關(guān)于大幅度放寬結(jié)構(gòu)層間位移角的再討論2017.6.29

1、關(guān)于大幅度放寬結(jié)構(gòu)層間位移角限值的再討論,華南理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院 方小丹2017.6.29,,結(jié)構(gòu)的層間位移角是衡量結(jié)構(gòu)剛度及變形能力的指標(biāo)?？刂平Y(jié)構(gòu)的層間位移角就是要控制結(jié)構(gòu)有必要的剛度及充分的變形能力。較之日本、美國(guó)等國(guó)，我國(guó)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)尤其是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的層間位移角限制要嚴(yán)格很多，框架結(jié)構(gòu)為1/550，框-剪結(jié)構(gòu)為1/800，剪力墻結(jié)構(gòu)1/1000；而日本、美國(guó)等國(guó)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(yīng)，也可以1/200。,,一、我國(guó)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)層間位移角限制偏嚴(yán)格的原因1、我國(guó)規(guī)范認(rèn)為小震作用屬正常使用極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)應(yīng)保持“彈性”，故以鋼筋混凝土構(gòu)件（包括柱、剪力墻）開(kāi)裂時(shí)的層間位移角作為多遇地震作用下結(jié)構(gòu)的彈性位移角限值。2、規(guī)范要求對(duì)計(jì)算周期乘以小于1的系數(shù)來(lái)加以修正，框架結(jié)構(gòu)的周期折減系數(shù)為0.6-0.7，框-剪結(jié)構(gòu)為0.7-0.8，剪力墻結(jié)構(gòu)為0.9-1。然而，結(jié)構(gòu)分析得到的位移卻沒(méi)有相

3、應(yīng)修正。,,由單自由度體系的周期計(jì)算公式 可知，結(jié)構(gòu)剛度K與周期T的平方成反比例，因此，大致上框架結(jié)構(gòu)的位移計(jì)算值約偏大估計(jì) ，即約2.04~2.77倍；框-剪結(jié)構(gòu)約偏大 ，即約1.56-2.04倍；剪力墻結(jié)構(gòu)約偏大 ，即約1.0~1.23倍。,,,,,3、上部樓層的側(cè)向位移中有相當(dāng)部分是由于下部樓層的轉(zhuǎn)角所引起的，此部分

4、位移為剛體位移，而剛體位移并不產(chǎn)生結(jié)構(gòu)內(nèi)力。,,二、我國(guó)《抗規(guī)》、《高規(guī)》關(guān)于水平位移計(jì)算和限值的規(guī)定國(guó)標(biāo)《建筑抗震設(shè)計(jì)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(shuō)明：（p356）,,,,行標(biāo)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010 3.7.3條規(guī)定：,,,,行標(biāo)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》關(guān)于水平位移限值的條文說(shuō)明：……,,從我國(guó)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)所依據(jù)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(jié)構(gòu)基本處于彈性狀態(tài)，對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，是否處于彈性狀態(tài)由鋼筋混凝土構(gòu)件是否開(kāi)裂為判定標(biāo)準(zhǔn)。,,二、國(guó)內(nèi)部分混凝土剪力墻受力試驗(yàn)的結(jié)果1、 國(guó)內(nèi)七所高校 西安建筑科技大學(xué)、大連理工大學(xué)、清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、山東建筑大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、沈陽(yáng)建筑工程學(xué)院等 68 片剪力墻的試驗(yàn)結(jié)果,,,(青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院王晶等，“鋼筋混凝土剪力墻位移角統(tǒng)計(jì)分析

6、”，《工程抗震與加固改造》2012.6),,2、華南理工大學(xué)8片鋼管混凝土剪力墻試驗(yàn)，高寬比（剪跨比） λ=2，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C55~C100混凝土開(kāi)裂時(shí)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(dá)到控制混凝土墻柱不開(kāi)裂的目的嗎？,,三、對(duì)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(duì)鋼筋混凝土受彎或大偏壓（拉）構(gòu)件而言，混凝土開(kāi)裂時(shí)鋼筋的應(yīng)力還很小。即使是

7、豎向荷載長(zhǎng)期作用的受彎構(gòu)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(jì)算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。,,鋼筋混凝土柱和剪力墻正常使用階段主要內(nèi)力是豎向荷載引起的壓力。在風(fēng)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(kāi)裂，也不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的安全性。并且，在短時(shí)間作用的橫向力卸載后，可能出現(xiàn)的裂縫也會(huì)閉合，這比豎向荷載長(zhǎng)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(yàn)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(yàn)對(duì)應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)若干問(wèn)題，《建筑結(jié)構(gòu)》，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(shuō)，設(shè)計(jì)不允許剪力墻混凝土開(kāi)裂，則Y向剪力墻寬12米，對(duì)應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果，

9、應(yīng)該控制建筑物底部5~6層的層間位移角，而不是控制結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)角引起剛體位移?？鄢齽傮w位移，其有害位移角為1/28195，受力很小，不可能出現(xiàn)裂縫。,,3、按《高規(guī)》的規(guī)定，不扣除結(jié)構(gòu)整體彎曲變形影響，實(shí)際上控制的是結(jié)構(gòu)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(shù)情況下，剪力墻、柱非受力所需的計(jì)算配筋而是構(gòu)造配筋。同時(shí)，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(kāi)裂。,,4、結(jié)構(gòu)中上部樓層的位移角限值過(guò)于嚴(yán)格，造成建筑物的剛度需求過(guò)大，其直接后果就是結(jié)構(gòu)的自重增大、地震反應(yīng)增大，除造成投資的浪費(fèi)外，反而對(duì)結(jié)構(gòu)抗震不利。 最大層間位移角1/1000，頂點(diǎn) 位移約H/1300；如果大幅度放松至1/300，頂點(diǎn)位移約H/400,則基底剪力約降低為原來(lái)的 ，加之減少了剪力墻、減少了結(jié)

11、構(gòu)自重，減少基底剪力將超過(guò)一半，對(duì)8度及以上高烈度區(qū)意義更大。,,5、按國(guó)標(biāo)《抗規(guī)》規(guī)定，扣除結(jié)構(gòu)整體彎曲的影響，所得最大有害層間位移角一般在結(jié)構(gòu)底部樓層，雖然可以比對(duì)試驗(yàn)結(jié)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(yàn)結(jié)果看，剪力墻出現(xiàn)裂縫時(shí)的層間位移角在1/434~1/3134之間，可見(jiàn)按位移角不大于1/1000為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)控制顯得過(guò)于粗略?；蛘哌^(guò)于保守，混凝土墻遠(yuǎn)未開(kāi)裂；或者混凝土墻早已經(jīng)開(kāi)裂。,,7、與剪力墻試驗(yàn)結(jié)果的比

12、對(duì)，對(duì)于單片剪力墻是如此，但對(duì)眾多剪力墻組成的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)卻完全不同。對(duì)于結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中和軸附近的剪力墻可能小偏心受壓，沒(méi)有裂縫；遠(yuǎn)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(kāi)裂。以控制結(jié)構(gòu)層間位移角的方法保證剪力墻、柱混凝土不開(kāi)裂實(shí)際上并沒(méi)有根據(jù)。,,四、小結(jié)與建議：大幅度放寬結(jié)構(gòu)的層間位移角限值1、規(guī)定結(jié)構(gòu)層間位移角限值是為了保證結(jié)構(gòu)有

13、必要的剛度。這是因?yàn)椋篴、避免非結(jié)構(gòu)構(gòu)件如玻璃幕墻、內(nèi)隔墻等因結(jié)構(gòu)過(guò)大的變形而破壞。b、避免結(jié)構(gòu)過(guò)大的側(cè)向變形加劇P- Δ效應(yīng)，惡化結(jié)構(gòu)的受力。c、避免在較大風(fēng)作用下產(chǎn)生令人不舒服的低頻振動(dòng)。d、避免結(jié)構(gòu)過(guò)大的變形影響設(shè)備的正常運(yùn)行。,,2、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力計(jì)算與層間位移角無(wú)關(guān)?？梢酝ㄟ^(guò)各種結(jié)構(gòu)分析方法（彈性、彈塑性、幾何非線性、材料非線性、甚至考慮時(shí)間因素的粘彈塑性等等）求解結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行構(gòu)件截面承載力的設(shè)計(jì)計(jì)算

14、。3、基于上述第一點(diǎn)的理由，層間位移角限值無(wú)需區(qū)分結(jié)構(gòu)類型，無(wú)論框架結(jié)構(gòu)還是筒體結(jié)構(gòu)，無(wú)論剪力墻結(jié)構(gòu)還是框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，也無(wú)論是混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)還是混合結(jié)構(gòu)。,,4、重現(xiàn)期50、100年的風(fēng)荷載和地震荷載屬短期荷載，需進(jìn)行構(gòu)件承載力極限狀態(tài)驗(yàn)算，一般無(wú)需限制墻、柱的混凝土是否開(kāi)裂。有特別要求的，可由構(gòu)件截面設(shè)計(jì)加以解決。5、考慮到設(shè)計(jì)上的方便，可采用《混凝土高規(guī)》的做法，不扣除結(jié)構(gòu)整體彎曲的影響，但大幅度放寬層間位移角限值。重現(xiàn)

15、期50年風(fēng)荷載作用下只需控制結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)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(jié)構(gòu)的1/250，是考慮對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)剛度的折減。,,6、我國(guó)規(guī)范對(duì)大震作用下結(jié)構(gòu)的彈塑性位移角的限值也偏嚴(yán)格，如剪力墻，我國(guó)1/120、1/100；美、日、歐1/50；最新的美國(guó)洛杉磯高規(guī)（2014）1/33；試驗(yàn)>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(jí)D級(jí)采用1/50，B、C級(jí)適

16、當(dāng)嚴(yán)格。,,五、廣東省超限高層建筑工程抗震設(shè)防審查專家委員會(huì)東莞會(huì)議紀(jì)要關(guān)于結(jié)構(gòu)層間位移角限值的提法近年來(lái)，我省高層、超高層建筑不斷推出，由于現(xiàn)行規(guī)范中結(jié)構(gòu)層間位移角限值偏嚴(yán)格導(dǎo)致設(shè)計(jì)的不合理，在沿海設(shè)計(jì)風(fēng)壓較大及地震烈度較高的部分地區(qū)問(wèn)題尤為突出。在滿足下列條件的情況下，按彈性方法計(jì)算的50年一遇風(fēng)荷載作用下樓層的層間位移角可按以下限值控制：,,框架結(jié)構(gòu)不宜大于1/400；高150米及以下的框架-剪力墻、框架-核心筒結(jié)構(gòu)不宜大于1/

17、500，剪力墻結(jié)構(gòu)不宜大于1/600；高250米及以上結(jié)構(gòu)不宜大于1/400；高150米～250米之間可內(nèi)插確定；鋼結(jié)構(gòu)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(yīng)進(jìn)行中、大震抗震性能設(shè)計(jì)，大震作用下彈塑性層間位移角限值按現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定執(zhí)行。,,1. 滿足結(jié)構(gòu)填充墻、內(nèi)隔墻、幕墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)主體結(jié)構(gòu)的剛度需求，不因結(jié)構(gòu)變形而引起損壞。2. 滿足風(fēng)荷載作用下的舒適度驗(yàn)算要求。驗(yàn)算時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比不大于2%，

18、混合結(jié)構(gòu)的阻尼比不大于1.5%，鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比不大于1%。3. 滿足結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性要求。4. 滿足機(jī)電設(shè)備正常運(yùn)行的要求。,,5. 結(jié)構(gòu)單元間留設(shè)防震縫時(shí)，寬度應(yīng)滿足中震作用下兩側(cè)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)單元頂點(diǎn)水平位移與相應(yīng)標(biāo)高較高結(jié)構(gòu)單元水平位移絕對(duì)值之和，并不小于規(guī)范要求。相對(duì)《廣東省高規(guī)》有一定進(jìn)步，但與原本期望的結(jié)果仍有差距。,,六、【工程實(shí)例1】?？谑袨I江海岸某住宅地面以上41層

19、；結(jié)構(gòu)高度124.5m；建筑平面長(zhǎng)26m、寬21m；底層層高4.5m，其他層層高3.0m；剪力墻結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)防烈度為8.5度；場(chǎng)地類別Ⅱ類，地震分組第二組，特征周期Tg=0.4。,,原設(shè)計(jì)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(jìn)方案按軸壓比0.5控制剪力墻數(shù)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(shè)計(jì)方案,改進(jìn)方案,,原設(shè)計(jì)方案,改進(jìn)方案,小震計(jì)算結(jié)果對(duì)比,大震靜力彈塑性計(jì)算結(jié)果對(duì)比,大震下性能點(diǎn)處連梁的損傷對(duì)比,原設(shè)計(jì)方案,改進(jìn)方案,圖中：紅色表示嚴(yán)重?fù)p傷棕色表示中度損傷綠色表示輕度損傷藍(lán)色表示輕微損傷,大震下到達(dá)性能點(diǎn)時(shí)有拉應(yīng)力的墻肢,原設(shè)計(jì)方案,改進(jìn)方案,圖中：紅色表示鋼筋受拉屈服棕色表示0.75倍屈服應(yīng)變綠色表示0.50倍屈服應(yīng)變藍(lán)色表示墻體受拉,大震下到達(dá)性能點(diǎn)時(shí)墻肢受壓

21、輕度損傷,原設(shè)計(jì)方案,改進(jìn)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(lán)色表示0.50倍輕微損傷,大震下結(jié)構(gòu)反應(yīng)小結(jié),原方案和改進(jìn)方案對(duì)比：1、兩個(gè)方案的反應(yīng)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(gè)方案連梁的損傷都較大；相比之下，改進(jìn)方案的連梁損傷稍小；3、兩個(gè)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(méi)有屈服。,,4、兩個(gè)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(jìn)方案比原方案大，但比小震時(shí)的差別要少。小震時(shí)，改進(jìn)方案的最大層間位移角是原方案的2倍；而大震時(shí)，改進(jìn)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(shí)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(jié)構(gòu)底部。,,【工程實(shí)例2】某住宅的基本設(shè)計(jì)情況 地面以上57層；結(jié)構(gòu)高度168.2m；建筑平面約為長(zhǎng)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(jié)構(gòu)；抗震設(shè)防烈度為8度；場(chǎng)地類別Ⅱ類，地震分組第二組，特征周期Tg=0.4。,,原設(shè)計(jì)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(jìn)后方案按照軸壓比0.5控制剪力墻數(shù)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(shè)計(jì)方案,改進(jìn)方案,,原設(shè)計(jì)方案,優(yōu)化方案,小震計(jì)算結(jié)果

24、對(duì)比,大震彈塑性計(jì)算結(jié)果對(duì)比,大震下連梁的損傷,原設(shè)計(jì)方案,改進(jìn)方案,圖中：紅色表示嚴(yán)重?fù)p傷棕色表示中度損傷綠色表示輕度損傷藍(lán)色表示輕微損傷,大震下剪力墻的受拉情況,原設(shè)計(jì)方案,改進(jìn)方案,圖中：紅色表示鋼筋受拉屈服棕色表示0.75倍屈服應(yīng)變綠色表示0.50倍屈服應(yīng)變藍(lán)色表示墻體受拉,大震下剪力墻的受壓情況,原設(shè)計(jì)方案,改進(jìn)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(lán)色表示0.50倍輕微損傷

25、,大震下結(jié)構(gòu)反應(yīng)小結(jié),原方案和優(yōu)化方案對(duì)比來(lái)看有以下結(jié)論：1、兩個(gè)方案的反應(yīng)基本一致，都是以連梁作為第一道防線進(jìn)行耗能，剪力墻的損傷較少。2、對(duì)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(duì)于墻肢受拉，原方案受拉的墻肢數(shù)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(yán)重，但鋼筋沒(méi)有受拉屈服。而優(yōu)化方案無(wú)論在受拉墻肢的數(shù)量和受拉程度上均小于原方案。4、對(duì)于墻肢受壓，兩個(gè)方案均有較大富裕，而優(yōu)化方案抗壓程度較低。

26、5、對(duì)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(shí)，優(yōu)化方案的最大層間位移角是原方案的2倍。而大震時(shí)，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(jìn)方案對(duì)比：1、兩個(gè)方案的反應(yīng)基本一致。2、改進(jìn)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(shù)非常多，約有四分之三，底部尤為嚴(yán)重，但鋼筋沒(méi)有受拉屈服。而改進(jìn)方案無(wú)論在墻肢的數(shù)量還是拉區(qū)的拉力均小于原方

27、案。,,4、兩個(gè)方案剪力墻的受剪、壓彎承載力均有較大富余。改進(jìn)方案混凝土的壓應(yīng)力較小。5、小震時(shí)，改進(jìn)方案的最大層間位移角是原方案的2倍；而大震時(shí)，改進(jìn)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(shí)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(jié)構(gòu)底部。,工程實(shí)例計(jì)算結(jié)果對(duì)比小結(jié),1、除層間位移角外，優(yōu)化方案同原設(shè)計(jì)方案一樣，可以滿足規(guī)范所有強(qiáng)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(jià)也低，同原設(shè)計(jì)方案相比有很大優(yōu)勢(shì)。造價(jià)對(duì)比中還沒(méi)有考慮基礎(chǔ)的影響。3、從大震動(dòng)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(gè)方案均滿足1/100的層間位移角要求。,1、改進(jìn)方案同原設(shè)計(jì)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(jìn)方案重量輕、所受地震作用小，結(jié)構(gòu)用料節(jié)省，造價(jià)也低。3、從大震彈塑性分析看，改進(jìn)方