高培文,龐臣軍
(1.中國城市建設研究院有限公司,北京100120;2.河北寰球工程有限公司,河北 保定072750)
框架結構因門廳大堂、過街通道、設備專業(yè)等建筑使用功能要求而設置夾層。夾層一般層高較小,多數情況下小于2.2m,較小的層高導致夾層框架結構柱剪跨比小于2,形成短柱。短柱破壞形式為剪切或黏性破壞,結構延性較差,屬于脆性破壞,歷次大地震中短柱破壞仍然是造成鋼筋混凝土框架結構破壞甚至倒塌的一個重要因素[1]。設計中對剪跨比小于2的短柱,通常采用減小軸壓比限值、增大箍筋面積、加密箍筋配筋等措施,但剪跨比太小(小于其臨界值),以箍筋屈服起控制的剪切破壞對剪跨比作用將不敏感[2]??蚣芙Y構夾層的存在引起結構豎向不規(guī)則,側向剛度突變、樓層承載力突變等一系列問題,設計中若不采取措施,結構計算指標難以滿足規(guī)范要求,同時地震過程中,短柱塑性變形集中,豎向構件損傷比較嚴重,影響結構的抗震安全性能[3]。
剪跨比為框架柱所受彎矩與其剪力和柱的有效截面高度之比,其計算公式為:
式中,λ為剪跨比;Mc、Vc分別為柱端截面組合彎矩、剪力計算值;h0為截面有效高度。
通常情況下,剪跨比宜大于2.0,剪跨比小于2.0而大于1.5的框架柱稱為短柱(即反彎點位于柱高中部時,柱凈高與截面高度之比小于4的柱);剪跨比小于1.5的框架柱稱為超短柱。
剪跨比λ的大小決定框架柱的破壞方式:當λ>2.0時,框架柱延性較大,水平荷載下發(fā)生彎曲破壞;當λ<2.0時,框架柱成為短柱,結構延性較差,水平荷載下發(fā)生剪切或黏性破壞。剪跨比λ對框架結構抗震性能的影響,主要表現在隨著λ提高,框架結構柱延性增大,變形性能增強。
某工程位于海南省??谑?,結構形式為現澆框架結構,地上5層,局部有1設備夾層(層高1.8m),地下1層,結構高度28.5m。建筑結構的安全等級為二級,設計使用年限為50年,建筑抗震設防類別為丙類(標準設防類),抗震設防烈度為8度,設計地震分組為第一組,設計基本地震加速度:0.20g,建筑物場地類別為Ⅱ類,框架抗震等級為一級。
設備夾層框架柱截面為800mm×600mm,框架梁截面為400mm×800mm,按普通混凝土梁板夾層(以下簡稱模型1)設計,柱凈高與截面高度之比遠小于4,可以判斷該層框架柱為短柱。模型1設備夾層框架柱計算剪跨比為0.94,為超短柱,短柱效應明顯,從而導致整體結構豎向不規(guī)則、側向剛度突變、樓層承載力突變等,加上酒店大堂樓面板布置不連續(xù)開洞率大于30%,根據GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》(2016年版)和《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》的相關規(guī)定,該結構屬于特別不規(guī)則結構,結構設計應采取更加有效的措施。
模型計算時,設備夾層采用鋼梁鉸接組合樓板夾層(以下簡稱模型2)設計,框架柱與鋼梁之間留設變形縫,框架柱預埋連接板與鋼梁采用高強螺栓連接,連接處螺栓孔采用長圓孔。計算模型中鋼梁與框架柱鉸接連接,同時設置變形縫,鋼梁鉸接組合樓板層僅傳遞豎向荷載,鋼梁軸線方向不限制變形,避免其抗彎剛度對框架柱的影響,梁柱連接處框架柱不會形成塑性鉸,框架柱計算剪跨比時可以不考慮鋼梁的作用,避免夾層產生短柱效應,同時模型計算假定與工程實際基本符合。
參考管架與主體建筑防震縫Δ計算公式:
式中,βd為大震作用于小震作用之比;ΔE為架空連梁跨度方向小震反應譜彈性水平位移。
計算中ΔE值取計算模型中層間位移計算值,按式(2)防震縫寬度計算值為23.4mm,結合工程實際,建議設計取值為40.0mm,鋼梁與框架柱埋板連接處螺栓采用10.9級M24的高強螺栓,長圓孔采用80mm×25.5mm。
與模型1對比可知,模型2框架柱剪跨比計算值為2.82,大于2,滿足規(guī)范限值要求(規(guī)范要求計算軸壓比限值時,框架柱剪跨比宜大于2),能夠避免模型1框架柱剪跨比太小而引起的超短柱脆性破壞問題。
圖1為模型1與模型2框架結構X向和Y向側向剛度比對比圖,通過圖1可知,X,Y方向本層側移剛度與上一層相應側移剛度70%的比值或上3層平均側移剛度80%的比值中之較小者大于1.0,結構側向剛度較規(guī)則。
圖1模型1與模型2側向剛度比對比圖
圖2模型1與模型2樓層承載力比對比圖
圖2為模型1與模型2框架結構X向和Y向樓層承載力比對比圖,通過圖2可知,X,Y方向本層抗側力結構的層間承載力與上一層的承載力之比大于0.8,樓層承載力較均勻。
通過對比普通混凝土梁板夾層與鋼梁鉸接組合樓板夾層的計算結果:鋼梁鉸接組合樓板夾層模型計算剪跨比值2.82,結構側向剛度比值RatX1=1.098 2、RatY1=1.070 1,樓層承載力比值RatioX=1.02、RatioY=1.18,以上計算指標值比較合理,均能滿足規(guī)范要求滿足。
框架結構采用鋼梁鉸接組合樓板夾層,通過框架柱與鋼梁連接處設置合理變形縫值的計算模型,計算假定與工程實際相符合,計算結果表明,框架結構計算剪跨比、側向剛度比、樓層承載力比等計算指標值均滿足規(guī)范要求,可以解決框架結構夾層因剪跨比較小引起的框架柱短柱問題,對今后類似項目有一定的設計參考價值。