设计箍筋AsvASv=1140mm2ASv=1180mm2ASv=1100mm2ASv=1010mm2ASv=1490mm2备注：箍筋Asv为箍筋加密区面积。 由表1、表2分析可知，相对于小震弹性设计，采用中震不屈服设计，框支柱纵筋增加约为10%，箍筋增加约为30-50%。同时分析发现，转换层以下的落地剪力墙约束边缘构件纵筋有一定程度增加，约为8%；框支层以上二层剪力墙约束边缘构件纵筋稍有增加，约为5%。依据性能目标3的要求，应加强该工程的框支柱的纵筋和箍筋、转换层以下落地剪力墙的约束边缘构件的纵筋、框支层以上二层剪力墙约束边缘构件的纵筋，尤其是框支柱箍筋需特别加强。分析结果符合构件设计的原则：“强柱弱梁更强节点、强剪弱弯强底层柱。”体现了抗震概念设计，有效地提高了该工程结构的承载力和延性。4 结论高层建筑梁式转换形式的结构设计，采用常规抗震设计方法有时很难满足国家现行的抗震设防目标，基于结构性能的抗震设计理论，是对常规设计方法的补充与完善。基于性能的抗震设计是结构抗震设计的一个新的重要发展，它使抗震设计从宏观定性目标向具体量化的多重目标过渡，有利于结构设计的创新