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高层建筑框筒结构层受剪承载力计算方法研究

更新时间:2009-03-28

0 前言

框架-核心筒结构由于具有框架和筒体两种结构体系的优点常被用于办公建筑。诸多震害经验表明,一般结构并不具备足以抵抗强烈地震的水平承载力所需要的储备,常依靠结构的弹塑性变形来消耗输入的大部分地震能量,实现大震不倒的抗震性能目标。因此正确的计算与实际相吻合的层受剪承载力显的尤为重要。

对于框筒结构层受剪承载力组成部分,是指在考虑水平地震作用方向上,该层全部柱(斜撑)、剪力墙的受剪承载力之和。柱的受剪承载力是根据柱两端实配的受弯承载力按两端同时屈服的假定失效模式进行反算出其受剪承载力;剪力墙的受剪承载力是根据实配钢筋按抗剪设计公式反算出其受剪承载力;斜撑的受剪承载力计及轴力的贡献,应考虑受压屈服的影响。

现行 《高层建筑混凝土结构技术规程》[1](JGJ3-2010)(以下简称高规)指出对于柱的受剪承载力计算是假定各楼层柱端达到截面抗弯承载力,即柱端形成塑性铰,其适用条件是 “强梁弱柱”形式的框架。在计算时,首先求出各柱端的抗弯承载力,再求出各柱的抗剪承载力,然后将各柱的抗剪承载力进行线性叠加而求得楼层总受剪承载力。对于框筒结构,核心筒作为结构的第一道防线,在强震作用下先于框架部分破坏,此时由于整体结构的刚度衰减使得框架部分的弯矩和剪力增加有限(有可能是递减)往往达不到截面的抗弯承载力极限,即在计算柱层受剪承载力时常常被放大。本文就此展开讨论,并对框筒结构的层受剪承载力计算方法提出相应建议。

试验为单因素品种试验,随机区组排列,重复3次。每个试验小区宽4m,小区长度65m,小区面积260m2。每个品种种植6行,地膜幅宽140cm,每膜播种3行玉米,平均行距50cm,株距25cm,播深四五厘米,小区四周设保护行,试验单收计产。

1 计算层间受剪承载力的规范方法

1.1 规范对于层受剪承载力的相关规定

高规3.5.3节规定:对于A级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不宜小于其相邻上一层受剪承载力的80%,不应小于其相邻上一层受剪承载力的65%;B级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不应小于其相邻上一层受剪承载力的75%。其旨在楼层抗侧力结构的承载能力比值超过规定限值形成的突变将导致结构薄弱层破坏。

《抗震鉴定标准》[2](GB50023-2009)(以下简称鉴定标准)层受剪承载力的计算公式,见式(1)所示:

 

式(1)中:Vy为楼层现有受剪承载力;ΣVcy为框架柱层间现有受剪承载力之和;ΣVmy为砖填充墙框架层间现有受剪承载力之和;ΣVwy为抗震墙层间现有受剪承载力之和。

矩形框架柱层间现有受剪承载力可按式(2~3)计算,并取较小值:

 

式(2~3)中: 分别为验算层偏压柱上、下端的现有受弯承载力;λ为框架柱的计算剪跨比,取λ=Hn/2ho;N对应于重力荷载代表值的柱轴向压力,当N>0.3fckbho时,取N=0.3fckbho;Asv为配置在同一截面内箍筋各肢的截面面积;fyvk为箍筋抗拉强度标准值;fck为混凝土轴心抗压强度标准值;s为箍筋间距;b为验算方向柱截面宽度;h、ho分别为验算方向柱截面高度、有效高度;Hn为框架柱净高。

在计算框架柱的受剪承载力可理解为当柱塑性铰出现在本层柱端时,相应地该柱端的受剪承载力等于柱端按实际配筋和材料强度标准值计算的屈服弯矩与层净高的比值(钢筋及钢材的强度标准值取屈服强度标准值)。

带边框柱的钢筋混凝土抗震墙的层间现有受剪承载力可按式(4)计算:

 

式(4)中:N对应于重力荷载代表值的柱轴向压力,当N>0.2fckAw时,取N=0.2fckAw;Aw为抗震墙的截面面积;Ash为配置在同一水平截面内的水平钢筋截面面积;λ为抗震墙的计算剪跨比;其值可采用计算楼层至该抗震墙顶的1/2高度与抗震墙截面高度之比,当小于1.5时取1.5,当大于2.2时取2.2。

1.2 现行规范对框筒结构层高的限制

对于框筒结构,结合式(1),楼层受剪承载力简化为式(5)有高规规定:

 
 

式(6)中: Vy,d对应于分析楼层位置的层受剪承载力; Vy,u对应于分析楼层位置上一层的层受剪承载力;当框筒结构为A级高度时,η取0.65~0.8,B级高度时为0.7。

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对于式(13), 只需要 ηHn,d<Hn,u 即可成立。 对于分析位置层高为4.5 m、梁高为800 mm的框筒结构,相邻下一层的层高要求见表1所示。

 

由于框筒结构上下相邻层墙截面及水平配筋相近,故可令:

 

将式(8)代入(7),得

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框筒结构上下相邻层柱截面相近,故可令:

LIU Yulin, LIU Changmiao, LIU Hongzhao, et al. Utilization technology of mine tailings in China and exploitation suggestions[J]. Conservation and utilization of mineral resources, 2018(6):140-144,150.

 

即:

 

综上所述,柱层受剪承载力取式(16)与式(3)计算结果的较小值,再代入式(1)即可。

 

整理得,

 

将式(6)代入式(5), 得

 

表1 现行规范对框筒结构层高的限制要求Table 1 The current specification limits on height of the tube structure

  

高度 规范要求 本层净高/m m 下一层净高/m m A级 0.6 5 3 7 0 0 5 7 0 0 0.8 0 3 7 0 0 4 6 3 0 B级 0.7 0 3 7 0 0 5 2 9 0

1.3 规范对于结构抗震防线的相关规定

《建筑抗震设计规范》[3](GB50011-2010)(以下简称抗规)3.5.3指出结构体系宜有多道抗震防线,对于结构在强震中的安全具有十分重要的作用,要求抗震结构体系应由若干延性较好的分体系组成,并由延性较好的结构构件连接起来共同协同工作。

式(19)化简为即:

梁传给柱上端弯矩为;梁传给柱下端弯矩为。结合鉴定标准关于柱的计算方法,可以得出柱上下端的计算弯矩,见式 (14~15) 所示。

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2 框筒结构层受剪承载力计算的建议方法

2.1 梁柱节点平衡法

根据强柱弱梁的设计概念,假定梁端均能达到正截面受弯承载力后框架柱最后才屈服(塑性铰不先出现于柱端),此时整个结构达到整体破坏,次时,层间柱端正截面受弯承载力根据梁柱节点平衡按弹性分配确定,计算简图见图1所示。

他的声音甚至压倒音乐。阿东停下脚步,把手中的骨灰坛递给阿里,悲伤地说:“阿里,你抱一下姆妈,往后再没得机会了。”

  

图1 梁柱节点平衡计算简图Fig.1 The calculation diagram of beam-column node balance

对于框架-核心筒结构体系是由延性框架和筒体两部分系统组成。核心筒作为第一道防线,在高规和抗震中关于核心筒抗震等级高于框架的规定中体现出来。核心筒的抗侧刚度远比框架大得多,在强震中吸收了绝大部分的水平剪力,在小震和风荷载作用下主要控制结构的水平侧移。框架作为框架-核心筒结构的第二道防线,主要承担竖向荷载,加之框架在平面内的力臂较大使得承担的倾覆力矩比较大。

 

将式(14)、(15)代入式(3)得;

 

将式(10~12)代入式(9), 得

2.2 筒柱剪力分配法

对于抗震设计的框架柱、框支柱端部截面的剪力设计值,对于一级框架结构及9度时的框架,高规6.2.3规定如下式(17)所示:

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式(17)中:ΣMc节点上下柱端截面顺时针或逆时针方向组合的弯矩设计值之和;ΣMbua节点左右两端逆时针或顺时针方向实配的正截面抗震受弯承载力所对应的弯矩值之和。

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在弹性阶段,根据梁柱节点弯矩平衡,取框架梁先于框架柱达到正截面受弯承载力时的弯矩平衡(κ为框架柱刚度分配系数),有:

 

联立式(17)和(18)式, 得:

 

由图3(d)可知,稻谷中叶黄素的提取量随着温度的上升而增加,叶黄素提取量随温度变化规律与Kang等[27]的研究一致。当温度到达50℃后,叶黄素中有不饱和键,过高的温度易导致叶黄素分解和异构化[28],此时不利于叶黄素的提取,所以选择提取温度为50℃。

车重(kg) ...................................................................157

 

同理,对于剪力墙,有:

 

框架柱作为框筒结构中二道防线,在强震中核心筒往往先于框架柱屈服。此时整体刚度减小,框架柱的剪力上升受到限制。联立式(20)和 (21)式,得:

 

即:

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由于计算程序功能的限制梁柱节点平衡法尚存在一定的困难。以下案例是针对筒柱剪力分配法进行展开说明。

3 工程案例

某高层建筑框筒结构,地上31层,结构高度131.7 m,地下4层,抗震等级为一级。楼板混凝土强度等级采用C30,钢筋采用HRB400。楼板厚度为100/120 mm,核心筒内为150 mm。平面为41.3×41.3 m,核心筒为24.0×16.1 m,外框混凝土柱由 1 100×1 300 mm由下至上减少到 800×800mm逐渐收进,其标准层平面见图2所示。

  

图2 典型层平面图Fig.2 Typical floor plan

对于框架柱的受剪承载力,采用规范算法计算的首层框架柱受剪承载力为101 074 kN,本文建议方法(式18)计算的框架柱首层承载力为48 736 kN;可见规范对于框筒结构框架部分的算法结果比较偏大。主要原因是规范方法假定框架柱能够达到屈服状态(即极限受剪状态)。

同时,对层受剪承载力,按照规范方法计算的首层层受剪承载力142 100 kN,本文建议方法计算的层受剪承载力为89 762 kN(限于篇幅,只列X向)。规范方法与建议方法沿楼层高处的变化对比见图3所示。

  

图3 规范方法与建议方法对比图Fig.3 Comparison of standard method and recommended method

从图3中可以发现,本文建议方法计算的楼层受剪承载力在底层约为规范方法计算的0.7倍,即关于该高层框筒结构规范方法计算的楼层受剪承载力比实际结构在强震中放大了约35%,这需要工程师引起高度重视。在靠近结构顶层时两种计算方法计算结果比较接近。在没有进行弹塑性层受剪承载力专项分析的前提下,可以采用本文的建议方法进行复核,如果不满足,则应进行相应的弹塑性分析并采取相应的应对措施。

5 结语

本文主要研究结果,可归纳如下:

(1)现行规范对于框筒结构中框架柱的层受剪承载力计算方法的适用条件为 “弱柱”型,即柱子先于框架梁达到屈服状态求得层受剪承载力,对于框架-核心筒结构的框架柱往往不能屈服相悖。

(2)结合框架-核心筒结构关于多道防线的设计概念给出了 “梁柱节点平衡法”和 “筒柱剪力分配法”两种层受剪承载力的计算方法,并通过工程案例给出了后者方法的应用。

参考文献:

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50023-2009建筑抗震鉴定标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[4]周 露,宁响亮,庾光忠.近场高烈度区高层框筒结构组合隔震设计与分析[J].华南地震,2017,37(2):71-78.

[5]吴 迪,霍维刚,熊 焱,等.某高层框架-剪力墙基础隔震结构地震响应分析[J].华南地震,2017,37(2):65-70.

 
陈兆荣,潘东辉,魏春玲,刘波,徐新星
《华南地震》 2018年第01期
《华南地震》2018年第01期文献

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