高层建筑结构侧向刚度规则性计算方法研究.docx

1、高层建筑结构侧向刚度规则性计算方法研究四川建筑科学研究Sichuan Building Science 第37卷第3期2011年6月收稿日期:2009-12-15作者简介:王秀存(1973,男,河北唐山人,硕士,一级注册结构工程师,主要从事民用建筑结构设计。E mail :wangxiucun163com高层建筑结构侧向刚度规则性计算方法研究王秀存1,张海2(1天津市房屋鉴定勘测设计院,天津300070;2天津城市建设学院土木工程系,天津300384摘要:GB500112001建筑抗震设计规范提出的“层间剪力位移比”的计算方法对侧向刚度规则性的判断存在局限性,在一些特殊情况下会得出不正确的结论

2、,为了解决侧向刚度规则性判断的问题,提出了“层间剪力位移角比”的侧向刚度计算方法,结合算例可以看出,对于以弯曲变形为主的结构,此方法结构概念明确,得出的结论符合工程经验,是对规范方法的很好的补充。关键词:高层建筑结构;侧向刚度;层间剪力位移角比中图分类号:TU973文献标识码:A文章编号:10081933(20110302604Study on calculating methods of the lateral stiffness irregularity of tall building structuresWANG Xiucun 1,ZHANG Hai 2(1Tianjin Real E

3、state Appraise Survey Design Institute ,Tianjin 300070,China ;2Deparment of Civil Engineering ,Tianjin Institute of Urban Construction ,Tianjin 300384,China Abstract :The calculating method of story ratio of shear and drift which is provided by “Code for seismic design of buildings ”has limitation o

4、f judgement on lateral stiffness irregularity ,the wrong conclusion is given in some special conditions ,in order to dissolve the problem of judgement on lateral stiffness irregularity ,the calculating method of story ratio of shear and drift angle is provided ,based on calculating examples ,the str

5、uctural concept of the method is clear ,the conclusion given by the method is fit to engineering experience to the structures primarily with bending deformation ,its a good supplement to the code methodKey words :tall building structures ;lateral stiffness ;story ratio of shear and drift angle0引言我国的

6、结构规范1及规程2对抗震设计的高层建筑结构楼层侧向刚度规则性的判断有明确的规定:楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%的较大值。保证楼层侧向刚度的规则性,可以避免因楼层侧向刚度突变引起结构地震反应加剧和局部楼层变形集中,减轻地震下结构的破坏。1刚度计算方法国家1-2以及地方规范(规程3分别提出了不同的侧向刚度规则性的计算方法,总结起来有以下几种:1剪切刚度:文献2附录E01建议的方法,主要是针对转换层位于一层的情况,限制转换层上、下层结构等效剪切刚度比=G 2A 2G 1A 1h 1h 2(宜接近1,非抗震设计时,不应大于3,抗震设计时,不应大于2

7、。2剪弯刚度:文献2附录E0.2建议的方法,主要是针对转换层大于一层的情况,控制转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比e =1H 22H 1(宜接近1,非抗震设计时,不应大于2,抗震设计时,不应大于1.3。3层间剪力与位移比:文献1条文说明建议的方法(K iV /=V i /u i 。楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%的较大值。4层间位移角比:文献3建议的方法,规定在地震作用下,某一层的层间位移角i 大于相邻上一62层的1.3倍,或大于其上相邻3个楼层层间位移角平均值的1.2倍,则该层的侧向刚度不规则。其中,i=uiui1hi=u ihi。5层间

8、位移角倒数比:为了比较4方法与3方法的关系,根据侧向刚度的概念,定义K i1/=1/i;采用文献1,2提供的原则判断侧向刚度规则性,主要用于两者的比较。6层间剪力位移角比:考虑到以弯曲变形为主的结构的侧向刚度概念,应采用层间剪力位移角比的方法来控制结构楼层侧向刚度的规则性,K iV/=V i /i;采用文献1,2提供的原则判断侧向刚度均匀性。公式中的各参数意义详见相应规范。因为1, 2建议的刚度主要针对转换层结构,这里不作讨论,仅比较其他4种刚度比的计算方法在不同结构体系中的应用。2侧向刚度规则性判断的算例本文采用SATWE软件4对不同结构体系进行了分析,并利用上述3,4,5,6的层刚度比计算

9、方法进行了分析对比,对算例中将出现的参数或系数说明如下:1层间位移角倒数比,即1=mini+1i,3/i(1/i+1+1/i+2+1/i+3 (2层间位移角比,即2=maxii+1,3i(i+1+i+2+i+3(V/层间剪力位移比,即V/=minVi/uiVi+1/ui+1,3Vi/ui(Vi+1/ui+1+Vi+2/ui+2+Vi+3/ui+3 (V/层间剪力位移角比,即V/=minVi/iVi+1/i+1,3Vi/i(Vi+1/i+1+Vi+2/i+2+Vi+3/i+3 (算例中未特殊说明的,地震参数均为7.5度区,类场地,地震分组为第一组。21框架结构基本参数:梁柱的混凝土强度等级为C3

10、5,框架柱断面700700,外围框架梁断面300800,内部框架梁断面为300600,标准层高3.6m,总层数为9层。层高变化分别为1,3,5,7层(层高为7.2 m。平面布置如图1所示。判断结果:楼层侧向刚度规则性(是或否的判断结果详见表1 3,由于3,5,7层的判断结果有相同的规律,在此仅列出5层层高突变时的计算结果 。图1框架结构平面布置Fig1Floor plan of frame structure表1层高不变时侧向刚度规则性判断Table1Judgement on lateral stiffness irregularity with uniform storey height仅以

11、x向为例,y向规律同此判断侧向刚度是否规则1V/V/21V/V/2 1163179179061是是是是2094110110106是是是是3082102102120是是是是4075100100130否是是否5066100100145否是是否6053103103170否是是否7073101101137是是是否8060110109166否是是否表2首层层高突变时侧向刚度规则性判断Table2Jodgement on lateral stiffness irregularity with abrupt change of the first storey height 仅以x向为例,y向规律同此判断侧

12、向刚度是否规则1V/V/21V/V/2 1068042085146否否是否2074091091133否是是否3077098098128否是是否4072100100135否是是否5064101101149否是是否6051105105175否是是否7072101101139是是是否8059113113169否是是否表35层层高突变时侧向刚度规则性判断Table3Judgement on lateral stiffness irregularity with abrupt change of the fifth storey height 仅以x向为例,y向规律同此判断侧向刚度是否规则1V/V/21

13、V/V/2 1163190190061是是是是2103158140097是是是是3107154136094是是是是4084328164102是是是是5037032063252否否否否6045087087199否是是否7071097097141是是是否8060109109166否是是否小结:1当高度均匀时,V/和V/判断结果均为侧向刚度规则,而1和2却分别判断若干层不规则。2当层高在1,3,5,7层突变时,V/和V/除首722011No.3王秀存,等:高层建筑结构侧向刚度规则性计算方法研究层结果不同外,其他层均判断层高突变层为侧向刚度不规则层,但是需要注意的是,由于V /和V /相差一个层高,得

14、出的层刚度比的数值相差大约2倍;而1和2的结果是除层高突变层外的其他层也有侧向刚度不规则的情况。3根据以剪切变形为主的框架结构侧向刚度的概念、框架结构的受力特点以及实际工程中层高不均匀的情况,应采用V /进行判断,1,2和V /不可作为判断的依据。22框架核心筒结构基本参数:共32层,核心筒墙厚由600mm 逐步减小到400mm ,核心筒内墙厚度200mm ,框架柱断面由11001100逐步减小到800800,混凝土强度等级由C55逐步减小到C35,外围框架梁断面为500800,内部框架梁断面为600650,层高为4m 。层高变化为1,5,10,15,20,25,30层(层高为8m 。平面布置

15、如图2所示 。图2框架核心筒结构平面布置Fig2Floor plan of frame-corewall structure图3层高均匀时层刚度比对比Fig3Contrast chart of storey stiffness ratio with uniform storey height层刚度比各计算方法的关系曲线如图3,4所示 。图4层高突变时层刚度比对比Fig4Contrast chart of storey stiffness ratio with abrupt change of storey height小结:1当层高均匀时,各种计算方法判断结果均为侧向刚度规则,其中,V /和V

16、 /的数值基本吻合;1的数值除顶部若干层由于层剪力比的作用明显外,与V /和V /的数值基本吻合;1与2的数值呈现不严格的反比关系。2对于层高突变层,1,2与V /的判断结果均为侧向刚度规则,而V /的判断结果(除首层外为侧向刚度不规则,V /和V /计算的层刚度比数值相差大约2倍。考虑到结构概念和工程经验,1,2与V /均可作为判断的依据,控制的严格性排序(降序为:2,1,V /。3根据对筒中筒结构的计算比较发现,其层高均匀或层高突变时呈现的规律性与框架核心筒结构相同,为节省篇幅,数据不再列出。23剪力墙结构基本参数:共33层,外围剪力墙厚度250mm ,内墙厚度为200mm ,外围连梁断面

17、250600,内部连梁断面为200450,混凝土强度等级由C40逐步减小到C25,层高为3m ,层高变化为1,5,10,15,20,25,30层(层高为6m ;平面布置如图5所示 。图5剪力墙结构平面布置Fig5Floor plan of shearwall structure层刚度比各计算方法的关系曲线如图6,7所示。小结:1当层高均匀时,1,V /与V /的判断结果均82四川建筑科学研究第37卷为侧向刚度规则,由于2控制较严格,30层(位于结构上部的判断结果为侧向刚度不规则,27 29层接近侧向刚度不规则,这几层的1稍大于0.8,也接近侧向刚度不规则,这明显不符合实际情况;这是因为,顶部若

18、干层的层剪力比值较大,而1与2仅与层间位移角有关。此时,应采用V /与V /作为判断结构刚度不规则的依据 。图6层高均匀时层刚度比对比Fig6Contrast chart of storey stiffness ratio with uniform storey height图7层高突变时层刚度比对比Fig7Contrast chart of storey stiffness ratio with abrupt change of storey height2当层高突变时,1判断25,30层为侧向刚度不规则,2判断20,25,30层为侧向刚度不规则,可见,2比1要更加严格;V /判断的结果除首

19、层外,所有的层高突变层均为侧向刚度不规则;V /显示楼层的侧向刚度均规则,根据侧向刚度的概念和工程经验,应选择V /作为判别楼层侧向刚度均匀性的依据。3结论1对于隔板筒体结构3以及剪力墙结构5-6(当连梁刚度很弱时,当竖向构件截面及弹性模量不变,即使层高变化很大,结构的侧向刚度仍是均匀规则的。2对于以剪切变形为主的结构(框架结构,应该采用层间剪力位移比的方法判断楼层侧向刚度的规则性。3对于以弯曲变形为主的结构(剪力墙、框架核心筒、筒中筒结构,采用层间剪力位移角比的方法判断侧向刚度规则性,可真实地反映楼层侧向刚度的变化,结构概念明确,与工程实践一致,是对现行规范方法的很好补充。参考文献:1GB

20、500112001建筑抗震设计规范S 北京:中国建筑工业出版社,20012JGJ 32002,J 1862002高层建筑混凝土结构技术规程S 北京:中国建筑工业出版社,20023DBJ /T 15462005广东省实施高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 32002补充规定S 4中国建筑科学研究院PKPM CAD 工程部多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE 用户手册及技术条件R 北京,20085季静,等高层建筑楼层侧向刚度变化控制准则的研究J 结构工程师,2006,22(5:11-156廖宇飚,黄小坤高层建筑结构侧向刚度变化及其控制方法研究(I J 工程抗震与加固改造,2005,27(5:20-25922011No.3王秀存,等:高层建筑结构侧向刚度规则性计算方法研究