建筑抗震設計中結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的限定

1、<p>　　建筑抗震設計中結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的限定</p><p>　　摘要：建筑抗震設計中結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則是因結(jié)構(gòu)沿豎向布置(如樓層質(zhì)量、幾何尺寸、剛度、強度或幾者的組合)，發(fā)生突變或不連續(xù)而產(chǎn)生，使結(jié)構(gòu)局部產(chǎn)生過大的應力集中或塑性變形集中，導致結(jié)構(gòu)局部薄弱誘發(fā)整體損傷甚至倒塌。我國及歐美各國現(xiàn)行設計規(guī)范中一般都有結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則臨界控制極限的定量規(guī)定，且特別強調(diào)從總體概念設計的角度保證內(nèi)力或能量豎向傳遞路徑

2、的連續(xù)，避免結(jié)構(gòu)樓層屈服機制的產(chǎn)生，避免因局部削弱或突變而產(chǎn)生過大的應力集中或塑性變形集中。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：建筑抗震設計；結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則 </p><p>　　中圖分類號：TU973文獻標識碼： A </p><p>　　Abstract: Seismic design is due to the irregular structure of the

3、 vertical structure along the vertical layout (such as floor quality, geometry, stiffness, strength, or a combination of several persons), or a combination of several persons </p><p>　　generated to make the

4、structure of local produce excessive the stress concentration or concentration of plastic deformation, resulting in the overall structure of the local weak induced damage and even collapse. Quantitative requirements of E

5、urope and the United States to the current design specifications are generally irregular vertical structure of the critical control limits, and special emphasis on conceptual design from the perspective of the overall in

6、ternal force or energy to ensure conti</p><p>　　地震地面運動作用下，建筑物的損傷破壞首先會出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)側(cè)向抗震系統(tǒng)的薄弱部位，薄弱部位的損傷破壞會進一步加劇結(jié)構(gòu)抗震性能的退化，從而導致結(jié)構(gòu)整體的倒塌。建筑物的薄弱部位主要來源于結(jié)構(gòu)配置的缺陷或不規(guī)則，如結(jié)構(gòu)或構(gòu)件不規(guī)則的幾何尺寸、軟弱的樓層、質(zhì)量過分集中以及不連續(xù)的側(cè)向抗震系統(tǒng)等。 </p><p

7、>　　1.結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的內(nèi)容 </p><p>　　1.1強度分布不規(guī)則 </p><p>　　結(jié)構(gòu)的樓層強度(樓層屈服承載力)是指給定樓層在所考慮的水平地震作用方向上，抗側(cè)力系統(tǒng)所有單元的受剪承載力總和。強度不連續(xù)樓層通常也稱為“弱層”。主要由于抗側(cè)力單元(柱或剪力墻等)偏小的截面尺寸或縱向配筋不夠等因素而產(chǎn)生的相鄰上、下樓層抗側(cè)強度的差異?！叭鯇印比菀滓鸾Y(jié)構(gòu)的彈塑性行為集中，

8、改變結(jié)構(gòu)位移分布模式，而導致結(jié)構(gòu)局部或整體的不穩(wěn)定或倒塌。通常較小的樓層強度改變就可能導致較大的抗震延性需求分布的變化。這一結(jié)果與 Valmundsson的分析結(jié)果趨勢一致。 </p><p>　　1.2剛度分布不規(guī)則 </p><p>　　結(jié)構(gòu)相鄰樓層高度的改變、豎向結(jié)構(gòu)單元的突然中斷、非結(jié)構(gòu)單元的參與等導致結(jié)構(gòu)剛度豎向不連續(xù)，剛度不連續(xù)層通常稱為“軟層”。由于建筑結(jié)構(gòu)功能和建筑美觀的需

9、求，結(jié)構(gòu)樓層高度的改變和豎向抗側(cè)力單元的中斷是很普遍的形式。非結(jié)構(gòu)單元不可預見地參與抗側(cè)力系統(tǒng)通常出現(xiàn)在砌體填充框架結(jié)構(gòu)體系中，如果設計合理，填充墻的有效剛度和強度作用可能提高框架的抗震性能；如果設計不合理，即使結(jié)構(gòu)其他布置連續(xù)、對稱也容易出現(xiàn)“軟層”的情況?！败泴印比菀滓饦菍討?，層間位移增大，柱兩端過大的彈塑性變形集中(塑性鉸)容易產(chǎn)生層側(cè)移機制，其損傷破壞是最嚴重的。 </p><p>　　1.3質(zhì)量

10、分布不規(guī)則 </p><p>　　豎向不規(guī)則的質(zhì)量分布可以通過比較樓層間的有效重量(重力荷載代表值)來判斷。樓層有效重量是結(jié)構(gòu)每層自重荷載標準值和一定比例的可變荷載組合值之和。質(zhì)量集中樓層經(jīng)常出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)設備層、儲存庫房層和頂層游泳池等，豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布影響結(jié)構(gòu)的動力反應，可能導致不可預期的高模態(tài)行為和地震反應需求部位集中，過大的質(zhì)量可能導致側(cè)向慣性作用力的突然增大，導致結(jié)構(gòu)局部豎向構(gòu)件的負荷增大而構(gòu)件延性

11、減小。 </p><p>　　2.建筑抗震設計中豎向不規(guī)則限定的問題 </p><p>　　豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)抗震性能研究的文獻較多，但由于其力學特性的復雜性和采用方法的不同以及出發(fā)點的不一致，日前缺乏對豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)復雜特性全面、精確的分析。雖然針對豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)抗震性能的研究已取得很大的進展，但依然有不少問題有待深入的研究，如下幾個方面的問題: </p><p>　

12、　2.1豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)模型 </p><p>　　以采用集中質(zhì)量剪切型 MDOF 模型為例，依次為 4, 8 和 16 層，分別代表低層、中層和高層結(jié)構(gòu)。在此結(jié)構(gòu)模型中，底層強度和底層剛度突變常被認為對結(jié)構(gòu)抗震最不利，同時，當樓層剛度變化時，其強度一般也會隨之變化。鑒于此實際情況，分別考慮底層強度不規(guī)則、底層剛度不規(guī)則和底層強度與剛度組合不規(guī)則三種形式：(1)分析強度不規(guī)則對結(jié)構(gòu)延性需求的影響時，底層屈服強度修改

13、為第二層(相鄰層)屈服強度的80%，70%，60%和50%，其它各層屈服強度保持不變，所有樓層剛度均保持不變；(2)分析剛度不規(guī)則的影響時，底層剛度修改為第二層剛度的80%，70%，60%和50%，其它各層剛度保持不變，所有樓層強度均保持不變；(3)分析強度和剛度組合不規(guī)則的影響時，底層強度和剛度修改為第二層強度和剛度的80%，70%，60%，50%，其它各層強度和剛度保持不變。在此基礎上按比例改變底層強度和剛度得到豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)，這樣

14、更接近于實際設計的結(jié)構(gòu)。 </p><p>　　2.2豎向不規(guī)則對延性需求的影響 </p><p>　　2.2.1 強度不規(guī)則的影響 </p><p>　　將底層強度分別折減為相鄰上層80%，70%，60%和50%，隨著強度折減率增大，MDOF 模型的三種結(jié)構(gòu)最大層間位移延性需求(出現(xiàn)在底層)都明顯增大；且目標延性系數(shù)越小，增大比例越大。當?shù)讓优c二層強度比為80%時

15、4，8，16 層結(jié)構(gòu)最大層間位移延性需求依次增大140%~190%、100%~140%和 90%~210%，說明了底層強度不規(guī)則結(jié)構(gòu)在考慮速度脈沖影響時有更大的位移延性需求。 </p><p>　　2.2.2剛度不規(guī)則的影響 </p><p>　　當目標延性系數(shù)較大時，隨著剛度折減率的增大，低層、中層和高層三種結(jié)構(gòu)的最大層間位移延性需求都呈減小趨勢。主要原因是結(jié)構(gòu)底層剛度減小，一方面使得底

16、層位移需求增大，另一方面因樓層強度保持不變，剛度減小使得層間屈服位移也增大。而層間位移延性系數(shù)是層間最大位移和屈服位移的比值，當層間屈服位移的增大快于層間最大位移時，就會使得層間位移延性需求減小。 </p><p>　　2.2.3組合不規(guī)則的影響 </p><p>　　隨著強度和剛度組合折減率增大，結(jié)構(gòu)最大層間位移延性需求明顯增大。主要原因是：一方面強度的減小使結(jié)構(gòu)延性需求增加，另一方面剛

17、度減小又使結(jié)構(gòu)延性需求減小。當目標延性系數(shù)為4，一層、二層強度和剛度比為70%時，4，8 和16層豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)最大層間位移延性需求依次增大230%，150%和250%。 </p><p>　　2.3豎向不規(guī)則對位移需求的影響 </p><p>　　延性一定，豎向不規(guī)則引起底層位移增大，其他層位移減小。底層增大比例為組合不規(guī)則最大，強度不規(guī)則次之，剛度不規(guī)則最小。對剛度不規(guī)則，KR=0.7

18、 時底層位移需求增大，4，8 和16 層結(jié)構(gòu)增大比例依次為42%，33%和40%。底層剛度減小使得底層層間位移延性需求減小，在前述已說明；同時導致其它樓層位移需求減小，而其它層因剛度和強度保持不變，故屈服位移保持不變，所以底層剛度的減小也使得其它樓層位移延性需求減小。 </p><p>　　3.我國對建筑抗震設計中結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的限定 </p><p>　　限定建筑抗震設計豎向不規(guī)則的極限

19、，是保證建筑結(jié)構(gòu)的安全建設和運營的有效措施。我國GB 50011-2010《建筑抗震設計規(guī)范》，規(guī)定建筑豎向布置宜具有合理的剛度和承載力分布，避免因局部削弱或突變形成薄弱部位而產(chǎn)生過大的應力集中或塑性變形集中。結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則且具有明顯薄弱部位可能導致地震時嚴重破壞的建筑結(jié)構(gòu)，應進行罕遇地震作用下的彈塑性變形分析，結(jié)構(gòu)分析應采用空間結(jié)構(gòu)計算模型。對可能出現(xiàn)的薄弱部位，應采取措施提高抗震能力。規(guī)范定義了3種類型的結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則。另外，在JG

20、J3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中要求，高層建筑的豎向體型宜規(guī)則、均勻，避免有過大的外挑和內(nèi)收。結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度宜下大上小，逐漸均勻變化，不應采用豎向布置嚴重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)豎向抗側(cè)力構(gòu)件宜上下連續(xù)貫通。對高層建筑，A級高度高層建筑的樓層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力不宜小于其上一層受剪承載力的80%，不應小于其上一層受剪承載力的65%；B級高度高層建筑的樓層層間抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力不應小于其上一層受剪承載力的75%。 </

21、p><p><b>　　4.結(jié)束語 </b></p><p>　　在國內(nèi)，隨著高層建筑的發(fā)展、建筑功能和美觀要求不斷提高，結(jié)構(gòu)形式日益復雜，豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)的應用也日趨廣泛。豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)抗震性能的研究也成為熱點問題，結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則布置形式是建筑結(jié)構(gòu)抗震設計中的不利條件之一，常出現(xiàn)在高層建筑的中間層、頂層等，基于不同結(jié)構(gòu)類型、更多的地震動記錄、更多豎向不規(guī)則類型和薄弱層位置

22、和數(shù)目，有待更為深入的研究。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p><p>　　[1]周靖，趙衛(wèi)鋒，劉智林.豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)抗震性能研究現(xiàn)狀及其在設計規(guī)范中的應用[J].2009，39(01):79-88. </p><p>　　[2]馬宏旺.基于概念設計豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)的抗震分析[J].工程抗震，2000， (02):3-8