關于大幅度放寬結構層間位移角的再討論2017.6.29

1、關于大幅度放寬結構層間位移角限值的再討論,華南理工大學建筑設計研究院 方小丹2017.6.29,,結構的層間位移角是衡量結構剛度及變形能力的指標。控制結構的層間位移角就是要控制結構有必要的剛度及充分的變形能力。較之日本、美國等國，我國規(guī)范對結構尤其是鋼筋混凝土結構在多遇地震作用下的層間位移角限制要嚴格很多，框架結構為1/550，框-剪結構為1/800，剪力墻結構1/1000；而日本、美國等國規(guī)范的層間位移角限值為1/200。歐洲

2、是1/400，但如果考慮了P-Δ效應，也可以1/200。,,一、我國規(guī)范對結構層間位移角限制偏嚴格的原因1、我國規(guī)范認為小震作用屬正常使用極限狀態(tài)，結構應保持“彈性”，故以鋼筋混凝土構件（包括柱、剪力墻）開裂時的層間位移角作為多遇地震作用下結構的彈性位移角限值。2、規(guī)范要求對計算周期乘以小于1的系數來加以修正，框架結構的周期折減系數為0.6-0.7，框-剪結構為0.7-0.8，剪力墻結構為0.9-1。然而，結構分析得到的位移卻沒有相

3、應修正。,,由單自由度體系的周期計算公式 可知，結構剛度K與周期T的平方成反比例，因此，大致上框架結構的位移計算值約偏大估計 ，即約2.04~2.77倍；框-剪結構約偏大 ，即約1.56-2.04倍；剪力墻結構約偏大 ，即約1.0~1.23倍。,,,,,3、上部樓層的側向位移中有相當部分是由于下部樓層的轉角所引起的，此部分

4、位移為剛體位移，而剛體位移并不產生結構內力。,,二、我國《抗規(guī)》、《高規(guī)》關于水平位移計算和限值的規(guī)定國標《建筑抗震設計規(guī)范》 5.5.1條規(guī)定：,,《抗規(guī)》GB50011-2010給出層間位移角限的說明：（p356）,,,,行標《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》JGJ3-2010 3.7.3條規(guī)定：,,,,行標《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》關于水平位移限值的條文說明：……,,從我國結構抗震設計所依據的兩本主要規(guī)范 規(guī)

5、程的規(guī)定可看出： 控制最大層間位移角的主要目的在于保證主 結構基本處于彈性狀態(tài)，對于鋼筋混凝土結構，是否處于彈性狀態(tài)由鋼筋混凝土構件是否開裂為判定標準。,,二、國內部分混凝土剪力墻受力試驗的結果1、 國內七所高校 西安建筑科技大學、大連理工大學、清華大學、同濟大學、山東建筑大學、北京工業(yè)大學、沈陽建筑工程學院等 68 片剪力墻的試驗結果,,,(青島理工大學 土木工程學院王晶等，“鋼筋混凝土剪力墻位移角統計分析

6、”，《工程抗震與加固改造》2012.6),,2、華南理工大學8片鋼管混凝土剪力墻試驗，高寬比（剪跨比） λ=2，混凝土強度等級C55~C100混凝土開裂時位移角平均1/585，極限彈塑性位移角平均1/44。規(guī)范要求的位移角限值合理嗎？能達到控制混凝土墻柱不開裂的目的嗎？,,三、對規(guī)范位移角限值合理性的討論1、鋼與混凝土的彈性模量相差約5~10倍，對鋼筋混凝土受彎或大偏壓（拉）構件而言，混凝土開裂時鋼筋的應力還很小。即使是

7、豎向荷載長期作用的受彎構件，如一般的鋼筋混凝土梁，正常使用狀態(tài)下也是帶裂縫工作的，但這并不妨礙我們用彈性方法計算結構的內力。,,鋼筋混凝土柱和剪力墻正常使用階段主要內力是豎向荷載引起的壓力。在風荷載和可能發(fā)生的地震作用下，只要鋼筋不屈服，仍處于彈性階段，即使混凝土開裂，也不會影響結構的安全性。并且，在短時間作用的橫向力卸載后，可能出現的裂縫也會閉合，這比豎向荷載長期存在的受彎鋼筋混凝土梁更容易滿足耐久性要求。,,2、上述剪力墻的試驗中，

8、試件的高寬比為1.5~2.1。剪力墻的受力變形包括彎曲變形和剪切變形，俗稱有害位移。試驗對應于高層、超高層建筑，大致為有害位移占絕大部分 的底部樓層。而建筑物的最大層間位移角，卻發(fā)生在建筑物的中上部。以深圳地王大廈為例：（魏璉等，地王大廈結構設計若干問題，《建筑結構》，2000年6月）,深圳地王大廈，69層，地面以上高324.8米，Y向剪力墻寬12米,,退一步說，設計不允許剪力墻混凝土開裂，則Y向剪力墻寬12米，對應試驗結果，

9、應該控制建筑物底部5~6層的層間位移角，而不是控制結構中上部的最大層間位移角。地王大廈的最大層間位移角發(fā)生在57層，1/274。其中絕大部分為該層底部轉角引起剛體位移。扣除剛體位移，其有害位移角為1/28195，受力很小，不可能出現裂縫。,,3、按《高規(guī)》的規(guī)定，不扣除結構整體彎曲變形影響，實際上控制的是結構中、上部樓層的位移角，而此部位樓層的受力往往很小，大多數情況下，剪力墻、柱非受力所需的計算配筋而是構造配筋。同時，也不能由此推知底

10、部受力變形最大的樓層的受力情況，不能推知剪力墻、柱是否開裂。,,4、結構中上部樓層的位移角限值過于嚴格，造成建筑物的剛度需求過大，其直接后果就是結構的自重增大、地震反應增大，除造成投資的浪費外，反而對結構抗震不利。 最大層間位移角1/1000，頂點 位移約H/1300；如果大幅度放松至1/300，頂點位移約H/400,則基底剪力約降低為原來的 ，加之減少了剪力墻、減少了結

11、構自重，減少基底剪力將超過一半，對8度及以上高烈度區(qū)意義更大。,,5、按國標《抗規(guī)》規(guī)定，扣除結構整體彎曲的影響，所得最大有害層間位移角一般在結構底部樓層，雖然可以比對試驗結果，但不能控制建筑物中上部樓層的水平位移。6、從上述試驗結果看，剪力墻出現裂縫時的層間位移角在1/434~1/3134之間，可見按位移角不大于1/1000為標準來控制顯得過于粗略。或者過于保守，混凝土墻遠未開裂；或者混凝土墻早已經開裂。,,7、與剪力墻試驗結果的比

12、對，對于單片剪力墻是如此，但對眾多剪力墻組成的抗側力結構卻完全不同。對于結構中不同位置的剪力墻，在水平荷載作用下，相同層間位移角，各剪力墻的受力卻可能差異較大。結構中和軸附近的剪力墻可能小偏心受壓，沒有裂縫；遠離中和軸的剪力墻可能大偏心受壓，即截面中有受拉區(qū)，混凝土可能開裂。以控制結構層間位移角的方法保證剪力墻、柱混凝土不開裂實際上并沒有根據。,,四、小結與建議：大幅度放寬結構的層間位移角限值1、規(guī)定結構層間位移角限值是為了保證結構有

13、必要的剛度。這是因為：a、避免非結構構件如玻璃幕墻、內隔墻等因結構過大的變形而破壞。b、避免結構過大的側向變形加劇P- Δ效應，惡化結構的受力。c、避免在較大風作用下產生令人不舒服的低頻振動。d、避免結構過大的變形影響設備的正常運行。,,2、結構構件的受力計算與層間位移角無關?？梢酝ㄟ^各種結構分析方法（彈性、彈塑性、幾何非線性、材料非線性、甚至考慮時間因素的粘彈塑性等等）求解結構構件的內力。在此基礎上進行構件截面承載力的設計計算

14、。3、基于上述第一點的理由，層間位移角限值無需區(qū)分結構類型，無論框架結構還是筒體結構，無論剪力墻結構還是框架-剪力墻結構，也無論是混凝土結構、鋼結構還是混合結構。,,4、重現期50、100年的風荷載和地震荷載屬短期荷載，需進行構件承載力極限狀態(tài)驗算，一般無需限制墻、柱的混凝土是否開裂。有特別要求的，可由構件截面設計加以解決。5、考慮到設計上的方便，可采用《混凝土高規(guī)》的做法，不扣除結構整體彎曲的影響，但大幅度放寬層間位移角限值。重現

15、期50年風荷載作用下只需控制結構的頂點位移，一般1/500~1/400;小震作用下層間位移角1/350~1/300。之所以不是鋼結構的1/250，是考慮對混凝土結構剛度的折減。,,6、我國規(guī)范對大震作用下結構的彈塑性位移角的限值也偏嚴格，如剪力墻，我國1/120、1/100；美、日、歐1/50；最新的美國洛杉磯高規(guī)（2014）1/33；試驗>1/50。建議可以參照美、日、歐的限值大幅度放寬，抗震性能等級D級采用1/50，B、C級適

16、當嚴格。,,五、廣東省超限高層建筑工程抗震設防審查專家委員會東莞會議紀要關于結構層間位移角限值的提法近年來，我省高層、超高層建筑不斷推出，由于現行規(guī)范中結構層間位移角限值偏嚴格導致設計的不合理，在沿海設計風壓較大及地震烈度較高的部分地區(qū)問題尤為突出。在滿足下列條件的情況下，按彈性方法計算的50年一遇風荷載作用下樓層的層間位移角可按以下限值控制：,,框架結構不宜大于1/400；高150米及以下的框架-剪力墻、框架-核心筒結構不宜大于1/

17、500，剪力墻結構不宜大于1/600；高250米及以上結構不宜大于1/400；高150米～250米之間可內插確定；鋼結構不宜大于1/250；小震作用下樓層的層間位移角可按上述限值控制，但應進行中、大震抗震性能設計，大震作用下彈塑性層間位移角限值按現行規(guī)范規(guī)定執(zhí)行。,,1. 滿足結構填充墻、內隔墻、幕墻等非結構構件對主體結構的剛度需求，不因結構變形而引起損壞。2. 滿足風荷載作用下的舒適度驗算要求。驗算時，混凝土結構的阻尼比不大于2%，

18、混合結構的阻尼比不大于1.5%，鋼結構的阻尼比不大于1%。3. 滿足結構整體穩(wěn)定性要求。4. 滿足機電設備正常運行的要求。,,5. 結構單元間留設防震縫時，寬度應滿足中震作用下兩側結構不發(fā)生碰撞的要求。防震縫寬度可取不小于中震作用下較低結構單元頂點水平位移與相應標高較高結構單元水平位移絕對值之和，并不小于規(guī)范要求。相對《廣東省高規(guī)》有一定進步，但與原本期望的結果仍有差距。,,六、【工程實例1】?？谑袨I江海岸某住宅地面以上41層

19、；結構高度124.5m；建筑平面長26m、寬21m；底層層高4.5m，其他層層高3.0m；剪力墻結構；抗震設防烈度為8.5度；場地類別Ⅱ類，地震分組第二組，特征周期Tg=0.4。,,原設計方案按照海南省的要求，以不大于1/950控制位移角；墻厚度從450變化至250 ；受剛度要求控制，混凝土墻多，軸壓比均在0.3以下。改進方案按軸壓比0.5控制剪力墻數量，一般軸壓比為0.4~0.45；墻厚度從350變化至200 ；

20、層間位移角約為1/500。,,原設計方案,改進方案,,原設計方案,改進方案,小震計算結果對比,大震靜力彈塑性計算結果對比,大震下性能點處連梁的損傷對比,原設計方案,改進方案,圖中：紅色表示嚴重損傷棕色表示中度損傷綠色表示輕度損傷藍色表示輕微損傷,大震下到達性能點時有拉應力的墻肢,原設計方案,改進方案,圖中：紅色表示鋼筋受拉屈服棕色表示0.75倍屈服應變綠色表示0.50倍屈服應變藍色表示墻體受拉,大震下到達性能點時墻肢受壓

21、輕度損傷,原設計方案,改進方案,圖中：紅色表示輕度損傷棕色表示輕微損傷綠色表示0.75倍輕微損傷藍色表示0.50倍輕微損傷,大震下結構反應小結,原方案和改進方案對比：1、兩個方案的反應基本一致，都始于連梁的彎曲破壞，剪力墻的損傷較少。2、兩個方案連梁的損傷都較大；相比之下，改進方案的連梁損傷稍?。?、兩個方案剪力墻底部部分墻肢均大偏壓（截面有拉區(qū)），但鋼筋基本沒有屈服。,,4、兩個方案剪力墻的受剪、壓彎承載力均有較大富余。

22、5、大震作用下的層間位移角：改進方案比原方案大，但比小震時的差別要少。小震時，改進方案的最大層間位移角是原方案的2倍；而大震時，改進方案角是原方案的1.5倍，表明原方案的損傷更明顯，但均能滿足規(guī)范不大于1/100的要求。實際上最大層間位移角的樓層，剪力墻的損傷非常小，較大的損傷在結構底部。,,【工程實例2】某住宅的基本設計情況 地面以上57層；結構高度168.2m；建筑平面約為長35m、寬23m的“品”字形；底層層高5.8

23、m，其他層層高2.9m；采用剪力墻結構；抗震設防烈度為8度；場地類別Ⅱ類，地震分組第二組，特征周期Tg=0.4。,,原設計方案按照1/800控制層間位移角；墻厚度從500變化至200 ；受剛度控制，混凝土墻多，軸壓比均在0.26以下。改進后方案按照軸壓比0.5控制剪力墻數量，一般軸壓比0.4~0.45；墻厚度從450變化至200 ；層間位移角約為1/400。,,原設計方案,改進方案,,原設計方案,優(yōu)化方案,小震計算結果

24、對比,大震彈塑性計算結果對比,大震下連梁的損傷,原設計方案,改進方案,圖中：紅色表示嚴重損傷棕色表示中度損傷綠色表示輕度損傷藍色表示輕微損傷,大震下剪力墻的受拉情況,原設計方案,改進方案,圖中：紅色表示鋼筋受拉屈服棕色表示0.75倍屈服應變綠色表示0.50倍屈服應變藍色表示墻體受拉,大震下剪力墻的受壓情況,原設計方案,改進方案,圖中：紅色表示輕度損傷棕色表示輕微損傷綠色表示0.75倍輕微損傷藍色表示0.50倍輕微損傷

25、,大震下結構反應小結,原方案和優(yōu)化方案對比來看有以下結論：1、兩個方案的反應基本一致，都是以連梁作為第一道防線進行耗能，剪力墻的損傷較少。2、對于連梁，優(yōu)化方案的連梁損傷較少，原方案連梁損傷較大；3、對于墻肢受拉，原方案受拉的墻肢數非常多，約有四分之三的墻肢有不同程度的受拉，底部尤為嚴重，但鋼筋沒有受拉屈服。而優(yōu)化方案無論在受拉墻肢的數量和受拉程度上均小于原方案。4、對于墻肢受壓，兩個方案均有較大富裕，而優(yōu)化方案抗壓程度較低。

26、5、對于層間位移角，優(yōu)化方案較大，但比小震的差別要少。小震時，優(yōu)化方案的最大層間位移角是原方案的2倍。而大震時，優(yōu)化方案的最大層間位移角是原方案的1.5倍，而且能滿足1/100的要求。,原方案和改進方案對比：1、兩個方案的反應基本一致。2、改進方案的連梁損傷較少，原方案連梁損傷較大；3、原方案大偏心受壓（墻肢中有拉區(qū)）的墻肢數非常多，約有四分之三，底部尤為嚴重，但鋼筋沒有受拉屈服。而改進方案無論在墻肢的數量還是拉區(qū)的拉力均小于原方

27、案。,,4、兩個方案剪力墻的受剪、壓彎承載力均有較大富余。改進方案混凝土的壓應力較小。5、小震時，改進方案的最大層間位移角是原方案的2倍；而大震時，改進方案的最大層間位移角是原方案的1.5倍。兩各方案均能滿足規(guī)范不大于1/100的要求。實際上最大層間位移角的樓層，剪力墻的損傷非常小。較大的損傷在結構底部。,工程實例計算結果對比小結,1、除層間位移角外，優(yōu)化方案同原設計方案一樣，可以滿足規(guī)范所有強度、剛度的要求。2、從小震分析看，優(yōu)化

28、方案重量輕、所受地震作用小，造價也低，同原設計方案相比有很大優(yōu)勢。造價對比中還沒有考慮基礎的影響。3、從大震動力彈塑性分析看，相比原方案，優(yōu)化方案在大震下所受地震力較少，損傷較少，冗余度較大，性能較優(yōu)。4、大震下，兩個方案均滿足1/100的層間位移角要求。,1、改進方案同原設計方案一樣，可以滿足規(guī)范所有承載力、整體穩(wěn)定的要求。2、從小震分析看，改進方案重量輕、所受地震作用小，結構用料節(jié)省，造價也低。3、從大震彈塑性分析看，改進方