地裂場地對某寬扁梁式轉換結構性能影響

韓玨，馬倩倩

（1.商洛學院 城鄉規劃與建筑工程學院，陜西商洛 726000；2.長安大學 公路學院，陜西西安 710064）

地裂縫是西安地區一種比較嚴重的自然災害。地裂縫引起的地基不均勻沉降對建筑結構的破壞較大。由于地裂縫活動對建筑物破壞的難以抵御性，地裂縫災害防治主要以避讓為主，其關鍵是合理避讓距離的確定。陜西省建設廳發布了《西安地裂縫場地勘察與設計規程》[1]，即采用空間避讓措施是合理選擇安全避讓距離來防止地裂縫對建筑結構的破壞。規程給出的避讓距離的合理性尚存在爭議，因此，對地裂縫的研究具有重要的現實意義。美國對地裂縫開展了大量研究[2-4]，主要在于地裂縫成因問題上。有三種不同的觀點：構造成因觀、地下水開采成因觀、綜合成因觀。而地裂縫對結構的影響方面的研究成果較少，多采用避讓的措施。國內一些學者研究了地裂縫對建筑結構影響。周洋洋[5]對地裂縫沉降進行了預測，得出沉降擬合曲線；劉博華[6]利用有限元軟件對地裂場區內的純框架結構和填充墻框架結構進行了彈性分析。萬通[7]分析了地裂縫對上部建筑物的主要影響因素和應對地裂縫活動采取的主要技術措施。胡志軍[8]研究了地裂場地對整體式雙肢剪力墻結構內力變形影響。對于帶寬扁梁轉換高層建筑結構在地裂縫場地下的工作性能研究較少。鑒于此，基于一實際典型寬扁梁托柱轉換結構工程實例，研究了不同避讓距離下，結構的內力、變形性能。通過分析研究，為帶寬扁梁式轉換框架結構在地裂場地下安全避讓距離的選取及結構設計提供建議。

1 工程概況及模型建立

本工程地處景區附近，為典型的景區房。下部商場，上部旅店。為了同時兼顧建筑功能、層高的需求。選擇寬扁梁轉換結構（利用寬扁梁代替傳統的梁式轉換梁）作為該工程的轉換結構形式。工程位于臨潼—長安斷裂帶西北側（上盤）。規范規定最小避讓距離為20 m[1]。

該建筑層數12層，框架結構（梁托柱），底部3層，層高4.5 m。轉換層位于第3層。上部結構為框架結構9層，層高3.3 m?？偢?3.2 m，混凝土強度等級為C35。結構平面布置圖如圖1、圖2。設計使用年限為50年，抗震設防烈度為8°，設計基本地震加速度0.2×9.8 m·s-2，場地類型Ⅱ類，設計地震分組為第一組。轉換層樓板厚度150 mm，其余各層樓板厚120 mm。結構縱向受力鋼筋均采用HRB400，箍筋采用HRB335。利用ETABS作為有限元分析軟件。

模型建完后，分別以避讓距離為5、8、11、14、17 m的情況對結構支座施加位移荷載。

圖1 轉換層下部結構布置圖

圖2 轉換層上部結構布置圖

2 基本假定

1）假定地裂縫方向與建筑物縱向平行。

2）假定地裂縫距離建筑物的距離大于20 m時，建筑物不發生不均勻沉降[9]。

3）沉降曲線選用周洋洋用灰色理論模型[5]擬合出的地裂沉降曲線，見圖3。通過此沉降曲線，可以確定不同避讓距離下框架柱的支座沉降位移（Z向、Y向），見表1。

表1 不同避讓距離底層框架柱支座位移

4）采用傳統固定支座模型法對支座施加位移荷載，考慮不均勻沉降影響。目前對于地裂縫不均勻沉降一般采用固定支座和彈性支座來模擬。雖然彈性支座模型能反映地基剛度對上部結構的影響，但其支座彈簧的剛度難以把握且計算復雜。固定支座模型簡單易實施，且滿足本文指定沉降值進行分析的要求。因此采用固定支座模型來模擬地裂場地上的不均勻沉降。

5）荷載組合為1.2重力荷載+1.3地震荷載+1.3不均勻沉降。

圖3 f6地裂縫平面展圖

3 位移分析

《高層建筑混凝土結構設計規程》3.7條對結構水平位移限值和舒適度進行了嚴格規定。同時指明了所給限值只使用于風荷載和多遇地震荷載標準值作用的情況。對不均勻沉降工況并沒有給出明確規定。從舒適度角度考慮，近似采用風荷載及地震荷載工況下給定的層間位移角限值來衡量地裂不均勻沉降工況下的位移限值[5,10-12]。不同避讓距離下結構層間位移角如圖4。

圖4 沉降預測

由圖5可知，隨著避讓距離的增大，結構的層間位移角減小。結構最大層間位移角見表2，由表2可見，避讓距離在14 m以外，結構側移滿足規范要求，11 m以內不滿足規范要求。

表2 結構最大層間位移角

圖5 不同避讓距離下結構層間位移角

4 結構內力分析

4.1 底層及轉換層柱軸力

選取一榀框架為代表，底層柱及轉換層柱在不同避讓距離下的軸力，見圖6。

圖6 柱軸力隨避讓距離對柱軸力的影響

從圖6可以看出：在荷載組合作用下，隨著避讓距離的增大，左邊柱和右邊柱軸力值均為先變小后變大；避讓距離為11 m時，軸力值最小。中柱的軸力變化規律同邊柱正好相反即先變大后變小。避讓距離為11 m時，軸力值最大。在同一避讓距離下，中柱軸力>右邊柱軸力>左邊柱軸力。在避讓距離變化時，中柱最容易發生破壞，設計時應加大中柱截面或者采取全長加密箍筋措施[13]。底層框架柱及轉換層柱軸力的變化規律基本相同。

4.2 底層框架梁彎矩及剪力

同樣以一榀框架為代表，底層框架梁內力隨避讓距離改變的變化曲線見圖7、圖8。

圖7 避讓距離對底層梁彎矩的影響

由圖7可以看出，底層框架梁均在避讓距離為11 m時彎矩值達到最大；梁的跨中截面彎矩受避讓距離變化的影響不大。梁端截面彎矩受避讓距離的影響較大。由圖7（a）看出，隨著避讓距離的增大，左梁左截面彎矩由負值逐漸變為正值，左梁右端截面彎矩均為負值且先變大后變小；兩端截面均在避讓距離為11 m時達到最大彎矩。因此，在進行結構設計時應根據避讓距離的不同在支座附近截面下部布置相應的縱筋來抵抗支座處的正彎矩。由圖6（b）隨著避讓距離增大，右梁左截面彎矩由正彎矩變為負彎矩，同樣在避讓距離為11 m時達到最大負彎矩值。右梁右截面彎矩均為負值，彎矩值先增大后減小，避讓距離為11 m時達到最值。由圖7（a）看出，底層框架梁的截面剪力隨避讓距離的變化趨勢基本一致；左梁剪力值均為先增大后減小，并于避讓距離為11 m處達到極值。通過改變避讓距離可以有效的減少截面箍筋及彎起鋼筋的用量。

由圖8（b）底層框架右梁中截面剪力值隨避讓距離變化可知，避讓距離的變化會導致梁截面剪力方向變化。因此，在進行結構設計時，應該考慮在梁跨中截面設置反向彎起鋼筋或者加配箍筋等措施來抵抗跨中截面反方向剪力。

圖8 避讓距離對底層梁剪力的影響

4.3 轉換梁彎矩及剪力

轉換梁內力隨避讓距離改變的變化曲線見圖9、圖10。

圖9 避讓距離對轉換梁彎矩的影響

由圖9、圖10可知，轉換梁的跨中截面彎矩受避讓距離的變化影響不大。左轉換梁和右轉換梁的右、左截面都在避讓距離為11 m附近發生突變并達到極值，并且該突變涉及到彎矩方向和數值大小兩個方面的變化。分析引起突變的原因，一方面是由于基礎不均勻沉降引起；另一方面，轉換梁上部承托的框架柱對轉換梁有較大的集中荷載作用。考慮到隨著時間的增長、地裂縫的發展延伸以及理論與工程實踐上的誤差，在進行理論計算的時候不能準確的得到避讓距離的精確值。因此，建議在對結構進行設計時應考慮到此種突變，設計時須對該部位進行保守配筋，截面上部及下部采用對稱配筋的形式。對于轉換梁與上部框架柱連接處應該采取加密箍筋的形式來防止該部位發生沖切破壞。左轉換梁左截面彎矩隨避讓距離改變的變化規律與右轉換梁右截面彎矩相同：均為先增大后減小，并在避讓距離為7 m附近彎矩值由負值變為正值。在設計時應該采取對稱配筋的形式。而建議對于考慮地基不均勻沉降的轉換梁進行設計時，采取全長截面對稱配筋的形式；箍筋采用全長加密布置。

由圖10可知，左、右轉換梁各截面剪力值均在避讓距離為11 m時達到極值。左轉換梁左截面、中截面以及右轉換梁的中截面、右截面剪力隨著避讓距離的變化方向將會改變?？紤]到此種因素影響。建議設計在截面上部、下部分別布置抗剪的彎起鋼筋，同時加密箍筋配置。

圖10 轉換梁剪力隨避讓距離變化對轉換梁剪力的影響

5 結論與建議

考慮到實際工程情況與理論研究的誤差，理論設計時不可能精確的確定避讓距離的數值。本文首次研究了寬扁梁托柱轉換框架結構在不同地裂縫避讓距離下的抗震性能。研究了地裂場地引起的基礎不均勻沉降對此種結構關鍵構件的影響，對于此類結構避讓距離的選取、結構構件的設計提出相應的建議。

1）避讓距離為14 m以外，結構滿足位移限值要求。

2）在重力荷載、地震荷載以及不均勻沉降荷載組合作用下，考慮轉換結構的底層梁和柱以及轉換層柱、轉換梁為最不利構件，分析可知在避讓距離變化時，中柱最容易發生破壞，建議設計時應加大中柱截面或者采取全長加密箍筋措施。

3）避讓距離為11 m時，結構的內力值均達到極值。底層框架梁轉換梁跨中彎矩及剪力值受避讓距離變化的影響不大。底層框架梁及轉換梁的梁端彎矩及剪力值在避讓距離發生變化時，會發生數值突變及方向的改變。因此，在對考慮基礎沉降的結構進行設計時，建議采取對稱配筋的形式、在梁跨中截面設置反向彎起鋼筋或者加配箍筋等措施來抵抗跨中截面反方向剪力。對于轉換梁建議箍筋采用全長加密布置。