新規范對大跨度非對稱框架結構設計的影響

王寧寧

(河北工業大學 土木工程系，天津300401)

某公建共5層，其中有3個夾層，主體高度為19.6 m，總高度為 30.2 m，建筑面積 12 800 m2，結構設計使用年限為50年(該公建要求按100年耐久性考慮結構措施)。主體結構采用鋼筋混凝土框架結構，外部建筑造型采用曲線型鋼架。該建筑物平面收進大于25%，局部梁懸挑大于4 m，考慮結構偶然偏心的扭轉位移比大于1.2，屬于扭轉不規則，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、豎向多項不規則的大跨度鋼－混凝土組合復雜高層建筑。工程抗震設防類別為丙類，抗震等級為一級，處于8度地震區。

該工程設計施工時遵循的《建筑設計抗震規范》和《混凝土結構設計規范》為2002年發布的規范(以下分別簡稱舊抗規［2]和舊混凝土規范［3])，目前我國實施的是2010年發布的新規范(以下分別簡稱新抗規［4]和新混凝土規范［5])。

新規范相對于舊規范提出了許多新的要求及結構構造措施，可能造成原設計不能完全符合現行規范的要求。本文將以此工程為背景，研究新版規范對此類結構的設計帶來的影響。

1 結構的抗震特性分析

1.1 SATWE 計算模型

本文所采用的模型為建筑結構空間有限元分析模型［1]。結構平面布置圖(為簡便起見，僅給出布置較復雜的第二層平面布置圖)見圖1。

該結構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。結構3－5層北側懸挑梁大于4 m，圖中多處出現弧形梁、曲線梁，并存在斜撐等構件。

1.2 結構抗震特性對比分析

本建筑結構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行分析比較。涉及到的層數包含建筑物夾層，即，該建筑物共8層。

抗震基本特性:在結構的多遇地震反應分析中，SATWE軟件提供了振型分解反應譜法和彈性動力時程分析兩種方法，本文采用的是前種方法。

鑒于新舊規范存在的差異，分別使用 PKPM2010版(對應于2010年發布的新規范)和PKPM2008版(對應于2002年發布的舊規范)對結構進行模態分析。表1為兩種版本計算結果的對比。

從表1可以看出:新舊兩版SATWE計算下的X、Y方向的有效質量系數均在95%以上，符合《高層建筑混凝土結構技術規程》［6]中第 5.1.13條之規定，即振型參與質量不小于總質量的90%，說明該計算所設定的振型數是足夠的。

振型:根據結構的前三階振型圖分析該結構的動力特性:第一、二振型主要為X、Y向平動，伴隨一定的扭轉振動;第三振型表現為扭轉振型。由此，結構在前三階振型中均不同程度地表現出平動與扭轉藕聯的情況。

結構周期:我國規范均規定，質量與剛度分布明顯不對稱的結構，應計算雙向水平地震作用下的扭轉影響。在計算地震力時，振型個數的選取應遵循我國《建筑抗震設計規范》的規定，按扭轉耦聯振型分解法計算時，各樓層可取兩個正交的水平位移和一個轉角共三個自由度計算結構的地震作用和作用效應。鑒于本建筑的不規則情況，扭轉振動會對結構整體產生較大影響，取前15階振型進行計算。

表1 2010版和2008版計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

計算表明，X、Y方向的有效質量系數分別為98.62%和98.59%，符合《高層建筑混凝土結構技術規程》中第5.1.13條規定，即振型參與質量不小于總質量的90%，說明該計算所設定的振型數是足夠的。

結構位移:利用新版SATWE進行結構多遇地震下的反應分析，結果表明:該框架結構的最大層間位移角為1/611，滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》中框架結構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范要求，說明本工程在多遇地震作用下是安全的。

2 新規范對結構設計的影響

2.1 框架結構含鋼量變化對比

新規范的提出必然會對結構設計造成一定程度的影響，本節將就新舊規范不同要求下大跨度非對稱框架結構的鋼筋用量變化作出對比，從而對新規范有一個更全面的認識。柱、梁含鋼量的比較結果分別見表2、表3。

2.2 框架結構含鋼量變化原因

柱最小配筋率:新抗規對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給出了框架結構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

對于該工程，抗震等級為一級，所用最大鋼筋強度標準值為360MPa，按照新抗規的相關規定，柱截面縱向鋼筋的最小總配筋率較舊抗規中柱和邊柱提高了0.1%，角柱不變。

彎矩設計值增大系數:框架的梁柱節點處，柱端組合的彎矩設計值公式為

式中ηc－框架柱端彎矩增大系數。

柱端彎矩增大系數對框架結構，抗震等級為一、二、三、四級的取值，新抗規較舊抗規均有所提高，新規范分別取 1.7、1.5、1.3、1.2，舊抗規分別取 1.4、1.2、1.1、1.0。對于本建筑結構，柱端彎矩增大系數有1.4提高到了1.7，即柱端組合彎矩設計值提高了近22%。

此外，框架結構的底層柱下端截面組合的彎矩設計值，新抗規較舊抗規的規定也有所提高，一、二、三、四級的增大系數分別由先前的1.5、1.25、1.15、1.0 提高至 1.7、1.5、1.3、1.2。

剪力設計值增大系數:框架柱的剪力設計值公式為

式中ηvc－柱剪力增大系數。

柱剪力增大系數對框架結構，抗震等級為一、二、三、四級的取值，新抗規較舊抗規均有所提高，新規范分別取1.5、1.3、1.2、1.1，舊抗規分別取1.4、1.2、1.1、1.0。對于本建筑結構，柱端彎矩增大系數有1.4提高到了1.5，即柱端組合彎矩設計值提高了近7.2%。

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

3 結語

由以上所示框架結構含鋼量變化對比及原因分析不難發現，新抗規較之舊抗規更加強調“強柱弱梁”這一概念。此外，新抗規和新混凝土規范均取消了 HPB235級鋼筋，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、受沖切的多項鋼筋強度限制規則，由此引起的梁、柱箍筋強度等級的變化必然也會引起含鋼量的變化。

［1] 多層及高層建筑結構空間有限元分析及設計軟件(SATWE S－3)用戶手冊及技術條件［M] .北京:中國建筑科學研究院PKPM CAD工程部，2010.

［2] GB5011－2001，建筑抗震設計規范［S] .

［3] GB5011－2002，混凝土結構設計規范［S] .

［4] GB5011－2010，建筑抗震設計規范［S] .

［5] GB5011－2010，混凝土結構設計規范［S] .

［6] JGJ3－2002，高層建筑混凝土結構技術規程［S] .2010，27(1):4－6.