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        高烈度區(qū)高層建筑結(jié)構(gòu)方案探析

        2021-06-29 02:08:02黎虎
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2021年17期
        關(guān)鍵詞:梁高連梁側(cè)向

        黎虎

        (上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院集團(tuán)第六設(shè)計(jì)院有限公司,安徽 合肥230000)

        隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,各地的高層建筑數(shù)量與日俱增、規(guī)模不斷擴(kuò)大,高層建筑平面布置和立面造型又千差萬別,作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員,對(duì)于7度及其以下設(shè)防的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可能有一定的經(jīng)驗(yàn),但高烈度區(qū)的又有什么不同,難點(diǎn)在哪,有什么好的應(yīng)對(duì)措施,這些都是設(shè)計(jì)人員將要面對(duì)的新課題,本文以具體真實(shí)案例進(jìn)行詳細(xì)的分解、闡述和說明。

        1 工程概況

        本工程案例位于山東省聊城市莘縣,建筑物為高層住宅,地上18層,總高度52.20 米,層高2.9 米,地下室為兩層儲(chǔ)藏室,層高為2.95 米+2.90 米,主樓地下室外周邊與一層地下車庫(kù)相連接。本地區(qū)基本抗震設(shè)防烈度為8度,設(shè)計(jì)地震分組第二組,地震加速度為0.20 g,依據(jù)本工程地質(zhì)勘察報(bào)告,其場(chǎng)地類別為Ⅲ類,基本風(fēng)壓0.45 kN/m2(50年一遇),基本雪壓0.35 kN/m(50年一遇)。結(jié)構(gòu)形式為剪力墻結(jié)構(gòu),抗震等級(jí)為二級(jí),墻體材料為蒸壓砂加氣混凝土砌塊。

        2 結(jié)構(gòu)布置

        建筑標(biāo)準(zhǔn)層布置見圖1,本戶型為四戶95.0 平方,兩部電梯位置均設(shè)置在北側(cè),中間一部樓梯,設(shè)置連廊連接兩邊,北側(cè)中部為天井開大洞。

        圖1

        結(jié)合建筑平面各項(xiàng)功能房間布置,進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體布置,包括剪力墻、框架梁、連梁、次梁、板布置等。

        剪力墻、框架梁和連梁布置,第一輪,首選布置一般剪力墻,先按常規(guī)7度區(qū)高層建筑設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn),在建筑物兩端部及中間隔開間設(shè)置剪力墻,電梯間、樓梯間設(shè)置剪力墻,剪力墻肢長(zhǎng)基本在2.0 米左右,框架梁梁高按常規(guī)1/12L跨高比取值。經(jīng)初步計(jì)算發(fā)現(xiàn),《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011(以下簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》)規(guī)定的彈性層間位移角限值1/1000的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了,特別是中部的樓層,經(jīng)過不斷的試算,不斷調(diào)整剪力墻長(zhǎng)度、位置、數(shù)量,得出第一版能滿足此條要求的剪力墻布置,基本每個(gè)房間兩邊均需要設(shè)置剪力墻,而且剪力墻多數(shù)都很長(zhǎng),對(duì)應(yīng)梁截面均不大,基本沒有連梁,樓層整體和構(gòu)件其他指標(biāo)均能滿足《抗規(guī)》、《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》JGJ 3(以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》)要求,但整體來看,剪力墻數(shù)量較多,基本就沒剩下多少是磚墻了,經(jīng)濟(jì)指標(biāo)很不樂觀。

        第二輪,保持建筑物兩端部、電梯間、樓梯間剪力墻不變,嘗試隔一開間設(shè)置剪力墻,減少剪力墻數(shù)量,在不影響建筑門、窗洞口布置的前提下,采用盡可能增加框架梁及連梁梁高的方法增加整體側(cè)向剛度。調(diào)整完畢后,剪力墻數(shù)量減少了約25%,效果明顯,但同時(shí)又出現(xiàn)新問題,框架梁和連梁截面多數(shù)都很大,標(biāo)準(zhǔn)層Y向幾道連接長(zhǎng)肢剪力墻的連梁高需要增加到1.2 m,標(biāo)準(zhǔn)層X向外周邊幾道大梁梁高需要增加到1.0 m,梁高過高,也不符合抗震設(shè)計(jì)的強(qiáng)柱弱梁理念。

        第三輪,轉(zhuǎn)換思路,梁截面過大,就采用增加剪力墻來降低梁跨、變單跨梁為多跨梁,結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度變化不大;增加的剪力墻采用短肢剪力墻,因后增加的短肢剪力墻數(shù)量不多,也不會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體變?yōu)槎讨袅^多的結(jié)構(gòu)體系。

        主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件確定后,再依據(jù)建筑平面上墻體布置設(shè)置次梁,并按計(jì)算結(jié)果確定梁高。局部短墻下可不設(shè)次梁,在板底設(shè)置加強(qiáng)筋,模型計(jì)算中可在板上對(duì)應(yīng)位置輸入樓面線載處理。樓面板板厚的確定,除了滿足規(guī)范和計(jì)算外,還要符合當(dāng)?shù)刈≌|(zhì)量通病防治措施(山東省和聊城市均有)的相關(guān)要求,樓面板板厚不宜小于100,板內(nèi)有交叉管線的板厚不宜小于120;板跨大于4.2 m的板厚不宜小于120;樓面開洞洞口周邊板厚應(yīng)加強(qiáng),其板厚不宜小于120;連廊和樓梯間處,樓面板有效寬度基本接近2.0 m的最小限值,又因天井開大洞,此處樓面板應(yīng)加強(qiáng),其板厚取150;屋面板板厚不宜小于120。

        本工程上部結(jié)構(gòu)的嵌固端位置為地下室頂板,地下室頂板板厚取值180;依據(jù)《高規(guī)》和《抗規(guī)》要求,地下一層與相鄰上層的樓層側(cè)向剛度比不宜小于2.0 ,此時(shí)的地下室一層側(cè)向剛度計(jì)算可計(jì)入外周邊車庫(kù)結(jié)構(gòu)的有利作用,本工程取相鄰兩跨框架并入計(jì)算。

        最終定稿結(jié)構(gòu)方案布置見圖1,剪力墻數(shù)量適量、布置較均勻,X向、Y向梁高基本在800以內(nèi),延性較好;結(jié)構(gòu)雙向側(cè)向剛度較均勻,剛心與質(zhì)心偏心不大,結(jié)構(gòu)最大位移比和最大層間位移比均不大于1.20 ;結(jié)構(gòu)自振周期扭轉(zhuǎn)周期比為0.84 <0.90 ;最大彈性層間位移角,X向?yàn)?/1006,Y向?yàn)?/1004;其它指標(biāo)均能滿足要求。整樓的主要工程材料鋼筋、砼對(duì)應(yīng)的每平方含量指標(biāo)均略低于當(dāng)?shù)赝愋透邔拥闹笜?biāo)平均值,經(jīng)濟(jì)指標(biāo)合理。

        3 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

        高烈度區(qū)高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),整體指標(biāo)上,最大的難點(diǎn)是彈性層間位移角限值和構(gòu)件剪壓比很難滿足要求,而且很難同時(shí)滿足,甚至可能是互為矛盾,究其根本原因還是由于高烈度區(qū)地震作用水平力過大引起的。

        彈性層間位移角限值控制是一大難題,解決的方法就是增加結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)力剛度。盡量充分利用在同一軸線上的剪力墻和連梁(或框架梁),形成多跨或至少單跨框架,整體側(cè)向剛度增加幅度大;在不影響建筑功能使用的前提下,可在局部設(shè)置截面較大的連梁來增加側(cè)向剛度;南北側(cè)外墻,因受建筑門、窗布置影響,剪力墻布置位置受限,應(yīng)盡量滿布剪力墻翼墻至門窗洞口邊,充分利用有限的空間,增加X向側(cè)向剛度;在梁高受限,或梁高經(jīng)計(jì)算需要很大(如梁高1.0 米以上),可考慮增設(shè)部分短肢剪力墻來減小梁跨度,降低梁高,當(dāng)然,短肢剪力墻不能過多,不能超過《高規(guī)》規(guī)定的要求(第7.1.8 條),否側(cè)整體結(jié)構(gòu)方案有本質(zhì)的變化,變?yōu)榫哂休^多短肢剪力墻的結(jié)構(gòu)體系,本身就是抗震不利的。提醒下,模型計(jì)算時(shí),應(yīng)勾計(jì)算地震位移時(shí)不考慮連梁剛度折減項(xiàng),否側(cè)此項(xiàng)指標(biāo)更難滿足要求,此做法符合《抗規(guī)》第6.2.13 條要求。同一方向的各軸線上的剛度盡量接近,特別是外周邊的,比如X向的南北兩側(cè);細(xì)致的模型試算就會(huì)發(fā)現(xiàn),在其它結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置不變的情況下,單獨(dú)調(diào)整X向南側(cè)或北側(cè)的梁高,有的標(biāo)準(zhǔn)層梁高增加100,對(duì)整體彈性層間位移角控制貢獻(xiàn)較大且明顯,而有的標(biāo)準(zhǔn)層梁高增加100~300對(duì)整體彈性層間位移角控制都沒有多大貢獻(xiàn),甚至局部的梁增加反而起反向作用。

        剪壓比的調(diào)整是另外一大難點(diǎn),解決的方法就是相應(yīng)的或者相對(duì)的減少構(gòu)件剪力。剪力墻的剪壓比和梁的剪壓比超限,絕不能單一的認(rèn)為增加構(gòu)件尺寸和截面就可以解決,往往是越增加剪力墻長(zhǎng)度,越增加梁高,該處的側(cè)向剛度在整體剛度中所占比重越大,其剪壓比依舊不能解決,甚至是越增越嚴(yán)重,反而是需要降低此處側(cè)向剛度來達(dá)到目的。另外一個(gè)方法就是增加構(gòu)件寬度,一般剪力墻結(jié)構(gòu),剪力墻厚度基本都是200,增加剪力墻厚度,會(huì)相應(yīng)減少住戶戶內(nèi)的使用面積;加大梁寬,住戶戶內(nèi)房間頂部會(huì)有向內(nèi)突出的梁線,影響使用效果,一般不輕易采用增加構(gòu)件寬度的方法來解決剪壓比問題。還有一個(gè)方法就是提高構(gòu)件的砼強(qiáng)度等級(jí),模型調(diào)整到最后,一般都是個(gè)別樓層的極少數(shù)構(gòu)件的剪壓比超限難解決,因個(gè)別構(gòu)件的因素而調(diào)整整層結(jié)構(gòu)構(gòu)件的砼強(qiáng)度等級(jí),不經(jīng)濟(jì),也不合理。連梁的剪壓比超限,有條件的可以調(diào)整梁的跨度,一般連梁跨度不小于2.0 米為宜,否側(cè)跨度越小,越容易出現(xiàn)此問題,連梁兩邊的剪力墻墻肢長(zhǎng)度要合理,要留給連梁合理的跨度。連梁的剪壓比超限還可以采用開縫連梁(或雙連梁)的方式來解決,開縫即在原有大截面連梁中部設(shè)置一道水平貫通的縫,縫寬20~30,使此連梁變?yōu)閮傻懒海档驮瓉淼倪B梁剛度,構(gòu)件吸收的地震作用相應(yīng)就會(huì)減少?gòu)亩鉀Q剪壓比超限問題;當(dāng)然開縫后,結(jié)構(gòu)的整體側(cè)向剛度會(huì)降低,需要再次調(diào)整模型。

        彈性層間位移角限值和構(gòu)件剪壓比同時(shí)滿足是最大難點(diǎn),為了滿足降低彈性層間位移角,必須增加結(jié)構(gòu)整體側(cè)向剛度,在建筑平面布置的有限條件下,對(duì)應(yīng)的措施往往需要增加剪力墻長(zhǎng)度、加大梁高,但這些措施一旦過量就極其容易引發(fā)連梁及剪力墻剪壓比超限;結(jié)構(gòu)模型的調(diào)整需要耐心、細(xì)致,找對(duì)方向,方法得當(dāng),才能找到滿足要求的平衡點(diǎn)。

        除上述難點(diǎn)以外,其它方面也應(yīng)引起重視:

        盡量不要布置與剪力墻墻肢垂直相連接的梁,住宅剪力墻一般墻厚為200,次梁與剪力墻相交的位置墻厚僅為200,梁縱筋在墻內(nèi)的錨固長(zhǎng)度很難滿足要求,最好采用直徑14mm以下的縱筋,否則梁縱筋的錨固要另外措施其他可靠的措施,如增設(shè)焊接短筋等。若不可避免,也應(yīng)盡可能在梁端設(shè)置凈長(zhǎng)度不小于400的剪力墻翼墻,以便提供給梁縱筋足夠的錨固區(qū)域。

        樓面梁、單邊次梁不宜支承在剪力墻的連梁上,會(huì)對(duì)連梁產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng),應(yīng)盡量避免。樓面框架梁、主受力次梁不能支承在剪力墻的連梁上;樓面小截面次梁支承在連梁上,次梁端部可以按鉸接計(jì)算。

        地震作用效應(yīng)計(jì)算時(shí),可對(duì)剪力墻連梁剛度進(jìn)行折減,一般6、7度是可以取0.70 ,當(dāng)8、9度時(shí)可取0.60 ~0.50 ,最低0.50 ,以保證連梁承受豎向荷載的能力;剛度折減緩解了連梁因彎矩、剪力大,配筋困難的問題。

        4 結(jié)論

        高烈度區(qū)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)整體方案要合理,要明確其重點(diǎn)和難點(diǎn),要知道其形成的機(jī)理,對(duì)癥下藥,模型試算要細(xì)致,其調(diào)整要有明確的方向,才能達(dá)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全、經(jīng)濟(jì)、合理的效果。

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