侧向刚度修改办法14页精选文档.docx
《侧向刚度修改办法14页精选文档.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《侧向刚度修改办法14页精选文档.docx（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
侧向刚度修改办法14页精选文档
层高突变对高层建筑楼层刚度的影响及其对策
发布时间：
2019-10-24
浏览：
985次
许崇伟，黄勤勇（上海市卫生建筑设计研究院，上海200003）
[摘 要]通过建立几个典型的结构模型，对层高突变对框架、框剪和剪力墙三种结构形式楼层刚度的影响进行了计算分析比较，并以框剪结构为例提出了一些改善结构楼层刚度突变幅度的方法，供设计人员参考。
[关键词]高层建筑；楼层刚度；设备层
[中图分类号]TU973+.21 [文献标识码]A
EffectofStoryHeightChangeonStoryRigidityofHigh-RiseBuildings
andItsCountermeasures
XUChong-wei,HUANGQin-yong（InstituteofShanghaihealthArchitecturalDesign,Shanghai200004,China）
[Abstract]Thispapercomparesandanalyzestheeffectofstoryheightchangeonstoryrigidityofframestructure,frame-shearwallstructureandshearwallstructurebysettingupseveraltypicalstructuremodels.Basedontheanalysisofonepracticalprojectofframe-shearwallstructure,somemethodstodecreasestoryrigiditychangeareputforwardforreference.
[Keywords]high-risebuilding；storyrigidity；equipmentstory
1 前 言
由于建筑功能的需要，高层建筑各楼层的层高沿高度是变化的，有时甚至可能产生突变，而层高是影响结构楼层刚度的重要因素，当结构平面布置不变仅仅某层层高发生改变时，则在该层处楼层刚度也会发生突变。
历次地震震害表明：
结构刚度沿竖向突变会产生在某些楼层的变形过分集中，形成薄弱层，出现严重震害甚至倒塌，对抗震是很不利的。
鉴于此，《高层建筑混凝土结构技术规程》[1]中规定，结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化。
正常设计的高层建筑下部楼层侧向刚度应大于上部楼层的侧向刚度，下层侧向刚度不宜小于上部相邻楼层的70%，或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%。
在实际工程中，特别是在医院病房楼中，由于设备层的存在，层高突变往往是不可避免的。
设备层一般层高较低，一般为2.2m～3m，而与其相邻的下部楼层（通常为手术室）层高一般在4m以上，这样在设备层处结构楼层刚度发生突变，因为层高突变幅度较大，其楼层刚度突变幅度往往大大超过规范中规定的限值。
这就给结构设计者带来一个新的课题，如何在满足建筑功能要求的前提下，对结构体系进行合理的调整，使其满足规范的要求。
2 有关规范涉及到的楼层刚度形式
2.1剪切刚度
第i层层顶产生单位水平位移（无转角时）所需施加的水平力称为第i层的层剪切刚度。
《高层建筑混凝土结构技术规程》附录E.0.1中规定：
（1）
式中，Gi为第i层混凝土剪变模量；Ai为第i层剪力墙折算抗剪截面面积；为第i层层高。
2.2按楼层剪力和层间位移计算的楼层刚度
《建筑抗震设计规范》[2]第3.4.2和3.4.3条文说明中规定，楼层刚度由下式计算[2]：
（2）
其中，为第i层剪力；为第i层层间位移。
需要指出的是，按层间剪力和层间位移计算出来的楼层刚度，对于高层建筑结构来说也有不尽合理的地方。
因为高层结构整体变形中的弯曲成分较大，因而在结构的中上部几乎每一楼层均会有一个较明显的刚体位移性质的初转角，它会对结构上部的位移进行放大，而刚体位移转角位移的存在对于结构是否处于弹性阶段的判断或非结构构件的完好保证是无效的，一般可称之为无害位移。
无害位移从结构底部向上进行逐步累积，在结构底部并不大，而越往上，无害位移在结构层间位移中所占的成分越大[3]。
因此，对于高层建筑结构，由于无害位移的存在，按层间剪力和层间位移来计算楼层刚度的话，会使得结构中上部楼层的刚度比实际刚度偏小。
已有文献表明，对于一个各楼层结构布置相同、层高相同的结构，各楼层的剪切刚度的计算结果是一样的，而按层间剪力和层间位移计算的楼层刚度呈现出下大上小的趋势[3]。
因此，在按层间剪力和层间位移计算高层结构的楼层刚度时，应该将结构中的无害位移从层间位移中分离出来，即真正的层间位移应该是指有害位移。
无害位移主要是由于结构整体弯曲变形引起的，文献[4]中的算例表明，对于不高于150m的常规高层建筑来说，整体弯曲变形在结构层间位移中所占的比重较小，无害位移在层间位移中所占的比重不大，因此一般情况下用层间剪力和层间位移的比值计算的楼层刚度已具有足够的精度，能够满足一般工程的要求
2.3剪弯刚度
根据前面分析，由于无害位移的存在，按层间剪力和层间位移来计算楼层刚度的话，会使得结构中上部楼层的刚度比实际刚度偏小。
为了更真实地反应楼层刚度的大小，需要引进楼层剪弯刚度的概念。
《高层建筑混凝土结构技术规程》附录E.0.2中规定：
（3）
其中，为楼层剪弯刚度；为作用在楼层顶部的集中力；为在集中力作用下的楼层顶点位移。
在式（3）中，计算顶点位移时应考虑轴向变形、弯曲变形和剪切变形的综合影响，并将楼层底部视作固定端，这样就消除了无害位移的影响，计算模型如图1所示。
由于楼层剪切刚度仅考虑剪切变形的影响，而楼层剪弯刚度考虑了弯曲、剪切和轴向变形的综合影响。
因此，对于同一个结构，计算出来的楼层剪切刚度和剪弯显然是不一样的，剪切刚度要大于剪弯刚度。
图1 剪弯计算模型
2.4三种方法的分析比较
综上所述，计算楼层刚度共有三种计算方法：
①剪切刚度；②按楼层剪力和层间位移计算的楼层刚度；③剪弯刚度。
在这三种方法中，剪切刚度忽略了楼层弯曲变形和轴向变形的影响，只考虑竖向构件（柱和墙）的贡献而忽略了水平构件（梁和板）的贡献；按楼层剪力和层间位移计算的楼层刚度没有扣除结构的无害位移，因此都会带来一定的误差；而剪弯刚度则全面考虑了弯曲、剪切和轴向变形的综合影响，并通过将楼层底部视作固定端的方法消除了结构无害位移的影响，从而更加真实的反应了楼层实际刚度的大小。
特别是对于高位转换的框支剪力墙结构，如果仅仅通过控制层剪切刚度比框支剪力墙结构在转换层附近层间位移角仍会发生较大的突变，而只有通过控制转换层下部的框架-剪力墙结构与上部同样高度的剪力墙结构的等效刚度比（也即本文中的剪弯刚度）才能控制转换层附近刚度不致发生突变[5]。
无害位移主要是由结构的整体弯曲变形引起的，对于高度不大于150m的常规高层建筑而言，整体弯曲变形在结构层间位移中所占的比重较小，用楼层剪力和层间位移的比值计算的楼层刚度已具有足够的精度，能够满足工程要求。
另外，不扣除无害位移的影响对于楼层刚度的计算是偏于安全的。
因此，在抗震规范中，楼层刚度的计算均采用楼层剪力和层间位移比值的算法。
本文以下楼层刚度的计算均采用此种算法。
3 层高突变对不同结构形式楼层刚度的影响
不同的结构形式，层高突变对其楼层刚度突变的幅度是不一样的。
为了说明问题，本文以框架结构、框架-剪力墙结构和剪力墙结构三种最具代表性的结构形式，分别建立一典型结构作为计算分析对象。
通过改变某层层高，利用Satwe程序对其进行计算分析及比较，从中总结出层高突变对不同结构形式楼层刚度的影响程度。
该典型结构共15层，结构平面布置图见图2。
其中，剪力墙厚为300mm，框架柱为800mm×800mm，框架梁为350mm×650mm，次梁为250mm×550mm，混凝土强度等级为C40。
标准层层高为3.6m，设备层层高为2.2m，其中设备层分别位于第2层、第5层、第10层和第15层。
本文用设备层和其下面一层楼层刚度的比值来表示楼层刚度突变幅度。
表1给出了设备层位于不同位置时三种结构形式设备层和其下面一层楼层刚度的比值。
图2结构平面布置图
表1设备层位于不同楼层时，
三种结构形式的设备层和其下面一层楼层刚度的比值
设备层位置
第2层
第5层
第10层
第15层
框架结构
0.9720
1.7769
1.8264
1.7076
框剪结构
1.1113
1.4902
1.5344
1.2160
剪力墙结构
0.8807
1.1606
1.2424
1.1317
从表1中可以看出，无论设备层位置如何，框架结构的楼层刚度突变幅度最大；其次是框架-剪力墙结构，剪力墙结构影响最小。
这是因为框架结构在水平力作用下的侧移曲线为剪切型，其层间位移主要是梁柱的弯曲变形引起的，框架柱的弯曲变形大小和计算长度密切相关，而柱子的计算长度是层高的某一倍数，因此层高越高，框架柱的计算长度就越长，其弯曲变形就越大，楼层刚度越小。
而剪力墙结构在水平力作用下的侧移曲线为弯曲型，其变形特征类似于一悬臂构件，在不考虑无害位移的情况下，层间位移受层高的影响不像框架结构那么明显，因此层高的变化对结构楼层刚度的影响也就不那么明显了。
框架-剪力墙结构在在水平力作用下的侧移曲线特征介于框架结构和剪力墙结构之间，属于弯剪型，其楼层刚度受层高的影响程度也介于两种结构形式之间了。
另外，从表1还可以看出，当设备层位于第2层时，无论是框架结构、框架-剪力墙结构还是剪力墙结构楼层刚度均没有出现明显的突变（框架结构和剪力墙结构设备层刚度甚至小于其下面一层楼层刚度），这是因为底层的竖向构件（包括框架柱和剪力墙）直接与基础相连，底层可视为嵌固端，因此在同样的层高下底层竖向构件的抗侧刚度比上部楼层要大。
例如，对于一般多层现浇框架结构，底层柱的计算长度为1.0H，上部其余各层柱的计算长度为1.25H。
因此，尽管第2层层高出现突变，但是结构的竖向楼层刚度并没有出现突变。
4 调整楼层刚度突变的几种方法
调整楼层刚度的方法是很多的，而且各种方法往往要结合起来使用才能收到更好的效果。
本文以一典型的框架-剪力墙结构为例，对常用的几种调整楼层刚度的方法进行说明。
该典型结构共15层，结构平面布置图见图3，其中剪力墙厚为350mm，框架柱为800mm×800mm，框架梁为350mm×700mm，次梁为250mm×600mm，框架柱和剪力墙混凝土强度等级为C40，梁板混凝土强度等级为C40。
1～3层层高均为4.2m,4层层高为4.5m，第5层为设备层，层高为2.2m，5层以上均为标准层，层高为3.6m。
图3 结构平面布置图
为改善结构楼层刚度突变幅度，常采用的调整楼层刚度的方法有：
（1）改变剪力墙墙厚。
通过加大设备层以下楼层的剪力墙墙厚，或者减小设备层及其以上楼层的剪力墙墙厚来调整楼层刚度的突变幅度；
（2）改变混凝土标号。
混凝土标号是影响楼层刚度的重要因素，故也可以通过降低设备层及其以上楼层的混凝土标号了来减小其楼层刚度；
（3）改变框架柱截面。
通过加大设备层以下楼层的框架柱截面，或者减小设备层及其以上楼层的框架柱截面来调整楼层刚度的突变幅度；
（4）改变框架梁截面。
通过加大设备层以下楼层的框架梁截面，或者减小设备层及其以上楼层的框架梁截面来调整楼层刚度的突变幅度；
（5）改变连梁截面。
（6）在设备层以下楼层附加剪力墙。
（7）在设备层以下楼层附加支撑。
表2～表7列出了采用以上方法调整楼层刚度后，设备层和其下面一层楼层刚度比值的变化情况。
表2改变剪力墙墙厚，设备层和其下面一层楼层刚度的比值
位 置
设备层以下楼层剪力墙
设备层及以上楼层剪力墙
剪力墙墙厚（mm）
350
400
450
350
300
250
X向楼层刚度比
1.9108
1.8692
1.8319
1.9108
1.8772
1.8327
Y向楼层刚度比
1.8927
1.8514
1.8141
1.8927
1.8577
1.8114
表3改变混凝土标号，设备层和其下面一层楼层刚度的比值
混凝土标号
C40
C35
C30
X向楼层刚度比
1.9108
1.9036
1.8920
Y向楼层刚度比
1.8927
1.8852
1.8733
表4改变框架柱截面，设备层和其下面一层楼层刚度的比值
位 置
设备层及以上楼层框架柱
设备层以下楼层框架柱
柱截面（mm）
800×
800
700×
700
600×
600
800×
800
900×
900
1000×
1000
X向楼层刚度比
1.9108
1.8966
1.8748
1.9108
1.8982
1.8857
Y向楼层刚度比
1.8927
1.8802
1.8616
1.8927
1.8833
1.8733
表5改变框架梁截面，设备层和其下面一层楼层刚度的比值
位 置
设备层以下楼层框架梁
设备层框架梁
梁截面（mm）
350×700
450×900
350×700
500×500
X向楼层刚度比
1.9108
1.8736
1.9108
1.9036
Y向楼层刚度比
1.8927
1.8656
1.8927
1.8846
表6改变连梁截面，设备层和其下面一层楼层刚度的比值
设备层及以上楼层连梁截面
无连梁
1500×1000
1500×1200
X向楼层刚度比
1.9108
1.100
1.1837
Y向楼层刚度比
1.8927
1.6759
1.7020
表7在设备层以下楼层附加剪力墙或支撑，
设备层和其下面一层楼层刚度的比值
位 置
设备层以下楼层
附加剪力墙
设备层以下楼层
附加支撑
附加前后
附加前
附加后
附加前
附加后
X向楼层刚度比
1.9108
1.8117
1.9108
1.8292
Y向楼层刚度比
1.8927
1.7958
1.8927
1.8177
从表3可以看出，随着混凝土标号的降低，上下楼层刚度比逐渐减小，但是减小的幅度较小，说明混凝土标号对楼层刚度的影响是很有限的。
通过对以上数据进行分析比较可以看出，对于框架-剪力墙结构，调整框架梁和框架柱断面和调整剪力墙墙厚对减小结构楼层刚度突变的效果有限，而通过调整连梁截面和附加剪力墙及支撑对减小结构楼层刚度突变效果比较明显，这是因为在框架-剪力墙结构中，剪力墙是提供结构抗侧刚度的主要构件，剪力墙的刚度远大于框架，因此调整剪力墙比调整框架对减小楼层刚度突变幅度效果要明显的多。
在以上几种方法中，改变混凝土标号、调整框架梁和框架柱断面、调整剪力墙墙厚是较为常用的方法，而且对建筑布置及功能影响较小，在一般情况下应优先采用。
另外，调整连梁断面对建筑影响较小而且效果较为明显，可以和前面几种方法结合起来使用。
而附加剪力墙和附加支撑对建筑影响较大，同时对结构的抗震性能也有其不利方面，应慎重采用。
在设备层以下楼层附加剪力墙或者支撑后，在该层处地震力要重新按刚度进行分配，楼板会承受较大剪力，因此该层楼板应加厚，加大配筋及采用双面双向配筋。
通过以上计算分析，可以得出结论，对于一般的层高突变幅度在两倍左右的高层建筑结构，在综合采用以上几种方法的情况下，其楼层刚度突变幅度是可以调整到规范所规定的范围以内的。
[参考文献]
［1］JGJ3-2019，高层建筑混凝土结构技术规程［S］．
［2］GB50011-2019，建筑抗震设计规范［S］．
［3］黄勤勇．立面不规则复杂高层建筑抗震性能计算分析［D］．同济大学硕士学位论文，2000．
［4］阮永辉．带水平加强层钢框架-核心筒超高层结构力学性能分析［D］．同济大学硕士学位论文，2019．
［5］徐培福，王翠坤，郝锐坤，肖从真．转换层设置高度对框支剪力墙结构抗震性能的影响［J］．建筑结构，2000
（1）．
升级会员 