吳 琛
(福建工程學院土木工程學院,福州350118)
結構設計新舊規范對比及新規范應用要點
吳 琛*
(福建工程學院土木工程學院,福州350118)
以鋼筋混凝土框架結構的抗震設計流程為主線,綜合比較了抗震規范、混凝土規范、高層規程和荷載規范的新舊版本差異,分析了新規范的修訂原因,整理了設計思路和流程,總結了各設計步驟的要點以及在實際工程設計中的應用方法,使結構設計師對新規范的理解更加深入,促進各規范的運用融匯貫通。
鋼筋混凝土框架結構,結構抗震設計,建筑設計新規范,對比
我國在汶川地震和玉樹地震之后,相繼對多部結構設計規范或規程進行了修訂。2010年至今,已正式發布的新規范包括《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010)[1]、《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)[2]、《高層建筑混凝土結構技術規程》(JBJ 3—2010)[3]、《砌體結構設計規范》(GB 50003—2011)、《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007—2011)、《建筑結構荷載規范》(GB 50009—2012)[4]等。
在新規范密集出臺的這幾年,釋義單部規范的資料不在少數[5-8],但由于結構設計的全過程不僅涉及一部規范,各規范又并非完全按照某一類型結構的設計程序來編寫,加之小注、條文說明、附錄等內容極易被忽視,因此結構工程師要在短時間內正確理解和應用新規范仍非易事。
本文從工程設計人員的角度出發,以目前在我國普遍采用的多高層建筑結構類型——框架結構的抗震設計流程為主線,綜合對比新舊抗震規范、混凝土規范、高層規程和荷載規范的差異,分析新規范的修訂原因,總結設計要點,以期達到深入和全面理解新規范的目的。下文為敘述簡捷,將這四部規范簡稱為《抗規》、《混規》、《高規》和《荷規》。
框架結構的抗震設計包括選型與布置、荷載及重力荷載代表值計算、構件剛度及結構自振周期計算、地震作用計算、彈性層間位移驗算、框架內力計算、組合與調整、構件承載力計算、抗震構造措施執行等多個步驟。其中,多遇地震與其他荷載效應組合作用下的構件承載力計算和多遇地震作用下的彈性變形驗算保證了結構“小震不壞”;罕遇地震作用下的彈塑性變形驗算可保證結構“大震不倒”;而抗震措施的執行則確保了結構“中震可修”。
3.1 結構選型與布置
3.1.1現澆框架最大適用高度和適用的最大高寬比
建筑物的結構選型主要取決于它的房屋高度,即由室外地面到主要屋面板板頂的高度(不包括局部突出屋頂部分)。為保證框架結構安全性,新《抗規》中除6度區外適用高度均有所降低,并且補充了8度0.3 g時的最大適用高度比8度0.2 g地區低5 m。同時為保證經濟性,新《抗規》刪除了“建造于Ⅳ類場地的結構適用高度應適當降低”的規定;對平面和豎向均不規則的結構,最大適用高度適當降低的規范用詞由“應”改為“宜”,減少幅度從20%調整為10%。
房屋的最大適用高度與地區設防烈度有關。汶川地震后,部分城鎮的抗震設防烈度有了相應調整,如汶川的基本烈度由7度提高到了8度。因此,按新《抗規》準確確定地區設防烈度是進行抗震設計的重要前提。
對高層框架結構,《高規》還限制了6度區和7度區的適用最大高寬比為4,8度區為3。這一限制從宏觀上控制了結構的剛度、整體穩定、承載能力和經濟合理性。
3.1.2結構平面布置
在過往的歷次強震中,許多帶單邊懸挑走廊的單跨框架教學樓發生了嚴重坍塌。相比之下,在外走廊設置了框架柱的多跨框架教學樓震害輕微。可見單跨框架結構不僅抗側剛度低而且缺少多道抗震防線,只要一個抗側構件破壞,整榀框架就會因為傳力路線的中斷而失效。為此,新《抗規》新增要求:甲、乙類建筑以及高度大于24 m的丙類建筑,不應采用單跨框架結構;高度不大于24 m的丙類建筑也不宜采用。同時,《建筑工程抗震設防分類標準》(GB 50233—2008)[9]將幼兒園、小學、中學的教學用房以及學生宿舍和食堂從丙類提高為乙類,這意味著此類建筑不應再采用單跨框架的結構形式。
3.1.3關于防震縫
防震縫的縫寬過小將導致縫兩側的建筑相互碰撞而破壞,甚至可能引發相鄰建筑的連續倒塌。因此,新《抗規》將縫寬的最低要求由70 mm增加到了100 mm。15 m以上的建筑,隨高度的增加,縫寬宜在100 mm的基礎上再加寬。
3.1.4構件截面尺寸初估
對于鋼筋混凝土樓、屋面板的厚度,舊《混規》僅對最小厚度提出要求,而新《混規》要求板厚受最小厚度和跨厚比雙控。并且,新《混規》增加了對現澆空心樓蓋的板厚要求,加大了密肋樓蓋的最小板厚,并對懸臂板的出挑長度做出了不超過1 200 mm的具體規定。
對于框架柱的截面尺寸,舊《抗規》僅要求矩形柱最小邊長300 mm,圓柱最小直徑350 mm,而新《抗規》根據汶川地震的經驗對抗震等級為一、二、三級且層數超過2層的建筑,將矩形柱最小邊長要求提高到400 mm,圓柱最小直徑要求提高到450 mm,以有利于實現“強柱弱梁”的延性破壞。
3.2 荷載標準值和重力荷載代表值計算
汶川地震后,教學樓和建筑物樓梯間的安全性能倍受重視。如表1所示,在新《荷規》中教學樓各功能區的活載均有所提高;考慮除人數較少的多層住宅外,其余建筑在緊急情況下集中于樓梯間的人員多、荷載大,均應按3.5 kN/m2考慮以確保樓梯間成為逃生安全島。
新《荷規》重新統計了近年補充的氣象資料后提高了部分城市的基本風壓值,并根據風洞試驗結果新增了高度超過45 m的矩形截面高層建筑需考慮深寬比D/B對背風面體型系數的影響。當D/B≤1.0時,背風面的體型系數由-0.5增加到-0.6,矩形高層建筑的風力系數也由1.3增加到1.4,風載的考慮更加充分。

表1 樓面均布活荷載標準值Table 1 Characteristic value of uniform ly distributed live loads on floors kN/m2

需注意由于地震時人群不可能往屋面集中,故屋面活載不參與組合;藏書庫、檔案庫活載變化不大,屬可控活載,地震時遇到的概率較大,組合系數一般取0.8;反之其他民用建筑的組合系數較小,一般取0.5。
3.3 構件剛度與結構自振周期計算
在結構內力與位移計算中,可考慮樓板作為梁的翼緣增大其剛度,通常邊框架梁與中框架梁的剛度增大系數分別取1.5和2.0。為避免側向剛度不規則,還應驗算i層樓層側向剛度ki之比:

重力荷載代表值為結構和構配件自重標準值Gk與各可變荷載Qik組合值之和:
當出現側向剛度不規則時,應盡量通過調整構件截面解決,否則需對薄弱層進行彈塑性變形分析。
結構的自振周期可通過能量法、頂點位移法、質量折算法等進行近似計算,并應考慮非承重墻體的剛度貢獻予以折減。依《高規》要求,框架結構的周期折減系數可按非承重墻體的數量取0.6~0.7。對于高層框架,為保證抗扭剛度,還要求扭轉為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比不應大于0.9。
3.4 多遇地震下地震作用及彈性層間位移計算
3.4.1結構的地震作用計算方向
一般情況,可按兩個主軸方向分別考慮水平地震作用。當斜交抗側力構件的相交角度大于15°時,應分別考慮各抗側力構件方向的水平地震作用。《抗規》要求9度高層結構還應計算豎向地震作用,但由于9度時框架結構最大適用高度僅24 m,而《民用建筑設計通則》(GB 50362)[10]以及新《高規》將高層結構界定為房屋高度大于28 m的住宅建筑以及房屋高度大于24 m的其他高層民用建筑,因而可認為在9度區是不適宜建造高層框架結構的,故豎向地震作用無須計算。
3.4.2地震作用的計算方法
底部剪力法和振型分解反應譜法是計算地震作用的兩種主要方法,當結構較為復雜時還需進行時程分析補充驗算。采用底部剪力法時,對自振周期大于1.4倍特征周期的長周期建筑應進行主體結構頂部附加集中力修正;當結構頂部帶有質量荷載小于標準層1/3的小塔樓時,還應進行鞭梢效應修正。采用振型分解反應譜法時,各振型參與質量之和不應小于總質量的90%,否則應增加計算振型數。
對于地震作用計算所采用的地震反應譜曲線,新《抗規》通過對直線下降段的下降斜率調整系數η1、曲線下降段衰減指數γ和阻尼調整系數η2進行調整,基本解決了舊《抗規》在長周期段,不同阻尼比地震影響系數曲線交叉、大阻尼曲線值高于小阻尼曲線值的不合理現象。
3.4.3樓層最大彈性層間位移驗算
多遇地震下結構層間剪力VEki與層間剛度ki之比,即樓層最大彈性層間位移應滿足1/550的層間位移角要求。其中,VEki應注意以下兩個調整:
(1)如存在豎向不規則情況,應將剛度小的樓層地震剪力VEki乘以多層不小于1.15、高層不小于1.25的增大系數。
(2)為避免反應譜曲線長周期段過快下降導致結構地震效應偏小,VEki還應滿足剪重比要求。剪力系數λ可按《抗規》表5.2.5取值,但對于豎向不規則結構的薄弱層,λ尚應乘以1.15的增大系數。
3.5 框架結構在水平向和豎向荷載作用下的內力計算
框架結構在水平地震和風荷載作用下的內力可采用D值法或反彎點法來計算。對于規則結構不進行扭轉耦聯計算的情況,新舊《抗規》都通過增大邊榀構件地震內力的簡化方法來考慮偶然偏心引起的扭轉效應,但二者略有區別。一方面,新《抗規》強調平行于地震作用方向的邊榀“各構件”,即梁和柱的效應都應放大;另一方面,新《抗規》還增加了“角部部件宜同時乘以兩個方向各自增大系數”的規定。
框架結構在恒載、活載、重力荷載代表值作用下的內力可采用分層法或彎矩分配法來計算。當柱中線與梁中線的偏心距大于1/4柱寬時,柱身易劈裂破壞,需將該偏心距疊加入框架節點彎矩參與分配。豎向荷載作用下,考慮梁端塑性內力重分布、梁支座負筋施工方便以及實現強柱弱梁的設計思想,可對現澆框架梁端進行0.85~0.9倍的彎矩調幅。有別于剪力墻連梁彎矩調幅的是,框架梁只在豎向荷載作用下考慮彎矩調幅,先調幅后組合。
3.6 內力組合和調整
3.6.1兩種基本組合
《高規》在《荷規》的基礎上將結構非抗震內力基本組合具體化為《高規》式(5.6.1),表2對公式各主要參數進行了直觀地總結。

表2 非抗震組合主要參數Table 2 M ain coefficients in non-seism ic combination
其中,γL是新《荷規》引入的可變荷載考慮設計使用年限的調整系數,該參數的引入解決了設計使用年限與設計基準期不相同時荷載標準值的調整問題。
考慮抗震的基本組合時,如前所述,框架結構在9度區不宜建造高層建筑,無須組合豎向地震作用。并且風載對60 m以下的建筑不起控制作用,框架結構受最大適用高度限制亦無須組合風載。因此,框架結構的抗震通常只需組合重力荷載及水平地震的效應。當組合梁端負彎矩和跨中正彎矩時,重力荷載效應對結構承載力不利,組合系數取1.3;組合梁端正彎矩時重力荷載效應對結構有利,組合系數取1.0。
3.6.2抗震組合的內力調整
為實現多道抗震防線的延性設計,地震作用的組合內力還應進行6項內力調整。這6項調整的順序、內容及調整系數如表3所示。由此可知,新《抗規》在一定程度上提高了框架結構的內力增大系數,對于延性的要求更加嚴格。

表3 內力調整系數Table 3 Ad justment coefficients of internal force
內力調整過程中需特別注意的是:
(1)內力調整屬于抗震措施的范疇,查取內力調整系數時采用的是抗震措施所對應的抗震等級。結構的抗震措施取決于地區的設防烈度和建筑物的設防分類,現將抗震措施總結為表4以方便快速準確地在《抗規》中確定結構的抗震等級。

表4 抗震措施匯總Table 4 Summary on anti-seism ic measures
(2)與新《高規》對“高層建筑”的界定相對應,新《抗規》在確定框架結構抗震等級時將30 m高度分界調整為24 m,這意味著處于24~30 m之間的建筑將比舊規范提高一度選用內力調整系數。
(3)框架柱涉及多項內力調整的內容。由于“強剪弱彎”采用的柱端彎矩之和是經過“強柱弱梁”、“強柱根”調整后的組合彎矩設計值,“強角柱”又是在“強柱弱梁”、“強柱根”、“強剪弱彎”調整基礎上對組合彎矩和剪力設計值的再次增大。因而,框架柱的內力調整應嚴格按照表3的順序逐一進行。
(4)由于頂層柱和軸壓比小于0.15的柱軸力較小,通常表現為大偏壓破壞,塑性鉸轉動能力強,因而無須“強柱弱梁”調整。經“強柱弱梁”調整后框架節點上下柱端的彎矩設計值按彈性分析分配,即按未調整前上下柱端彎矩比例分配。底層柱經“強柱弱梁”和“強柱根”彎矩調整后,為避免塑性鉸上移,新《抗規》要求底層縱筋“應”按上下端不利情況配筋,這比舊《抗規》的用詞“宜”要求更加嚴格。
(5)對于一級框架結構,新《抗規》明確了只需實配反算的方法來確定內力。即使按增大系數法比實配法保守,也可不采用增大系數法。
3.7 承載力計算
選擇非抗震組合或抗震組合作為最不利內力進行承載力計算,新舊規范存在以下三個方面的差異。
首先,在計算內容上,舊《抗規》僅要求對一、二級框架進行節點核芯區受剪承載力計算,但新《抗規》補充了三級框架也需進行節點核芯區設計。
其次,在計算公式上,新《混規》將一般受彎構件的箍筋項系數由1.25調整為1.0,這意味著當采用計算配箍時,相同計算條件下的箍筋計算面積將增加25%。這一修訂不僅提高了可靠度,還解決了一般受彎構件、以集中荷載為主獨立受彎構件兩套公式在臨近集中荷載為主的情況附近計算值不協調的問題,也為將來兩套公式的統一建立了基礎。
舊《混規》采用η-l0方法計算偏壓構件的正截面承載力,通過放大偏心矩來考慮撓曲桿件二階效應。新《混規》則采用Cm-ηns法通過調整彎矩值加以考慮,該方法的基本思路與美國ACI318—08規范是相同的。計算時首先從彎矩比、軸壓比、長細比三要素判斷是否考慮軸壓力N作用下產生的撓曲二階效應。判別方法如圖1所示。

圖1 撓曲二階效應判別Fig.1 Judgment of the second order effect of deflection
再次,在計算參數上,新規范對以下幾個重要參數進行了調整。
第一,舊《混規》中,結構重要性系數γ0是一個與結構安全等級或結構設計使用年限有關的參數。新混規中,因內力組合時已通過系數γL來反映設計使用年限的影響,故γ0僅與結構安全等級相關,安全等級為一、二、三級時,γ0分別取大于等于1.1,1.0和0.9。
第二,新《混規》所規定的混凝土最小保護層厚度不僅區別對待了設計使用年限為50年和100年的情況,而且對于保護層厚度的界定與舊《混規》有所不同。舊《混規》定義縱筋外緣至混凝土表面的距離為縱向受力筋的混凝土保護層厚度;新《混規》定義的是最外層鋼筋的混凝土保護層厚度,即箍筋外緣至混凝土表面的距離。以一類環境單排筋為例,梁受拉鋼筋合力作用點到混凝土邊緣的最小距離as依舊《混規》估算約為35 mm,但按新《混規》則應估算為40 mm??梢姡乱幏督档土藰嫾挠行Ы孛娓叨?,對抗力提出了更高的要求。
第三,構件承載力與鋼筋類型及強度有關。由表5總結的新舊規范對于鋼筋強度的要求可知,新《混規》的用鋼原則為:推廣400級、500級高強熱軋帶肋鋼筋作為縱向受力主導鋼筋,限制并逐步淘汰335級熱軋鋼筋,用300級光圓鋼筋取代235級光圓鋼筋。

表5 鋼筋強度要求Table 5 Steel strength requirements MPa
為保證塑性鉸的轉動能力,新《抗規》還補充了三級框架的縱向受力鋼筋也應同一、二級框架一樣要求實測強屈比不應小于1.25,且鋼筋屈服強度實測值與標準值之比不應大于1.3以保證內力調整奏效;新《抗規》還新增規定鋼筋在最大拉力下的總伸長率(不考慮斷口頸縮段影響)實測值不應小于9%,確保鋼筋延性。
承載力計算中還應注意以下幾點:
(1)為防止構件斜壓破壞,首先應進行剪壓比驗算。用于剪壓比驗算的剪力是經內力調整后的剪力組合設計值,而決定框柱剪跨比λ的則是柱端彎矩、剪力未經調整的組合計算值。
(2)由于樓板與梁整澆使框架梁非獨立梁,因而不論是否以集中荷載為主,都應按一般受彎構件進行框架梁斜截面設計。
(3)地震狀況下進行構件受剪承載力計算時,考慮混凝土在低周反復荷載作用下抗剪承載力降低而箍筋承載力降低不明顯,計算時僅將混凝土項系數取為非抗震情況下的60%,而箍筋項不應折減。此外,由于軸壓力對柱受剪承載力的有利作用是有限的,當柱軸壓比在0.3~0.5范圍時,受剪承載力達到最大值,若再增加軸壓力將導致受剪承載力降低并轉變為小偏壓破壞,故要求組合軸力設計值N≤0.3fcA。
(4)考慮到地震偶然性以及材料在動荷載下承載力的提高,抗震承載力計算需計入承載力調整系數γRE,其取值依材料延性程度差異而不同。對于梁受彎和軸壓比小于0.15柱的偏壓這樣延性較好的情況,γRE取0.75,相當于承載力提高1.333倍;對于軸壓比大于或等于0.15柱的偏壓,延性一般,γRE取0.8,相當于承載力提高1.25倍;對于構件和節點受剪等延性較差的情況,γRE取0.85,相當于承載力提高1.176倍。
3.8 抗震構造措施
新舊《抗規》、《高規》在抗震構造措施部分主要對框架柱的軸壓比、最小縱筋配筋率以及柱箍筋加密區的體積配筋率進行了修訂。
首先,為保證柱的塑性變形能力和框架抗倒塌能力,通常通過控制軸壓比使框架柱最終表現為延性的大偏壓破壞。考慮到框架結構中的框架屬于第一道抗震防線,框架柱具有絕對重要性,故新規范將框架結構的軸壓比限值減小了0.05,并補充了四級框架的軸壓比限值。軸壓比計算所采用的軸力N為框架柱經內力組合后的軸壓力設計值,這一點有別于剪力墻軸壓比計算,剪力墻軸壓比的N僅為墻在重力荷載代表值作用下的軸力設計值。
其次,柱的屈服位移角主要受縱向受拉鋼筋配筋率支配,并大致隨拉筋配筋率的增大呈線性增大。2001版《抗規》的柱截面最小配筋率雖較78版、89版有所提高,但仍偏低,有時甚至小于非抗震配筋率。故2010版《抗規》再一次提高了框架結構框架柱的縱筋最小配筋率。以混凝土強度低于C60,采用HRB400級鋼筋的框架結構框架柱為例,修訂情況如表6所示。

表6 框架柱縱筋最小配筋率Table 6 M inimum steel ratio of frame column

表7 抗震構造措施匯總Table 7 Summary on anti-seism ic structuralmeasures
表中的抗震等級是抗震構造措施所對應的抗震等級。與抗震措施不同,結構的抗震構造措施不僅和地區設防類別、建筑物設防分類有關,而且還取決于場地土類別?,F將抗震構造措施匯總如表7所示。
再次,新《抗規》考慮到驗算體積配箍率的目的并非受剪,而是增強框架節點附近的混凝土約束能力,增強混凝土的變形能力,從而提高整個結構的延性。因此,箍筋的強度設計值不再限制于360 N/mm2。
2010—2013年是我國結構設計新規范全面出臺的密集期。要在短時間內掌握每部規范的要點并做到融匯貫通、靈活應用,這無疑對設計師提出了很高的要求。本文站在結構設計師的視角,按照框架結構抗震設計的流程,將抗震規范、混凝土規范、高層規程、荷載規范對設計的具體要求和規范應用注意事項融于每一個設計步驟中,是對各部規范的綜合分析。比較了新舊規范在關鍵指標上的差異,解釋新規范的修訂原因和修訂思想,突出了新規范設計原則。這一工作是對框架結構設計流程的梳理和對設計方法的總結,希望對結構設計師的工作有所裨益,并對其他類型結構的設計提供學習的思路。
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Analysis of Current New Codes for Structural Design Based on Seism ic Design of Reinforced Concrete Frame Structures
WU Chen*
(College of Civil Engineering,Fujian University of Technology,Fuzhou 350118,China)
Based on seismic design of reinforced concrete frame structures the differences between four new codes,Code for seismic design of buildings,Code for design of concrete structures,Technical specification for concrete structures of tall building,Load code for the design of building structures and their old versions were compared.Revision purposeswere analyzed and design proposals,processes and operation guideswere also summarized.It's helpful for civil engineers to understand these new codes and apply them properly.
reinforced concrete frame structure,structural seismic design,building design code comparison
2013-08-08
國家自然科學基金資助項目(51108083);福建省高校杰出青年科研人才培育計劃項目(JA12225);福建省教育科學“十二五”規劃21K降度立項課題(FJJKCGZ14-017)
*聯系作者,Email:wuchen2001@126.com