唐 偉
(中國建筑標準設計研究院,北京 100044)
新版抗規(guī)與新版高規(guī)已經(jīng)頒布和使用。這兩本規(guī)范中均對“少墻框架”的定義與設計方法做出了解釋和相應要求。認真理解這些規(guī)定和要求有助于更好的在具體項目中應用少墻框架結(jié)構(gòu)體系。
少墻框架結(jié)構(gòu)實際上是框架—剪力墻結(jié)構(gòu)中的一類較為特殊的形式,它的受力特征在“框架結(jié)構(gòu)—框架剪力墻結(jié)構(gòu)—剪力墻結(jié)構(gòu)”的變化中接近框架結(jié)構(gòu)。JGJ 3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程和GB 50011-2010建筑抗震設計規(guī)范對此都有相應的定義和設計方法。
在GB 50011-2010建筑抗震設計規(guī)范中,6.1.3條及其條文解釋將框架—剪力墻結(jié)構(gòu)分為三類,見表1。
表1 抗規(guī)對框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的細分
在JGJ 3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程中,8.1.3條按照在規(guī)定的水平力作用下結(jié)構(gòu)底層框架部分承受的地震傾覆力矩與結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的比值,把框架—剪力墻結(jié)構(gòu)分成了四種類型,并給出相應設計方法,見表2。
按照GB 50011-2010建筑抗震設計規(guī)范中6.1.3條的條文解釋,少墻框架層間位移角限值需按底層框架部分承擔傾覆力矩的大小,在框架結(jié)構(gòu)和框架—抗震墻結(jié)構(gòu)兩者的層間位移角限值之間偏于安全內(nèi)插。而按照JGJ 3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程中8.1.3條的條文解釋,少墻框架的位移相關控制指標按框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的規(guī)定采用,對于Mf/M0≤80%的情況,如果最大層間位移角不能滿足框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的限值要求,可按有關規(guī)定,進行結(jié)構(gòu)抗震性能分析論證。
表2 按傾覆力矩比細分的框架剪力墻結(jié)構(gòu)
按GB 50011-2010建筑抗震設計規(guī)范中6.1.4條規(guī)定,少墻框架結(jié)構(gòu)應按框架結(jié)構(gòu)的要求設置抗震縫。
按GB 50011-2010建筑抗震設計規(guī)范中6.2.13-4條規(guī)定,設置少量抗震墻的框架結(jié)構(gòu),其框架部分的地震剪力值,宜采用框架結(jié)構(gòu)模型和框架—抗震墻結(jié)構(gòu)模型二者計算結(jié)果的較大值。按照這個要求實際設計時,框架的設計需要進行兩個模型的包絡設計,即根據(jù)不帶剪力墻的框架結(jié)構(gòu)模型和帶剪力墻的少墻框架結(jié)構(gòu)兩個模型的計算結(jié)果進行框架的設計。但對于抗震墻的詳細設計要求沒有表述。
而JGJ 3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程中,并未對少墻框架中的剪力墻有特殊說明,但對于少墻框架結(jié)構(gòu)的表述出現(xiàn)在“8框架—剪力墻結(jié)構(gòu)設計”章節(jié)中,這就有了默認的一個前提,即:少墻框架結(jié)構(gòu)屬于框架—剪力墻結(jié)構(gòu)。按此理解,少墻框架中的剪力墻設計也須按照普通的框架—剪力墻結(jié)構(gòu)進行。然而我們知道,雖然少墻框架中剪力墻較少或很少,但由于剪力墻的剛度要大于框架,還是會吸引很大的地震作用,因此少墻框架結(jié)構(gòu)中的剪力墻往往出現(xiàn)抗剪承載力超限和暗柱縱筋超筋的情況,很難調(diào)整。
目前在實際工程項目中,對于少墻框架中剪力墻的設計沒有統(tǒng)一定論,但是存在幾種設計方法:
1)按照構(gòu)造要求進行配筋設計。這種設計方法把剪力墻僅當作框架結(jié)構(gòu)的一個安全儲備。具體說就是不看剪力墻的計算結(jié)果,剪力墻完全按照構(gòu)造要求進行分布筋和暗柱縱筋的設計。
2)按照剪力墻的承載能力上限進行配筋設計。對于沒有超筋(包括抗剪超筋和抗彎超筋)的剪力墻,按照計算結(jié)果進行配筋設計。對于抗剪超筋的剪力墻,按照其截面尺寸所能承受的最大剪力設計值進行墻體的水平分布筋的設計。按構(gòu)造要求進行墻體的豎向分布筋設計。對于抗彎超筋的剪力墻,按照計算結(jié)果進行墻體水平及豎向分布鋼筋的設計。暗柱的縱筋可按照暗柱的最大配筋率進行設計,如果抗彎超筋較多,可以將暗柱適當加大,以滿足暗柱最大配筋率的要求。
以上兩種設計方法中,第一種設計方法的思路是,把少墻框架結(jié)構(gòu)仍歸到框架結(jié)構(gòu)的范疇,框架按照有墻無墻兩個模型進行包絡設計,而剪力墻僅用來提供側(cè)向剛度,以解決純框架結(jié)構(gòu)小震時彈性層間位移角超出限值的問題(無墻模型的層間位移角可以不考慮限值要求)。剪力墻在中震及大震情況下破壞,退出工作??蚣馨凑瞻j設計的計算結(jié)果進行設計。
第二種設計方法的思路在第一種設計方法的基礎之上,進一步提高剪力墻的設計配筋標準,不僅僅解決純框架結(jié)構(gòu)小震時彈性層間位移角超出限值的問題,同時盡可能高的加強剪力墻,使之即使不能完全實現(xiàn)“第一道防線”的作用,也能在地震作用下吸收一定的地震能量,減輕框架的負擔,從而增加安全儲備。
由于規(guī)范缺少詳細的說明,因此上述兩種少墻框架中剪力墻的設計方法并沒有在設計院之間形成明確共識,不同的審圖單位執(zhí)行的標準也不盡相同,因此具體的工程設計中,設計方應與審圖單位對此問題進行充分有效的溝通。或者在結(jié)構(gòu)方案階段就結(jié)構(gòu)體系的選擇上盡可能避開少墻框架這種結(jié)構(gòu)類型。
規(guī)范在設計上給出了對于少墻框架結(jié)構(gòu)的相關要求,而設計人員在進行一個具體的項目時,不僅僅要看選擇的結(jié)構(gòu)體系是不是符合項目本身的特性,也要看結(jié)構(gòu)體系的經(jīng)濟性。下面用一個簡單的實例看一下少墻框架對于框架結(jié)構(gòu)是否經(jīng)濟。
一工程平面布置為:長8.4 m×6,寬8.4 m ×4,共6層,層高均為3.8 m,平面布置見圖1。
圖1 框架結(jié)構(gòu)平面布置圖
地震相關參數(shù)為:8度(0.20g),Ⅱ類場地,設防地震分組第一組,考慮偶然偏心。方案A采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),框架柱700×700,框架梁400×700,計算結(jié)果均滿足規(guī)范相關要求。方案B采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),框架柱600×600,框架梁400×700,計算結(jié)果中的層間位移角不滿足規(guī)范要求。方案C在方案B的基礎上利用樓梯間增設了少量剪力墻(見圖2),剪力墻厚200,根據(jù)計算結(jié)果方案C為少墻框架結(jié)構(gòu)。方案A,B,C對應的信息及計算結(jié)果見表3。
圖2 少墻框架結(jié)構(gòu)平面布置圖
表3 方案A,B,C的分析結(jié)果對比
按照GB 50011-2010建筑抗震設計規(guī)范的要求,在框架結(jié)構(gòu)和框架—抗震墻結(jié)構(gòu)兩者的層間位移角限值之間偏于安全內(nèi)插。
1)按照 Mf/M0=1.0,層間位移角限值1/550,Mf/M0=0.5,層間位移角限值1/800來內(nèi)插,得到方案C的層間位移角限值為1/647。
2)按照 Mf/M0=1.0,層間位移角限值1/550,Mf/M0=0.1,層間位移角限值1/800來內(nèi)插,得到方案C的層間位移角限值為1/600。
綜合1),2),方案C的X向?qū)娱g位移角限值應為1/647。
1)按照 Mf/M0=1.0,層間位移角限值 1/550,Mf/M0=0.5,層間位移角限值1/800來內(nèi)插,得到方案C的層間位移角限值為1/721。
2)按照 Mf/M0=1.0,層間位移角限值 1/550,Mf/M0=0.1,層間位移角限值1/800來內(nèi)插,得到方案C的層間位移角限值為1/633。
綜合1),2),方案C的X向?qū)娱g位移角限值應為1/721。
按GB 50011-2010建筑抗震設計規(guī)范中6.2.13-4條規(guī)定,該項目在考慮少墻框架結(jié)構(gòu)時,框架的設計需要進行方案B(不帶剪力墻的框架結(jié)構(gòu)模型)和方案C(帶剪力墻的少墻框架結(jié)構(gòu)模型)的包絡設計。因此,框架和板配筋的總量為max(322.7;297.0)=322.7 t。剪力墻的配筋按照剪力墻的承載能力上限進行配筋設計,其墻體鋼筋總量為13.5 t。少墻框架的總用鋼量為336.2 t,大于方案A(框架結(jié)構(gòu))的總用鋼量320.3 t,約增加了5%。而混凝土用量上,少墻框架與方案A基本相當??紤]到方案C的剪力墻配筋是按照剪力墻的承載能力上限進行的,若全按照構(gòu)造配筋,則用鋼量會降低。以此例綜合來看,方案C與方案A的造價基本相當。
少墻框架結(jié)構(gòu)往往是由于建筑布局而無法設置足夠的剪力墻而形成典型的框架—剪力墻結(jié)構(gòu)時出現(xiàn)的。由于在少墻框架結(jié)構(gòu)中,剪力墻無法成為有效的“第一道防線”,而且在經(jīng)濟性上也沒有優(yōu)勢,因此在抗震概念設計上,我們要盡可能采用其他結(jié)構(gòu)體系而不采用少墻框架結(jié)構(gòu)。另一方面,如果一個純框架結(jié)構(gòu)其他方面都很合理,僅層間位移角略超規(guī)范限值,這個時候才是少墻框架結(jié)構(gòu)得到應用的合適機會。
[1] GB 50011-2010,建筑抗震設計規(guī)范[S].
[2] JGJ 3-2010,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].
[3] 朱丙寅.建筑抗震設計規(guī)范應用與分析[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.