結(jié)構(gòu)內(nèi)力調(diào)整及其在SATWE 中的體現(xiàn)

許春懿

(北京建筑大學，北京100044)

引言

在結(jié)構(gòu)設計過程中，為了實現(xiàn)小震不壞、中震可修、大震不倒的抗震性能目標，工程設計人員一方面采用概率理論為基礎的極限狀態(tài)設計方法;另一方面，設計人員在設計中融入概念設計的概念。概念設計的一個重要體現(xiàn)就是通過內(nèi)力調(diào)整。

根據(jù)目前《建筑抗震設計規(guī)范》GB50011-2010、《高層混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》JGJ3-2010可以將內(nèi)力調(diào)整主要可分為三類即，整體調(diào)整、局部調(diào)整、構(gòu)件調(diào)整。

1 整體調(diào)整

1)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)影響

在水平地震作用下，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)影響應按《抗規(guī)》5.2.3條進行調(diào)整。規(guī)則結(jié)構(gòu)不進行扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)計算時，平行于地震相互作用方向的兩個邊榀各構(gòu)件，其地震作用效應應乘以增大系數(shù)。一般情況，短邊可按1.15采用，長邊可按1.05采用;當扭轉(zhuǎn)剛度較小時，周邊各構(gòu)件按不小于1.3采用。角部構(gòu)件宜同時乘以兩個方向各自的增大系數(shù)。

SATWE中強制考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)影響，因此不必人為進行干預。

2)水平地震剪力調(diào)整——剪重比(抗規(guī)5.2.5條)

剪重比是規(guī)范考慮長周期結(jié)構(gòu)用振型分解反應譜法和底部剪力法計算時，因地震影響系數(shù)取值可能偏低，而規(guī)定了樓層水平地震剪力的最小值。由于地震影響系數(shù)在長周期段下降很快，對于周期大于3.5s的結(jié)構(gòu)，由此計算的水平地震效應可能過小。對于長周期結(jié)構(gòu)，地震地面運動速度和位移可能對結(jié)構(gòu)的破壞影響更大，但規(guī)范中的振型分解反應譜法無法做出合理估計，因此，處于對結(jié)構(gòu)安全的考慮《抗規(guī)》5.2.5 條和《高規(guī)》4.3.13 都對此作出了規(guī)定。

當計算所得剪力不滿足規(guī)范要求時，《抗規(guī)》中給出了以下三種情況下的調(diào)整方法:

a.若結(jié)構(gòu)基本周期位于反應譜的加速度控制段時，各樓層均需乘以同樣大小的增大系數(shù)。

b.若結(jié)構(gòu)基本周期位于反應譜的位移控制段時，則各樓層i均需按底部的剪力系數(shù)的差值Δλ0增加該層的地震剪力——ΔFEKi=Δλ0GEi。

c.若結(jié)構(gòu)基本周期處于反應譜的速度控制段時，則增加值應大于Δλ0GEi，頂部增加值可取位移作用和加速度作用二者的平均值，中間各層的增加值可近似按線性分布。

SATWE中計算剪重比時，采用的剪力是通過對地震作用CQC得到的，剪力的實際放大系數(shù)為。如圖1所示，勾選調(diào)整樓層地震內(nèi)力后，程序會自動根據(jù)規(guī)范條文說明的方法進行剪重比調(diào)整。弱軸方向指第一平動周期方向，強軸方向指第二平動周期方向。動位移比例要根據(jù)結(jié)構(gòu)周期與Tg及5Tg的關(guān)系確定，當結(jié)構(gòu)周期處于加速度段時，此處填0;當位于位移段時，此處填1;位于速度段時填0.5。填充后，軟件會自動按照《抗規(guī)》中給出的方法進行調(diào)整。需要指出的是，之后用到的結(jié)構(gòu)計算內(nèi)力都是經(jīng)過剪重比調(diào)整的。

圖1 SATWE剪重比調(diào)整

3)考慮地基與結(jié)構(gòu)動力相互作用的影響的調(diào)整

抗震規(guī)范5.2.7條規(guī)定8度和9度時建造在Ⅲ、Ⅳ類場地，采用剛性較好的筏基和樁箱聯(lián)合基礎的砼高層建筑，當結(jié)構(gòu)基本自振周期處于特征周期Tg的1.2倍至5倍范圍時，對剛性地基假定計算出來的水平地震剪力可適當折減，其層間變形可按折減后的樓層剪力計算。

a.高寬比小于3的結(jié)構(gòu)，各樓層的水平地震剪力的折減系數(shù)，可按下式計算:

公式1

φ——計入地基與結(jié)構(gòu)動力相互作用后的地震剪力折減系數(shù);

T1——按剛性地基假定確定的結(jié)構(gòu)基本自振周期;

ΔT——計入地基與結(jié)構(gòu)動力相互作用的附加周期

b.高寬比不小于3的結(jié)構(gòu)，底部的地震剪力按A規(guī)定折減，頂部不折減，中間各層按線性插入值折減。

SATWE中并未考慮地基與結(jié)構(gòu)相互作用的影響，因此在計算中不會折減。

4)豎向地震調(diào)整

如圖2所示，在此狀態(tài)下，SATWE可以實現(xiàn)《抗規(guī)》5.3.1條，計算時程序會自動對豎向地震作用效應增加1.5倍。

圖2 SATWE中的豎向地震作用計算信息

2 局部調(diào)整

1)豎向不規(guī)則調(diào)整

豎向不規(guī)則包括:側(cè)向剛度變化、抗剪承載力變化、豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)等。對于此類結(jié)構(gòu)，《抗規(guī)》和《高規(guī)》的調(diào)整方法不同。

《高規(guī)》3.5.8條規(guī)定，側(cè)向剛度變化、承載力變化、豎向抗側(cè)力構(gòu)件連續(xù)性不符合規(guī)定的樓層，其對應于地震作用標準值的剪力應乘以1.25的增大系數(shù)。

而《抗規(guī)》3.4.4.2 條規(guī)定，平面規(guī)則而豎向不規(guī)則的建筑，應采用空間結(jié)構(gòu)計算模型，剛度小的樓層的地震剪力應乘以不小于1.15的增大系數(shù)。豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)時，該構(gòu)件傳遞給水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件的地震內(nèi)力應根據(jù)烈度高低和水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件的類型、受力情況、幾何尺寸等，乘以1.25～2.0的增大系數(shù)。

《高規(guī)》3.5.8條規(guī)定，A類高度建筑層間受剪承載力不宜小于上一層的80%，不應小于上一層的65%;B類高度建筑不應小于上一層的75%。

而《抗規(guī)》3.4.4.2 條(3)規(guī)定，樓層承載力突變，薄弱層受剪承載力不應小于上一層的65%。

現(xiàn)在回顧那次并購，或許也可稱之為西王進軍體育產(chǎn)業(yè)的先聲。在魏橋集團投資乒超球隊之后，縣級市鄒平又誕生了一家全國性的體育俱樂部。

不同于規(guī)范，SATWE軟件將軟弱層與薄弱層統(tǒng)稱為薄弱層。用戶可以根據(jù)計算的樓層抗剪承載力比值，以及豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)情況，人工指定薄弱層位置(如圖3所示)實現(xiàn)薄弱層調(diào)整，軟件也會自動根據(jù)側(cè)向剛度比自動判斷薄弱層，并乘以1.25的地震內(nèi)力放大系數(shù)。

例如圖5所示模型，將一層柱截面尺寸設置為250×250mm，梁截面為250×300mm，二層柱設置為500×500mm，梁為500×800mm。其薄弱層設置情況如圖3所示，計算結(jié)果如圖4所示，可以看出程序自動將地震內(nèi)力擴大了1.25倍。

圖3 薄弱層的內(nèi)力調(diào)整

圖4 薄弱層的內(nèi)力調(diào)整結(jié)果

圖5 框架模型簡圖

圖6 薄弱層自動判斷情況

2)0.2V0調(diào)整

對于框架剪力墻結(jié)構(gòu)為了調(diào)高框架部分的二道防線抗震能力，《高規(guī)》8.14條規(guī)定這類結(jié)構(gòu)中滿足框架承擔的總剪力Vf≥0.2 V0的樓層，框架總剪力不必調(diào)整;不滿足要求的樓層，其框架總剪力應按0.2V0和1.5Vfimax二者的較小值采用。各層框架所承擔的地震總剪力應按調(diào)整前、后總剪力的比值調(diào)整每根框架柱和與之相連框架梁的剪力及端部彎矩標準值，框架柱的軸力標準值可不予調(diào)整。

同樣對于框架核心筒結(jié)構(gòu)，《高規(guī)》9.1.11規(guī)定當框架部分分配的地震剪力標準值的最大值小于結(jié)構(gòu)底部地震剪力標準值的10%時，各層框架部分承擔的地震剪力標準值應增大到結(jié)構(gòu)底部總地震剪力標準值的15%;此時各層核心筒墻體的地震剪力標準值宜乘以增大系數(shù)1.1，但可不大于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力標準值，墻體構(gòu)造措施應按提高一級采用。當框架部分分配的地震剪力標準值小于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力標準值的20%，不小于總地震剪力標準值的10%時，調(diào)整方法同框架剪力墻結(jié)構(gòu)。

對于框架柱數(shù)量從下至上基本不變的結(jié)構(gòu)，V0應取對應于地震作用標準值的結(jié)構(gòu)底部總剪力;對于框架柱數(shù)量從下至上分段有規(guī)律變化的結(jié)構(gòu)，應V0取每段底層結(jié)構(gòu)對應于地震作用標準值的總剪力。因此SATWE中采用分段調(diào)整的方法(如圖7所示)，設計人員可根據(jù)實際情況對結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，默認情況下，程序會自動進行0.2 V0的調(diào)整。當輸入的起始樓層號為負值時，調(diào)整系數(shù)會不受限值要求。當輸入調(diào)整系數(shù)上限值為0時，表示不做0.2 V0調(diào)整。所做的調(diào)整結(jié)果可在WVO2Q文件中可以看到。

圖7 SATWE中的內(nèi)力調(diào)整

3)水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件

對于存在水平轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)，包括采用轉(zhuǎn)換梁、桁架、空腹桁架、箱型結(jié)構(gòu)、斜撐等，《高規(guī)》10.2.4條規(guī)定特一、一、二級轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的水平地震作用計算內(nèi)力應分別乘以增大系數(shù) 1.9、1.6、1.3。

SATWE中首先應定義薄弱層層號，然后再到特殊構(gòu)件補充定義中進行轉(zhuǎn)換構(gòu)件定義才可實現(xiàn)此項調(diào)整。

圖8 SATWE的0.2V0內(nèi)力調(diào)整結(jié)果

3 構(gòu)件調(diào)整

構(gòu)件調(diào)整主要是指強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點弱構(gòu)件調(diào)整。在SATWE中，這些調(diào)整主要是通過設置構(gòu)件的抗震等級來實現(xiàn)。

1)框支剪力墻結(jié)構(gòu)

a.框支剪力墻內(nèi)力調(diào)整

b.框支柱內(nèi)力調(diào)整

由于落地剪力墻的抗側(cè)剛度遠大于框支柱，因此在水平作用下，剪力墻會承擔絕大部分的水平力，考慮到實際工程中轉(zhuǎn)換層的面內(nèi)變形和落地剪力墻的剛度衰變會導致框支柱剪力增大，因此《高規(guī)》10.2.17 和《抗規(guī)》6.2.10 都規(guī)定了框支柱的數(shù)量和框支柱承擔的最低剪力。

表1 《高規(guī)》中規(guī)定的框支墻內(nèi)力調(diào)整系數(shù)

表2 《抗規(guī)》中規(guī)定的框支柱內(nèi)力調(diào)整系數(shù)

2)框架柱

梁柱節(jié)點處，柱端組合彎矩值剪力值調(diào)整。

表3 《抗規(guī)》中規(guī)定的框架柱內(nèi)力調(diào)整系數(shù)

此表不適用于頂層柱和軸壓比小于0.15的框架柱。

一、二、三、四級框架的角柱，調(diào)整后的組合彎矩、剪力設計值還應乘以不小于1.1的增大系數(shù)。

3)框架梁、連梁剪力調(diào)整

表4 框架梁、連梁的剪力調(diào)整系數(shù)

4)剪力墻內(nèi)力調(diào)整

對于剪力墻的內(nèi)力調(diào)整，《抗規(guī)》和《高規(guī)》存在一些差異。比較而言，《高規(guī)》所規(guī)定的內(nèi)容更為詳細。對于一級剪力墻的加強部位以上部位的內(nèi)力調(diào)整，二者存在差異，《高規(guī)》的內(nèi)力放大系數(shù)是1.3，而《抗規(guī)》則為1.2。

表5 《抗規(guī)》中剪力墻內(nèi)力調(diào)整系數(shù)

雙肢剪力墻不宜出現(xiàn)小偏心受拉;當任一墻肢為偏心受拉時，另一墻肢的彎矩設計值和及剪力設計值應乘以增大系數(shù)1.25。

4 結(jié)束語

內(nèi)力調(diào)整是結(jié)構(gòu)設計過程中概念設計的重要表現(xiàn)，對于結(jié)構(gòu)整體的宏觀控制具有重要意義，工程設計人員應合理把握，通過熟悉了解SATWE軟件的關(guān)于規(guī)范內(nèi)力調(diào)整的執(zhí)行方法，才能保證結(jié)構(gòu)設計的安全性與合理性。

表6 《高規(guī)》中剪力墻內(nèi)力調(diào)整系數(shù)

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