高层建筑楼层侧向刚度变化控制准则的研究_图文

1、第22卷第5期2006年10月结 构 工 程 师Str uctural Eng i n eersV o.l22,N o.5O ct.2006高层建筑楼层侧向刚度变化控制准则的研究季 静 韩小雷 郑 宜 雷 磊(华南理工大学建筑学院高层建筑结构研究所,广州510640提 要 从匀质构件在倒三角形荷载作用下的侧移曲线和位移角出发,提出只要控制以弯曲型变形为主的高层建筑结构在地震作用下的侧移曲线、层间位移角比或楼层侧向刚度比与匀质构件的相应参数接近,结构楼层侧向刚度变化趋于均匀。通过算例论述了目前世界上主要国家的结构抗震设计规范对楼层侧向刚度变化控制的局限性,分别讨论了楼层层高突变、结构部分竖向构件

2、截面突变以及上述两种突变同时出现的情况下,结构楼层侧向刚度以及结构受力特性的变化规律,提出了合理的控制楼层侧向刚度变化准则,该准则可以有效地应用于控制以弯曲型变形为主的高层建筑结构楼层侧向刚度的变化。关键词 高层建筑结构,侧向刚度突变,楼层侧向刚度Research on Irregularity Criteri on of Storey Lateral Stiff nessof Tall Building StructuresJI Ji n g HAN X iao lei Z HENG Y i LE I Lei(T a ll Bu ildi ng Struc t ure R esearch I

3、nstitute,College o f A rch itecture&C i v il Eng i neering,South Ch i na U nivers it y of T echno logy,G uang zhou510640,Ch i naAbst ract Based on the lateral defor m ati o n or the ang le o f latera l defor m ation of an un if o r m e le m ent under in verted triangular lateral load,it is put f

4、or w ar d that if t h e latera l defor m ation or the storey drift rati o or the ratio of storey lateral stiffness of a ta ll buildi n g under earthquake are closed to the results o f the un ifor m ele m en t m en ti o ned above,the l a teral stiffness of the str ucture approaches even.According to

5、exa mp les,t h e infl u ence of break of sto rey he i g h,t cross sections break of vertical struct u ra l e le m ents or the t w o m entioned above on the sto rey lateral stiffness and the str uctural i n terna l forces are discussed.The resu lts also show t h at the irregulari ty criteri o n of st

6、orey lateral stiffness in the m a i n se is m ic design codes i n the W orld is not co m prehensi v e.The reasonab le irregularity criterion of storey lateral stiff n ess has been ra i s ed,wh ich can be used effecti v e l y for tall buildi n gs.K eywords tall bu il d i n g structure,lateral stiffne

7、ss irregularity,story lateral stiff n ess1 引 言目前世界上主要国家的结构抗震设计规范对建筑结构楼层侧向刚度及其沿结构高度变化均有明确的规定,以避免因楼层侧向刚度突变引起结构地震反应加剧和局部构件变形集中。美国规范1要求当楼层位移角大于上一层位移角的1.3倍时,楼层侧向刚度必须大于上一层侧向刚度的70%;澳大利亚和新西兰规范2要求楼层位移角除以楼层剪力小于上一层的1.4倍;日本规范5要求楼层位移角倒数(刚性率不小于地面以上各层位移角倒数平均值的60%。我国规范3借鉴了上述两种规范1,2,要求楼层侧向刚度大于上一层侧向刚度的70%;2004年8月1日开始

8、试用的 建筑工程抗震性态设计通则4完全引用了美国规范1的条文要求。可见当结构层高不变时,各国规范在建筑结构楼层侧向刚度变化控制方面几乎是相同的。典型的建筑结构侧向变形可以分为剪切型和弯曲型两种。剪切型变形结构的位移角沿高度是逐渐减小的,弯曲型变形的结构则相反,而且,以上两种变形的相邻楼层位移角之比沿结构高度变化非常大,各国规范均采用一个确定的数值来控制结构楼层侧向刚度变化是不尽合理的。对于以剪切型变形为主的结构,文献15(文献5采用平均值,对层数较多的高层建筑显然不适用有一定控制效果,本文作者通过大量算例,认为文献1的控制准则最合理,但对于以弯曲型变形为主的结构,以上规范条文均是不合理的。例如

9、对于一个高层建筑剪力墙结构,当连梁刚度很弱时,楼层层高变化几乎不影响结构的侧向变形,结构沿高度仍然是较均匀的,但当某层层高增大一倍时,按我国规范3的条文判断,该结构楼层侧向刚度极不均匀,若要满足规范的要求,必须将首层至层高增大层的剪力墙厚度成倍增加,这样显然不合理。本文从匀质构件在倒三角形荷载作用下的侧移曲线和位移角出发,提出以弯曲型变形为主的高层建筑结构在地震作用下的侧移曲线、层间位移角变化或楼层侧向刚度比接近匀质构件的相应参数时,结构楼层侧向刚度趋于均匀。通过算例说明了本文所提出控制高层建筑侧向刚度变化准则的可行性。2 楼层侧向刚度控制准则的建立抗弯刚度为EI 的匀质构件在倒三角形荷载作用

10、下的简图如图1 所示。图1 计算简图结构侧移=q H 4120E I(11-15 +5 4- 5(1侧移一阶导数d d x =q H 3120E I(-15+20 3-5 4(2侧移二阶导数d 2d 2x=q H 26E I (3 2- 3(3由公式(1,(2,(3分别可以看出均匀结构在倒三角形荷载作用下的侧移、位移角以及有害位移角沿结构高度都是变化的。文献1,3,4要求楼层侧向刚度比不小于0.7,主要反映层间位移之比;文献2要求层间位移角除以层剪力之比小于1.4,主要反映层间位移角之比,当层高不变时,文献2与文献1,3,4基本一致,但均未考虑结构位移角沿高度的变化。当建筑结构在倒三角形荷载作

11、用下侧向变形与图1所示均匀构件侧向变形相同时,结构侧向刚度均匀,本文称为均匀结构。文献1,3,4定义的第i 层与第i+1层楼层侧向刚度比为K i 1K i 1=V i / iV i+1/ i+1(4文献2定义的第i 层与第i+1层楼层位移角除以楼层剪力之比为K i 2K i 2= i /h i V i i+1/h i+1V i+1=h i+1h i !V i+1/ i+1V i / i=h i+1h i K i 1(5式中V i ,V i+1第i ,i+1层层高中点位置的剪力;i , i+1第i ,i+1层层间位移。V i =q H ( i-1+ i (4- i-1- i 8(6V i+1=q

12、 H ( i + i+1(4- i - i+18(7i=q H 4(15 i-1-15 i -5 4i-1+5 4i + 5i-1- 5i 120E I (8i+1=q H 4(15 i -15 i+1-5 4i +5 4i+1+ 5i - 5i+1120EI(9式中, i =1-H iH。将公式(6(9代入公式(4可得K i 1=V i / i V i+1/ i+1=( i-1+ i (4- i-1- i ( i + i+1(4- i - i+1!(15 i -15 i+1-5 4i +5 4i+1+ 5i - 5i+1(15 i-1-15 i -5 4i-1+5 4i + 5i-1- 5i

13、 (10#12#Structural Eng i n eers Vo.l 22,N o .5 Study of Desi g nM ethodK i 2=(1- i+1( i + i+1(4- i - i+1(1- i ( i-1+ i (4- i-1- i !(15 i-1-15 i -5 4i-1+5 4i + 5i-1- 5i (15 i -15 i+1-5 4i +5 4i+1+ 5i - 5i+1(11由公式(10,(11显然可见,均匀结构楼层侧向刚度变化与结构总高度、层高、楼层位置等因素有关,文献14给出一个定值是有局限性的。建筑结构楼层侧向刚度突变通常有以下三种情况:楼层层高突变

14、;%部分竖向构件刚度突变;&楼层层高突变以及部分竖向构件刚度也突变。当建筑结构出现上述三种情况之一时,结构侧向位移发生突变,楼层侧向刚度不均匀导致地震反应增大,局部变形集中。这时通常可以采用一些构造措施,控制结构楼层侧向刚度变化与上述均匀结构的相应参数接近,使结构侧向刚度趋于均匀。3 算例分析对于一栋29层,层高为3m 的均匀结构,按公式(10,(11计算的楼层侧向刚度沿结构高度变化见表1t 表2。可见,无论结构层高是否变化,按文献14定义的楼层侧向刚度沿结构高度都是变化的,且相差很大。结构平面布置如图2所示,7度(0.1g 抗震设防,类场地土,剪力墙厚250mm 时可以满足我国现行规

15、范抗震设计的要求。结构分析采用空间杆-墙板元模型,假设楼板平面内刚度无限大。当结构某一层刚度沿高度突变(变小时,为了使刚度趋于均匀,将刚度突变的楼层及其以下楼层的竖向构件截面加大,使结构侧移曲线(或楼层侧移刚度比与上述均匀 结构在倒三角形荷载作用的相应参数接近。图2剪力墙结构平面图表1楼层与上一层侧向刚度之比K i 1 表2楼层与上一层层间位移角除以楼层剪力之比K i 2楼层位置12345层高均为3m0.330.620.730.790.85楼层所在位置层高变为6m 0.410.590.680.760.793.1 楼层层高突变当第五层层高由3m 变为6m 时,表3、表4给出了结构首层至五层不同墙

16、厚的计算结果。表3 计算结果(连梁截面200mm !200mm墙厚(mm 位移角之比 5/h 5 6/h 6K i 1V 5/ 5V 6/ 6K i 2 5/V 5h 5 6/V 6h 6基底剪力(kN 基底弯矩(kN #m 最大层间位移角1500.850.6160.81238171870641/9602000.830.6280.79638561860401/10542500.820.6400.78138951847761/11273000.810.6530.76639341835161/11863500.790.6660.75139931833041/12344000.780.6790.73

17、640881848341/12744500.770.6920.72341791862161/13095000.760.7050.70942651874851/13385500.750.7180.69643461886601/13646000.740.7310.68444251897701/13877000.710.7580.66045721918231/14258000.690.7850.63747101937001/14569000.680.8130.61548401954341/1482表4 计算结果(连梁截面200mm !700mm墙厚(mm 位移角之比 5/h 56/h 6K i 1V

18、 5/ 5V 6/ 6K i 2 5/V 5h 5 6/V 6h 6基底剪力(kN 基底弯矩(kN #m 最大层间位移角1500.930.5630.88840871994231/24492000.890.5850.85541992017461/27582500.880.5980.83643012032881/29923000.860.6210.80543952044561/31753500.850.6230.80344952063351/33074000.830.6350.78746212110901/33614500.810.6570.76147362151591/34045000.810.

19、6590.75948422186901/34395500.780.6820.73349412218011/34696000.780.6840.73150342245881/34937000.760.7080.70652042293651/35338000.710.7560.66153592333701/35639000.700.7710.64955012367981/35883.2 部分竖向构件截面突变当结构首层至五层两片双肢墙由8根900mm !900mm 柱代替时(图3,剪力墙结构变为部分框支剪力墙结构,表5、表6给出了结构首层至五层剩余剪力墙不同厚度的计算结果。表格最后一行分别为结构首层

20、至五层四片剪力墙由16根900mm !900mm 柱代替后的结果(图4,这时落地剪力墙厚度250mm 不变。#13#设计方法研究# 结构工程师第22卷第5期 图3 框支剪力墙结构平面图表5 计算结果(连梁截面200mm !200mm墙厚(mm 位移角之比 5/h 56/h 6K i 1V 5/ 5V 6/ 6K i 2 5/V 5h 5 6/V 6h 6基底剪力(kN 基底弯矩(kN #m 最大层间位移角1500.95 1.0930.91539761718151/11782000.93 1.1250.88940571732051/12262500.89 1.1670.8574129174362

21、1/12663000.88 1.1890.84141931753551/12993500.85 1.2210.81942511762341/13274000.85 1.2320.81243051770261/13524500.82 1.2750.78443551777471/13735000.80 1.3070.76544011784051/13925500.79 1.3290.75244441790111/14096000.76 1.3710.72944841795711/14247000.73 1.4360.69645551805791/14508000.711.4800.67646221

22、814671/14719000.67 1.5660.63946801822471/14891.01 1.0350.96642971764051/1315表6 计算结果(连梁截面200mm !700mm 墙厚(mm 位移角之比 5/h 5 6/h 6K i 1V 5/ 5V 6/ 6K i 2 5/V 5h 5 6/V 6h 6基底剪力(kN 基底弯矩(kN #m 最大层间位移角150 1.060.9781.02244411919121/2797200 1.02 1.0130.98745201928941/29962500.98 1.0620.94245881936171/31473000.96

23、 1.0830.92346631956341/32413500.92 1.1350.88147471990671/32854000.89 1.1670.85748222019431/33204500.87 1.1980.83548892044091/33495000.85 1.2290.81449492065501/33735500.84 1.2400.80650032084401/33936000.81 1.2930.77350542101231/34107000.78 1.3460.74351432129801/34398000.74 1.4200.70452202153341/34629

24、000.70 1.4840.67452872173241/34801.230.8491.17846481941211/3056图4 框支剪力墙结构平面图3.3 楼层层高突变和部分竖向构件截面突变表7、表8给出了3.1节、3.2节两种刚度突变同时发生时的计算结果。表7 计算结果(连梁截面200mm !200mm墙厚(mm 位移角之比 5/h 56/h 6K i 1V 5/ 5V 6/ 6K i 2 5/V 5h 5 6/V 6h 6基底剪力(kN 基底弯矩(kN #m 最大层间位移角1500.940.5550.90138441831991/11022000.910.5780.8653870181

25、8161/11512500.890.5900.84739221818791/11923000.860.6130.81639971831101/12273500.850.6250.80040681842181/12564000.830.6370.78541351852201/12834500.820.6490.77041991861531/13065000.790.6720.74442591870221/13265500.780.6840.73143171878421/13446000.760.7070.70743731886211/13617000.740.7320.6834478190070

26、1/13898000.700.7680.65145761913991/14139000.680.7930.63146691926311/14331.060.4971.00640091838131/1244表8 计算结果(连梁截面200mm !700mm墙厚(mm 位移角之比 5/h 56/h 6K i 1V 5/ 5V 6/ 6K i 2 5/V 5h 5 6/V 6h 6基底剪力(kN 基底弯矩(kN #m 最大层间位移角150 1.060.4931.01441892010871/2557200 1.020.5150.97142802024051/27582500.980.5370.9314

27、3602033741/29143000.960.5490.91144332041531/30383500.940.5600.89345012048221/31424000.910.5830.85845662054261/32294500.890.5940.84246452076551/32745000.880.6060.82547262103441/33015500.850.6280.79648012127351/33246000.820.6510.76848722149031/33437000.790.6740.74250022186611/33758000.780.6870.7285120

28、2218581/33999000.740.7330.68252282246171/34191.280.4081.22543312038391/28283.4 计算结果分析世界上主要国家结构抗震规范对楼层侧向刚度变化的控制如本文引言部分所述。本文认为合理的楼层侧向刚度变化如表1、表2中黑体数字所示。#14#Structural Eng i n eers Vo.l 22,N o .5 Study of Desi g nM ethod由表3表8可得出以下结论:(1当层高不变时,即使五层以下三分之二的剪力墙由柱代替、五层以下其它剪力墙厚度保持250mm不变,也能满足文献13的要求;(2当仅五层层高变大

29、时,即使首层至五层的剪力墙厚度由250mm减小到150mm,也能满足文献12的要求;要满足文献3的要求,将使结构首层至五层的剪力墙厚度由250mm变为500mm(弱连梁或700mm(强连梁;(3当五层层高变大、结构首层至五层三分之二剪力墙由柱代替时,即使首层至五层剪力墙厚度由250mm减小到150mm,也能满足文献1, 2的要求;(4当五层层高变大、结构首层至五层三分之一剪力墙由柱代替时,要满足文献3的要求,可使结构首层至五层的剪力墙由250mm变为600mm(弱连梁或850mm(强连梁;(5按本文的控制准则,当仅五层层高变大后,结构首层至五层剪力墙厚度可以不变(弱连梁或由250mm变为400mm(强连梁;(6按本文的控制准则,当仅结构首层至五层三分之一剪力墙由柱代替时,结构首层至五层墙厚度由250mm变为300mm(弱连梁或450mm (强连