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一般常规钢筋混凝土结构的抗震设计之一



第一节  结构布置和抗震等级
7.1  如何理解和掌握裙房抗震等级不低于主楼的抗震等级?
高层建筑往往带有裙房,有时裙房的平面面积还较大。设计上,裙房与主楼在结构上可以完全分开,也可以连接为整体。2001规范第6.1.3条规定:裙房与主楼相连,除应按裙房本身确定外,不应低于主楼的抗震等级;主楼结构在裙房顶层及相邻上下各一层应适当加强抗震构造措施。裙房与主楼分离时,应按裙房本身确定抗震等级。
当主楼与裙房相连时,可能遇到以下几种情况:
(1)主楼为部分框支抗震墙结构体系时,其框支层框架应按部分框支抗震墙结构确定抗震等级,裙楼仍可按框架—抗震墙体系确定抗震等级。此时,裙楼中与主楼框支层框架直接相连的非框支框架,当其抗震等级低于主楼框支层框架的抗震等级时,则应适当加强抗震构造措施。
(2)裙房为纯框架且楼层面积不超过同层主楼面积,主楼为抗震墙结构。此时裙楼框架的地震作用可能大部分由主楼的抗震墙承担,其抗震等级不应低于整个结构按框架-抗震墙结构体系和主楼高度确定的框架部分的抗震等级;主楼抗震墙的抗震等级,可参照表 6.1.2关于部分框支抗震墙结构的抗震墙按加强部位以上和加强部位区别对待的原则,主楼上部的墙体按总高度的抗震墙结构确定抗震等级;而主楼下部(高度范围至裙房顶以上一层)的抗震墙,抗震等级可按裙房高度的框架-抗震墙结构和主楼高度的抗震墙结构二者的较高等级确定。这意味着,当房屋高度在60~80m时,主楼上部的抗震墙,按高度 80m以下的抗震墙结构的抗震等级采用;而主楼下部(高度取至裙房顶以上二层)的抗震墙,按高度大于60m的框架-抗震墙结构的抗震等级采用。
(3)裙房为框架-抗震墙结构,面积较大,属于乙类建筑,设计时地震作用全部由裙房自身承担,主楼为丙类建筑。裙房的抗震等级,按裙房高度的乙类建筑(提高一度查表 6.1.2)和主楼高度的丙类建筑二者的较高等级确定。
7.2  框架-抗震墙结构中,什么情况下其框架部分的抗震等级应按框架结构确定?
当框架-抗震墙结构有足够的抗震墙时,其框架部分是次要抗侧力构件,可按框架-抗震墙结构中的框架确定抗震等级。89规范要求抗震墙底部承受的地震倾覆力矩不小于结构底部总地震倾覆力矩的50%;换句话说,框架部分承受的地震倾覆力矩小于结构总地震倾覆力矩的50%。
考虑到计算框架部分承受的地震倾覆力矩比较便于操作,2001规范6.1.3条l款规定,框架-抗震墙结构若在基本振型地震作用下,框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩Mo的50%,其框架部分的抗震等级应按框架结构确定,而房屋的最大适用高度可比框架结构适当增加。
这里,基本振型一般指每个主轴方向以平动为主的第一振型。
框架部分承受的地震倾覆力矩按下式计算:
 
式中  MC——框架-抗震墙结构在基本振型地震作用下框架部分承受的地震倾覆力矩;
      n——结构层数;
      m——框架i层的柱根数;
    Vg——第i层第j根框架柱的计算地震剪力;
      hi——第i层层高。
当MC>0.5Mo时,框架部分不是第二道防线,抗震等级不能比抗震墙有所降低。其抗震性能比框架结构好些,故最大适用高度可适当增加,增加值可根据墙体承担总地震作用的大小确定,一般不超过20%。
由式(7-1)可知,地震倾覆力矩的比例不是各个楼层计算,而是整个结构计算。对于单塔或多塔结构,塔楼为框架-抗震墙结构时,确定塔楼框架部分的抗震等级时,可按裙房顶标高处的倾覆力矩判断。
7.3  8度区抗震等级已经是一级,当为乙类建筑时,抗震措施按9度查表仍为一级,在此,两个一级是否完全相当?
2001规范表6.1.2为丙类建筑的抗震等级表,乙类建筑应提高一度查表确定抗震等级:8度时为二级者,提高后则为一级;8度时已经为一级者,按9度查表对应的抗震等级时仍为一级,但对应的最大适用高度是不同的,而且地震作用不同,构件的组合内力不同。
当8度乙类建筑的高度在表6.1.1的适用范围但超过表6.1.2中9度的适用范围时,如高度大于25m的框架结构、高度大于50m的框架-抗震墙结构、高度大于60m的抗震墙结构、高度大于70m的框架-核心筒结构和高度大于80m的筒中筒结构,应采取比一级更为有效的抗震措施,需要专门研究。主要是抗震构造措施应比一级适当加强,加强的幅度应与房屋高度有关,可参照《混凝土高规》“特一级”的构造要求;而有关抗震设计的内力调整系数一般可不必提高。
如果8度乙类建筑的房屋高度超过表6.1.1最大适用高度的要求,如高度大于45m的框架结构,高度大于100m的框架-抗震墙结构、抗震墙结构、框架-核心筒结构,以及高度大于120m的筒中筒结构,则属于超限高层建筑,其抗震措施应专门研究和论证,即经过超限设计的专项审查确定。
7.4  高度小于60m的框架-核心筒结构可否按框架—剪力墙结构确定抗震等级?
框架-核心筒结构是混凝土结构布置相对固定的一种结构形式,是框架-剪力墙结构的一种特例,其核心筒具有很强的空间工作性能,一般适用于房屋高度比较高的情况(大于 60m);而一般框架-剪力墙结构,墙体的布置形式比较灵活,房屋高度适用范围比较宽 (可小于60m)。因此,在表6.1.2中,框架-剪力墙结构按房屋高度60m为界线区分了不同的抗震等级,框架-核心筒结构的抗震等级没有按房屋高度区分。实际上,当房屋高度大于60m时,除6度区外,表6.1.2中框架-核心筒结构和框架-剪力墙结构的抗震等级是相同的。
对于房屋高度小于60m的框架-核心筒结构,若按框架-剪力墙结构确定其抗震等级,则除应满足核心筒的有关设计要求外,同时应满足对框架-剪力墙结构的其他要求,如剪力墙所承担的结构底部地震倾覆力矩的规定等。
7.5  钢筋混凝土短柱如何定义,短柱受力中有何特点,设计中该怎么处理?
1,短柱:钢筋混凝土结构中按内力计算值得到的剪跨比MC/(VCh0)不大于2、反弯点在柱子高度中部、柱净高与柱截面高度之比Hn/h不大于4。实际工程中,应注意由于实心粘土砖填充墙对框架柱的约束,如:框架柱间砌筑不到顶的隔墙、窗间墙以及楼梯间休息平台使框架柱变成短柱。还应注意计算的方向,柱子的截面高度应选取沿填充墙平面内的柱子截面尺寸,而不是选取柱子截面尺寸最大值(尽管这二者有时可能会相同)。
短柱的变形特征为剪切型、脆性破坏(参见附录B照片39~42)。
2,短柱的截面:根据轴压比和剪压比的要求确定。
轴压比限值应比一般柱降低0.05,按规范6.3.7条,对框架结构中的短柱,一、二、三级分别取0.65、0.75和0.85;对框架-抗震墙、板柱-抗震墙和核心筒外框结构的短柱,一、二、三级分别取0.70、0.80和0.90;对框支柱,一、二级分别取0.65和0.65。
截面组合的剪力设计值应满足下式要求(200l规范6.2.9条式6.2.9-2):
        
3,短柱的构造:按规范6.3.8~6.3.14条的有关规定,主要要求是:
  (1)纵向钢筋,6.3.9条要求抗震等级为一级时每侧纵向钢筋配筋率不宜大于1.2%。
  (2)箍筋加密范围,6.3.10条要求沿柱子全高加密。
  (3)箍筋间距,6.3.9条要求不应大于100mm。
  (4)箍筋形式,6.3.12条要求宜采用复合螺旋箍或井字复合箍,且体积配箍率在6~8度时不应小于1.2%,9度时不应小于1.5%。
  (5)梁柱节点核芯区箍筋,6.3.14要求,体积配箍率不应小于上下柱端的较大值(体积配筋率计算时,可以计人在节点有效宽度范围内梁的纵向钢筋)。
4,对于剪跨比小于1.5的超短柱要专门研究,如采取增设交叉斜筋、外包钢板箍、设置型钢或将抗震薄弱层转移到相邻的一般楼层。
7.6  抗震规范6.2.11条的条文说明中提到的“矮墙效应”是指什么,什么情况下应考虑矮墙效应?如何避免矮墙效应?
一般高宽比的钢筋混凝土剪力墙的受力状态分为弯曲型和弯剪型,而高宽比(总高度/总宽度)小于2的剪力墙,地震作用下的破坏形态为剪切破坏,类似短柱,属于脆性破坏,称为矮墙效应。
底部框架砖房的混凝土剪力墙,上部为砌体,混凝土部分的高宽比可能小于2,形成矮墙。
规范对剪力墙的规定适用于一般的剪力墙,不包括矮墙。为了避免矮墙效应,可在剪力墙上开竖缝或结构洞口,使每个墙肢成为高宽比大于2的墙,提高其延性。
框支结构中,落地墙在框支层剪力较大,按剪跨比计算也可能出现剪切破坏的矮墙效应,为了保证抗震墙在大震时的受剪承载力,只考虑有拉筋约束部分的混凝土受剪承载力。规范6.2.11条规定,验算落地抗震墙受剪承载力时不宜计人混凝土的受剪作用,若需计入混凝土的受剪作用,则墙肢在边缘构件以外的部位在两排钢筋间应设置直径不小于 8mm的拉结筋,且水平和竖向间距分别不大于该方向分布筋间距两倍和400mm的较小值。
7.7  房屋高宽比为何不作为超限高层建筑抗震专项审查的依据,如何计算高宽比?
根据《混凝土高规》4.2.3条的规定,各类混凝土结构的高宽比控制值如表7-l所示:
混凝土结构适用的最大高宽比    表7-1
结 构 类 型 6度 7度 8度 9度
框架、板柱-抗震墙 4 4 3 2
框架-抗震墙 5 5 4 3
抗震墙、筒体 6 6 5 4
 
高层建筑的高宽比规定,是对结构整体刚度、抗倾覆能力、整体稳定、承载能力以及经济合理性的宏观控制指标,是工程经验的总结。在《混凝土高规》中,对这些性能中的绝大部分已有些专门规定。例如,除了承载力、侧向位移验算外,在5.4.3条规定了考虑重力二阶效应时结构构件弯矩、剪力的增大系数:
对抗震墙结构、框架-抗震墙结构和筒体结构,ηi=l/[1-0.28H2ΣGj/(EJd)]
对框架结构,                             ηi=l/[1-2ΣGj/(Dihi)]
在5.4.4条规定了倾覆验算:
对抗震墙结构、框架-抗震墙结构和筒体结构,EJd≥1.4H2ΣGj 
对框架结构,                             Di≥10ΣGj/Hj
因此,不再将高宽比作为超限高层建筑的一个判断指标。在《混凝土高规》中的相应严格程度的用词是“不宜超过”规定值,允许有所松动,而且可以按有效数字取整控制,不计入小数点后的数值。
一般情况下,结构平面宽度可按该平面各水平方向的最小投影宽度计算,如L形平面的水平方向最小投影宽度指相应直角三角形斜边的高度;结构的高度,不计人局部突出屋顶的部分。大底盘结构的高宽比,可对整体结构和底盘以上的塔楼结构分别进行核算。《混凝土高规》条文说明中,裙楼刚度和面积“较大”,是相对塔楼面积而言的,具体量化可依据工程经验和规则性程度确定。
7.8  确定建筑物的抗震等级时,如果地下室顶板不作为上部建筑物的嵌固点,那么建筑物的高度该如何确定?是从室外地面算起还是从基础顶算起?
2001规范6.1.1条表6.1.1注l的说明,现浇钢筋混凝土房屋的房屋高度是指室外地面到主要屋面板板顶的高度(不包括局部突出的屋顶部分),因此按照规范6.1.2条表6.1.2确定房屋的抗震等级时,尽管地下室顶板不作为上部建筑物的嵌固部位,表中高度值仍是从室外地面算起。
7.9  混凝土结构的地下室顶板作为上部结构的计算嵌固部位,应满足什么要求?
规范第6.1.14条规定了地下室顶板可作为上部结构嵌固部位的有关要求,最关键的是做到地震时地上一层的柱底出现塑性铰,相当于强梁弱柱的概念。严格地说,嵌固端柱底的弯矩要由地下室顶板梁和地下室柱顶的弯矩共同承担,即采用提高地下室顶板梁和地下室柱顶的受弯承载力的方法来实现柱底的嵌固条件。
对于边柱和角柱,由于只有一面有梁,为满足该梁端截面受弯承载力不小于上柱下端实际受弯承载力的要求,可采用增大梁截面、或不增大梁截面而增加梁配筋的方法。设计时还应注意:
  (1)边柱处应设有钢筋混凝土抗震墙,无抗震墙或约束不太好时,边梁应采取增加箍筋等抗扭措施。
  (2)地下室的现浇顶板厚度不宜小于180mm且不宜有较大洞口。层数较少的低层钢筋混凝土框架结构,板厚可略小于180mm,但应注意满足人防要求。
  (3)地下室柱截面每侧的纵向钢筋面积,除满足计算要求外,不应小于地上一层对应柱每侧纵筋面积的1.1倍(地下室柱子多出的纵向钢筋不应向上延伸,应锚固于地下室顶板的框架梁内),地下室抗震墙的配筋不应少于地上一层抗震墙的配筋。
  (4)地下室结构应能承受上部结构屈服超强及地下室本身的地震作用,可近似要求地下室结构的侧向刚度与上部结构侧向刚度之比不小于2(可按有效数字控制),侧向刚度比可近似用下列剪切刚度比γ估计(式中符号的含义见2001规范):
 
  (5)地下室的层数无特别要求。
7.10  地下室顶板作为钢筋混凝土结构房屋上部结构的嵌固部位时,若考虑建筑使用的要求,楼盖是否可采用无梁楼盖的结构形式?
地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时,应满足规范关于上下刚度比的要求。一般说来,如果地下室顶板采用无梁楼盖的结构形式,将难以满足6.1.14条柱端塑性铰位置在±0.0处的要求,故不能采用无梁楼盖的结构形式,而应采用现浇梁板结构,避免开设大洞口,且其板厚不宜小于180mm。当地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时,地下室结构的楼层侧向刚度不宜小于相邻上层侧向刚度的2倍(计算地下室楼层侧向刚度时,可取有效影响范围内的竖向构件参与计算),地下一层的抗震等级应与上部结构相同,地下一层以下的抗震等级可根据具体情况采用三级或更低等级。
7.11  钢筋混凝土结构中的非抗侧力构件,如框架结构中的一些楼面梁、大开间剪力墙结构中的一些进深梁等是否有抗震等级或者抗震构造的要求?
结构构件的抗震设计,是在非抗震设计基础上增加抗震的计算和构造要求,而且,当地震内力不是构件设计的控制内力时,只需满足构造要求。
在钢筋混凝土框架结构中的一些楼面梁、大开间剪力墙结构中的一些进深梁,以及框架-抗震墙结构中一端与框架柱连接的梁,按其受力特征可以分为两类:
作为抗侧力构件承担或传递其从属部分结构的地震剪力时,需考虑地震作用的影响,则有抗震等级和抗震构造要求;
若仅承受楼面荷载,不承担、不传递地震剪力,则无抗震等级的要求,可按一般混凝土构件的计算和构造要求。
7.12  对底部为多层框架,顶层为排架的多层钢筋混凝土结构房屋进行抗震设计时,有何要求?
对多层钢筋混凝土框架房屋,若顶层因设置大房间的要求,局部采用网架、屋架等大空间的屋盖型式,部分框架柱顶部变为排架柱,仍可按框架结构的有关要求进行抗震设计。计算时,屋盖系统可采用空间或平面有限元杆系模型、或简化为连杆与排架柱铰接。
对于下部到顶层全部为框架-排架组合结构的多层工业厂房,应参考其他规范、规程,如:《构筑物抗震设计规范》GB 50191-93、《电力设施抗震设计规范》GB 50260-96、《火力发电厂土建结构设计技术规定》等进行设计。