王寧寧

(河北工業(yè)大學(xué) 土木工程系，天津300401)

某公建共5層，其中有3個(gè)夾層，主體高度為19.6 m，總高度為 30.2 m，建筑面積 12 800 m2，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年(該公建要求按100年耐久性考慮結(jié)構(gòu)措施)。主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，外部建筑造型采用曲線型鋼架。該建筑物平面收進(jìn)大于25%，局部梁懸挑大于4 m，考慮結(jié)構(gòu)偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，剛度方面，1層小于2－4層的80%，即豎向剛度有突變，此外，建筑造型鋼架一端落在地面±0.00上，另一端落在建筑物頂層，最大水平跨度為32 m，為平面、豎向多項(xiàng)不規(guī)則的大跨度鋼－混凝土組合復(fù)雜高層建筑。工程抗震設(shè)防類別為丙類，抗震等級(jí)為一級(jí)，處于8度地震區(qū)。

該工程設(shè)計(jì)施工時(shí)遵循的《建筑設(shè)計(jì)抗震規(guī)范》和《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》為2002年發(fā)布的規(guī)范(以下分別簡(jiǎn)稱舊抗規(guī)［2]和舊混凝土規(guī)范［3])，目前我國實(shí)施的是2010年發(fā)布的新規(guī)范(以下分別簡(jiǎn)稱新抗規(guī)［4]和新混凝土規(guī)范［5])。

新規(guī)范相對(duì)于舊規(guī)范提出了許多新的要求及結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施，可能造成原設(shè)計(jì)不能完全符合現(xiàn)行規(guī)范的要求。本文將以此工程為背景，研究新版規(guī)范對(duì)此類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來的影響。

1 結(jié)構(gòu)的抗震特性分析

1.1 SATWE 計(jì)算模型

本文所采用的模型為建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析模型［1]。結(jié)構(gòu)平面布置圖(為簡(jiǎn)便起見，僅給出布置較復(fù)雜的第二層平面布置圖)見圖1。

該結(jié)構(gòu)主體層高由下向上分別為4.4 m，底部夾層3.2 m，1－2層間夾層3.2 m，2－3層間夾層2.8 m。結(jié)構(gòu)3－5層北側(cè)懸挑梁大于4 m，圖中多處出現(xiàn)弧形梁、曲線梁，并存在斜撐等構(gòu)件。

1.2 結(jié)構(gòu)抗震特性對(duì)比分析

本建筑結(jié)構(gòu)頂部造型鋼架與混凝土主體的連接為鉸接，故以下研究使用的模型均不考慮頂部造型鋼架，只取混凝土主體部分進(jìn)行分析比較。涉及到的層數(shù)包含建筑物夾層，即，該建筑物共8層。

抗震基本特性:在結(jié)構(gòu)的多遇地震反應(yīng)分析中，SATWE軟件提供了振型分解反應(yīng)譜法和彈性動(dòng)力時(shí)程分析兩種方法，本文采用的是前種方法。

鑒于新舊規(guī)范存在的差異，分別使用 PKPM2010版(對(duì)應(yīng)于2010年發(fā)布的新規(guī)范)和PKPM2008版(對(duì)應(yīng)于2002年發(fā)布的舊規(guī)范)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析。表1為兩種版本計(jì)算結(jié)果的對(duì)比。

從表1可以看出:新舊兩版SATWE計(jì)算下的X、Y方向的有效質(zhì)量系數(shù)均在95%以上，符合《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》［6]中第 5.1.13條之規(guī)定，即振型參與質(zhì)量不小于總質(zhì)量的90%，說明該計(jì)算所設(shè)定的振型數(shù)是足夠的。

振型:根據(jù)結(jié)構(gòu)的前三階振型圖分析該結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性:第一、二振型主要為X、Y向平動(dòng)，伴隨一定的扭轉(zhuǎn)振動(dòng);第三振型表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn)振型。由此，結(jié)構(gòu)在前三階振型中均不同程度地表現(xiàn)出平動(dòng)與扭轉(zhuǎn)藕聯(lián)的情況。

結(jié)構(gòu)周期:我國規(guī)范均規(guī)定，質(zhì)量與剛度分布明顯不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，應(yīng)計(jì)算雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響。在計(jì)算地震力時(shí)，振型個(gè)數(shù)的選取應(yīng)遵循我國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，按扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)振型分解法計(jì)算時(shí)，各樓層可取兩個(gè)正交的水平位移和一個(gè)轉(zhuǎn)角共三個(gè)自由度計(jì)算結(jié)構(gòu)的地震作用和作用效應(yīng)。鑒于本建筑的不規(guī)則情況，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)整體產(chǎn)生較大影響，取前15階振型進(jìn)行計(jì)算。

表1 2010版和2008版計(jì)算的抗震基本特性比較Tab.1 The comparison of seismic behavior calculated according to 2010 edition and 2008 edition

計(jì)算表明，X、Y方向的有效質(zhì)量系數(shù)分別為98.62%和98.59%，符合《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中第5.1.13條規(guī)定，即振型參與質(zhì)量不小于總質(zhì)量的90%，說明該計(jì)算所設(shè)定的振型數(shù)是足夠的。

結(jié)構(gòu)位移:利用新版SATWE進(jìn)行結(jié)構(gòu)多遇地震下的反應(yīng)分析，結(jié)果表明:該框架結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為1/611，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中框架結(jié)構(gòu)最大層間位移角限值1/550的要求，校核框架柱的軸壓比和配筋均滿足新規(guī)范要求，說明本工程在多遇地震作用下是安全的。

2 新規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響

2.1 框架結(jié)構(gòu)含鋼量變化對(duì)比

新規(guī)范的提出必然會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成一定程度的影響，本節(jié)將就新舊規(guī)范不同要求下大跨度非對(duì)稱框架結(jié)構(gòu)的鋼筋用量變化作出對(duì)比，從而對(duì)新規(guī)范有一個(gè)更全面的認(rèn)識(shí)。柱、梁含鋼量的比較結(jié)果分別見表2、表3。

2.2 框架結(jié)構(gòu)含鋼量變化原因

柱最小配筋率:新抗規(guī)對(duì)柱截面縱向受力鋼筋的最小總配筋率提出了新的要求。表4給出了框架結(jié)構(gòu)的柱截面縱向鋼筋最小配筋率。

表2 柱含鋼量變化比較Tab.2 The comparison of ratio of steel skeleton in column

表3 梁含鋼量變化比較Tab.3 The comparison of ratio of steel skeleton in beam

表4 柱截面縱向鋼筋的最小總配筋率(%)Tab.4 The minimum longitudinal reinforcement ratio in column section

對(duì)于該工程，抗震等級(jí)為一級(jí)，所用最大鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為360MPa，按照新抗規(guī)的相關(guān)規(guī)定，柱截面縱向鋼筋的最小總配筋率較舊抗規(guī)中柱和邊柱提高了0.1%，角柱不變。

彎矩設(shè)計(jì)值增大系數(shù):框架的梁柱節(jié)點(diǎn)處，柱端組合的彎矩設(shè)計(jì)值公式為

式中ηc－框架柱端彎矩增大系數(shù)。

柱端彎矩增大系數(shù)對(duì)框架結(jié)構(gòu)，抗震等級(jí)為一、二、三、四級(jí)的取值，新抗規(guī)較舊抗規(guī)均有所提高，新規(guī)范分別取 1.7、1.5、1.3、1.2，舊抗規(guī)分別取 1.4、1.2、1.1、1.0。對(duì)于本建筑結(jié)構(gòu)，柱端彎矩增大系數(shù)有1.4提高到了1.7，即柱端組合彎矩設(shè)計(jì)值提高了近22%。

此外，框架結(jié)構(gòu)的底層柱下端截面組合的彎矩設(shè)計(jì)值，新抗規(guī)較舊抗規(guī)的規(guī)定也有所提高，一、二、三、四級(jí)的增大系數(shù)分別由先前的1.5、1.25、1.15、1.0 提高至 1.7、1.5、1.3、1.2。

剪力設(shè)計(jì)值增大系數(shù):框架柱的剪力設(shè)計(jì)值公式為

式中ηvc－柱剪力增大系數(shù)。

柱剪力增大系數(shù)對(duì)框架結(jié)構(gòu)，抗震等級(jí)為一、二、三、四級(jí)的取值，新抗規(guī)較舊抗規(guī)均有所提高，新規(guī)范分別取1.5、1.3、1.2、1.1，舊抗規(guī)分別取1.4、1.2、1.1、1.0。對(duì)于本建筑結(jié)構(gòu)，柱端彎矩增大系數(shù)有1.4提高到了1.5，即柱端組合彎矩設(shè)計(jì)值提高了近7.2%。

此外，偏心受壓構(gòu)件計(jì)算公式也有所改變，這種變化通常會(huì)引起柱鋼筋減少，這里不再具體分析。

3 結(jié)語

由以上所示框架結(jié)構(gòu)含鋼量變化對(duì)比及原因分析不難發(fā)現(xiàn)，新抗規(guī)較之舊抗規(guī)更加強(qiáng)調(diào)“強(qiáng)柱弱梁”這一概念。此外，新抗規(guī)和新混凝土規(guī)范均取消了 HPB235級(jí)鋼筋，將鋼筋類別修訂為HPB300、HRBF335、HRBF400、HRB500、HRBF500共5種，并修改了受拉、受剪、受扭、受沖切的多項(xiàng)鋼筋強(qiáng)度限制規(guī)則，由此引起的梁、柱箍筋強(qiáng)度等級(jí)的變化必然也會(huì)引起含鋼量的變化。

［1] 多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析及設(shè)計(jì)軟件(SATWE S－3)用戶手冊(cè)及技術(shù)條件［M] .北京:中國建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部，2010.

［2] GB5011－2001，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S] .

［3] GB5011－2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S] .

［4] GB5011－2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S] .

［5] GB5011－2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S] .

［6] JGJ3－2002，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S] .2010，27(1):4－6.