论文部分内容阅读
摘要：文章通过工程实例，对提高多层框架结构抗扭刚度的几种方法进行比较分析，得出加山墙柱是提高多层框架结构抗扭刚度的比较有效方法。
关键词：框架结构；抗震设计；抗扭刚度
建筑抗震设计规范（GB50011-2010）规定：在计算不规则结构的水平地震作用时应考虑水平地震作用下的扭转效应；楼层最大弹性水平位移（或层间位移）大于该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的1.2倍时定义结构为扭转不规则；且不规则结构楼层最大弹性水平位移（或层间位移）不宜大于该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的1.5倍。但为满足建筑外观多样化和功能现代化的要求，结构平面往往满足不了均匀、规则、对称的要求，而存在较大的偏心。结构平面质量中心与刚度中心的不重合（即存在偏心），将导致水平地震作用下结构的扭转振动，即为扭转不规则结构，对结构抗震不利。因此在对此类结构进行抗震设计计算时，会出现即使将结构抗侧刚度增到较大，結构层间位移角（〈1/550），但结构抗扭不满足规范要求——结构楼层最大弹性水平位移（或层间位移）大于该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的1.5倍。此时若继续增大梁、柱截面虽能满足规范要求，但不经济。因此设计此类结构时不但要合理的布置结构平面满足水平地震作用下抗侧力，还应在满足建筑要求的情况下提高结构的抗扭刚度，使结构满足水平地震作用下扭转效应。此类结构提高抗扭刚度的有效方法目前大多按以下三种：（1）加少量抗震墙；（2）加斜撑；（3）增大山墙边梁截面高度。作者根据实际工程经验总结出第四种方法：加山墙柱。以下通过对兰州交通大学实验中心三的结构设计计算来对比这四种方法的有效性。
一、工程实例
工程概况：兰州交通大学实验中心三为地上六层（局部七层）全现浇框架结构，楼、屋面为钢筋混凝土现浇板。主体高度22.65（局部26.25）米，建筑结构抗震设防烈度八度，第二组（0.2g），场地土类别为Ⅱ类，框架抗震等级为二级， 丙类建筑，建筑结构安全等级为二级。上部结构长137.3米，宽20.3米，由两个防震缝将整个建筑分成3个结构单元。本工程计算时采用中国建筑科研院开发的PKPM-SATWE（8）新规范版软件进行电算。本篇将以结构单元一为例来对比这四中方法的有效性。合理布置结构平面图如图1所示：
图 1（一层结构平面布置图）
按图示结构平面布置用PKPM-SATWE（8）计算，其中不满足规范结果如下：
Y方向最大值层间位移角：1/ 521。不满足规范要求。对于一个六层（局部七层）全现浇框架结构，结构平面如图二的结构①~④轴柱450x600及600x600，⑤~⑾轴柱为450x500，梁柱界面均取得合理，经试算如果再加所有柱截面增至450x650虽计算结果能通过，但已经不经济合理。分析计算结果不难看出此结构一~三层Ratio-（Y）及 Ratio-Dy均大于1.2即结构为扭转不规则结构。有结构平面布置知由于建筑功能要求①~④轴二层无楼板，且框架柱间纵向无框架梁连接，因此结构平面质量中心与刚度中心的不重合，且刚度中心偏向⑤轴右侧，因此应提高①~④轴结构构件刚度减小偏心以提高结构的抗扭刚度。
用方法一加少量抗震墙（抗震墙承担的总地震倾覆力矩远小于50%），理论上加少量抗震墙是最有效的一种方法，但对于多层框架如加少量抗震墙这种结构的层间位移角如何控制？是按框架结构的1/550控制，还是按框架剪力墙结构的1/800控制？GB50011-2001及JGJ3-2002均没有明确的规定，给设计及图纸审查带来无依据因素，所以加少量抗震墙方法目前不可取。
采用方法二加斜撑，对于本工程一~三层在①xC~D轴间加剪刀斜撑，加斜撑后地震作用下Y方向位移角计算结果如下：
Y方向最大值层间位移角：1/ 593。虽最大值层间位移角满足规范要求，但此结构一~四层Ratio-（Y）及 Ratio-Dy均大于1.5，不满足规范要求。但从计算结果中可分析到不加斜撑时结构各层最大位移节点号（JmaxD）与加斜撑时结构各层最大位移节点号（JmaxD）不同，从计算平面简图中可以查出不加斜撑时结构各层最大位移节点在①轴x A轴处，而加斜撑时结构各层最大位移节点在11轴x A轴处，即各层最大位移节点由结构的最左边变到结构的最右边，要想使结构计算结果各项参数均满足规范要求，经试算在结构一~三层①xC~D轴间和11xC~D轴间加剪刀斜撑后计算结果各项参数均满足规范要求。由上分析可看出加剪刀虽提高了结构的抗扭刚度，但对结构整体抗侧刚度影响更大，使结构受力不均匀，地震力大部分被斜撑吸收，斜撑成为结构的第一道防线。但加斜撑后增加了梁柱节点复杂程度，且斜撑给施工带来不方便。
采用方法三增大山墙边梁①xA~D轴间截面高度，山墙边梁由300x800增加为300x1000，经试算效果并不明显，Y方向最大值层间位移角：从1/ 521变为1/540。显然当结构在因抗扭不满足要求而使结构沿地震方向最大值层间位移角位移角不满足规范要求，而最大层间位移角又比较接近1/550时，方法三增大山墙边梁截面高度也是一个比较有效的方法。
采用方法四在结构一~三层，①xA~B轴中间及①xC~D中间各加一个300x600山墙柱，地震作用下Y方向位移角计算结果如下：
Y 方向地震力作用下的楼层最大位移
Y方向最大值层间位移角：1/ 686。且其余各项计算指标均满足规范要求。从计算结果可以看出加山墙柱后结构一~三层Ratio-（Y）及 Ratio-Dy均由原来的大于1.2变为小于1.2，可见加山墙柱后结构抗扭刚度有效的得到了提高，且结构受力性能未发生改变，结构体系明确为框架结构。在采取第三种方法适当加①xA~D轴间边梁截面高对结构四~六层优化就可以完全改变结构抗扭不规则的状况，使各层Ratio-（Y）及 Ratio-Dy均大于1.2。
二、结语
由上计算分析比较得提高结构抗扭刚度，改善结构的抗扭不规则性，方法四加山墙柱比较有效，当结构在因抗扭不满足要求而使结构沿地震方向最大值层间位移角位移角不满足规范要求，而最大层间位移角又比较接近1/550时，方法三增大山墙边梁截面高度也是一个比较有效的方法。方法三、方法四结合起来灵活运用，不但有效的提高了结构的抗扭刚度，而且对结构整体刚度影响小，使结构受力均匀合理，施工方便，使结构既经济又安全。兰州交通大学实验中心四、五，主体高度分别为31.5米、31.3米均采用方法四，改善了结构受力性能，使高层框架结构各项计算指标能满足规范要求，避免了框架抗震墙结构体系，降低了工程造价，施工方便，取得了良好的经济效益和社会效益。
参考文献
[1]建筑抗震设计规范（GB50011-2010）．中国建筑工业出版社发行，2010．
[2]高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）．中国建筑工业出版社发行，2006．
[3]王亚勇，戴国莹．建筑抗震设计规范算例．中国建筑工业出版社发行，2006．
作者简介：杨华中（1979- ），男，湖北天门人，兰州交通大学土木工程学院工程师，硕士，国家一级注册结构工程师，研究方向：大跨度钢结构及特种结构的设计。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：框架结构；抗震设计；抗扭刚度
建筑抗震设计规范（GB50011-2010）规定：在计算不规则结构的水平地震作用时应考虑水平地震作用下的扭转效应；楼层最大弹性水平位移（或层间位移）大于该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的1.2倍时定义结构为扭转不规则；且不规则结构楼层最大弹性水平位移（或层间位移）不宜大于该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的1.5倍。但为满足建筑外观多样化和功能现代化的要求，结构平面往往满足不了均匀、规则、对称的要求，而存在较大的偏心。结构平面质量中心与刚度中心的不重合（即存在偏心），将导致水平地震作用下结构的扭转振动，即为扭转不规则结构，对结构抗震不利。因此在对此类结构进行抗震设计计算时，会出现即使将结构抗侧刚度增到较大，結构层间位移角（〈1/550），但结构抗扭不满足规范要求——结构楼层最大弹性水平位移（或层间位移）大于该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的1.5倍。此时若继续增大梁、柱截面虽能满足规范要求，但不经济。因此设计此类结构时不但要合理的布置结构平面满足水平地震作用下抗侧力，还应在满足建筑要求的情况下提高结构的抗扭刚度，使结构满足水平地震作用下扭转效应。此类结构提高抗扭刚度的有效方法目前大多按以下三种：（1）加少量抗震墙；（2）加斜撑；（3）增大山墙边梁截面高度。作者根据实际工程经验总结出第四种方法：加山墙柱。以下通过对兰州交通大学实验中心三的结构设计计算来对比这四种方法的有效性。
一、工程实例
工程概况：兰州交通大学实验中心三为地上六层（局部七层）全现浇框架结构，楼、屋面为钢筋混凝土现浇板。主体高度22.65（局部26.25）米，建筑结构抗震设防烈度八度，第二组（0.2g），场地土类别为Ⅱ类，框架抗震等级为二级， 丙类建筑，建筑结构安全等级为二级。上部结构长137.3米，宽20.3米，由两个防震缝将整个建筑分成3个结构单元。本工程计算时采用中国建筑科研院开发的PKPM-SATWE（8）新规范版软件进行电算。本篇将以结构单元一为例来对比这四中方法的有效性。合理布置结构平面图如图1所示：
图 1（一层结构平面布置图）
按图示结构平面布置用PKPM-SATWE（8）计算，其中不满足规范结果如下：
Y方向最大值层间位移角：1/ 521。不满足规范要求。对于一个六层（局部七层）全现浇框架结构，结构平面如图二的结构①~④轴柱450x600及600x600，⑤~⑾轴柱为450x500，梁柱界面均取得合理，经试算如果再加所有柱截面增至450x650虽计算结果能通过，但已经不经济合理。分析计算结果不难看出此结构一~三层Ratio-（Y）及 Ratio-Dy均大于1.2即结构为扭转不规则结构。有结构平面布置知由于建筑功能要求①~④轴二层无楼板，且框架柱间纵向无框架梁连接，因此结构平面质量中心与刚度中心的不重合，且刚度中心偏向⑤轴右侧，因此应提高①~④轴结构构件刚度减小偏心以提高结构的抗扭刚度。
用方法一加少量抗震墙（抗震墙承担的总地震倾覆力矩远小于50%），理论上加少量抗震墙是最有效的一种方法，但对于多层框架如加少量抗震墙这种结构的层间位移角如何控制？是按框架结构的1/550控制，还是按框架剪力墙结构的1/800控制？GB50011-2001及JGJ3-2002均没有明确的规定，给设计及图纸审查带来无依据因素，所以加少量抗震墙方法目前不可取。
采用方法二加斜撑，对于本工程一~三层在①xC~D轴间加剪刀斜撑，加斜撑后地震作用下Y方向位移角计算结果如下：
Y方向最大值层间位移角：1/ 593。虽最大值层间位移角满足规范要求，但此结构一~四层Ratio-（Y）及 Ratio-Dy均大于1.5，不满足规范要求。但从计算结果中可分析到不加斜撑时结构各层最大位移节点号（JmaxD）与加斜撑时结构各层最大位移节点号（JmaxD）不同，从计算平面简图中可以查出不加斜撑时结构各层最大位移节点在①轴x A轴处，而加斜撑时结构各层最大位移节点在11轴x A轴处，即各层最大位移节点由结构的最左边变到结构的最右边，要想使结构计算结果各项参数均满足规范要求，经试算在结构一~三层①xC~D轴间和11xC~D轴间加剪刀斜撑后计算结果各项参数均满足规范要求。由上分析可看出加剪刀虽提高了结构的抗扭刚度，但对结构整体抗侧刚度影响更大，使结构受力不均匀，地震力大部分被斜撑吸收，斜撑成为结构的第一道防线。但加斜撑后增加了梁柱节点复杂程度，且斜撑给施工带来不方便。
采用方法三增大山墙边梁①xA~D轴间截面高度，山墙边梁由300x800增加为300x1000，经试算效果并不明显，Y方向最大值层间位移角：从1/ 521变为1/540。显然当结构在因抗扭不满足要求而使结构沿地震方向最大值层间位移角位移角不满足规范要求，而最大层间位移角又比较接近1/550时，方法三增大山墙边梁截面高度也是一个比较有效的方法。
采用方法四在结构一~三层，①xA~B轴中间及①xC~D中间各加一个300x600山墙柱，地震作用下Y方向位移角计算结果如下：
Y 方向地震力作用下的楼层最大位移
Y方向最大值层间位移角：1/ 686。且其余各项计算指标均满足规范要求。从计算结果可以看出加山墙柱后结构一~三层Ratio-（Y）及 Ratio-Dy均由原来的大于1.2变为小于1.2，可见加山墙柱后结构抗扭刚度有效的得到了提高，且结构受力性能未发生改变，结构体系明确为框架结构。在采取第三种方法适当加①xA~D轴间边梁截面高对结构四~六层优化就可以完全改变结构抗扭不规则的状况，使各层Ratio-（Y）及 Ratio-Dy均大于1.2。
二、结语
由上计算分析比较得提高结构抗扭刚度，改善结构的抗扭不规则性，方法四加山墙柱比较有效，当结构在因抗扭不满足要求而使结构沿地震方向最大值层间位移角位移角不满足规范要求，而最大层间位移角又比较接近1/550时，方法三增大山墙边梁截面高度也是一个比较有效的方法。方法三、方法四结合起来灵活运用，不但有效的提高了结构的抗扭刚度，而且对结构整体刚度影响小，使结构受力均匀合理，施工方便，使结构既经济又安全。兰州交通大学实验中心四、五，主体高度分别为31.5米、31.3米均采用方法四，改善了结构受力性能，使高层框架结构各项计算指标能满足规范要求，避免了框架抗震墙结构体系，降低了工程造价，施工方便，取得了良好的经济效益和社会效益。
参考文献
[1]建筑抗震设计规范（GB50011-2010）．中国建筑工业出版社发行，2010．
[2]高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）．中国建筑工业出版社发行，2006．
[3]王亚勇，戴国莹．建筑抗震设计规范算例．中国建筑工业出版社发行，2006．
作者简介：杨华中（1979- ），男，湖北天门人，兰州交通大学土木工程学院工程师，硕士，国家一级注册结构工程师，研究方向：大跨度钢结构及特种结构的设计。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。