坡地不等高嵌固高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)問題探討

1、2011貴州科學(xué)29（5）：4348，GuizhouScience坡地不等高嵌固高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)問題探討原摘帥要：肖常安賴碧君（貴州大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，貴陽550003）針對一斜坡型底部不等高嵌固高層剪力墻結(jié)構(gòu)，利用ETABS軟件分析地震作用下坡度的變化對該類結(jié)構(gòu)抗震性能以及減小底層兩端側(cè)移剛度差的相應(yīng)措施。結(jié)果表明宜選擇在坡度小的地基上建造該類建筑；增大底層高墻肢部位的影響，相關(guān)構(gòu)件的截面尺寸是減小側(cè)移剛度差較為有效的辦法，而同時(shí)增大結(jié)構(gòu)底層兩端剛度的方法會(huì)進(jìn)一步加大其側(cè)移剛度差，不可采用。關(guān)鍵詞：高層建筑，不等高嵌固，抗震設(shè)計(jì)，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，側(cè)移剛度差文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A6563（2011）05

2、-0043-09文章編號(hào)1003-中圖分類號(hào)TU9724SeismicDesignStudyofHigh-riseBuildingStructureofUnequal-heightFixedonSlopLandYUANShuaiXIAOChang-anLAIBi-jun（CollegeofCivilEngineeringandArchitecture，GuizhouUniversity，Guiyang，Guizhou550003，China）Abstract：Aimingatapracticalprojectwhichisthehigh-risebuildingnormalshear-wall

3、structureofunequal-heightfixedonslopland，thisarticle，byETABS，studieshowthechangeofgradientaffectstheseismicperform-anceofthiskindofstructureandcorrelativemeasurestoreducethedifferenceoflateralstiffnessatthefirstlayerunderearthquakeItturnsoutthatsmallgradientsaremoresuitableforconstructionandcanincre

4、asethesectionaldimensionofhigh-wallspartisaneffectivewaytoreducethatdifference，whileitwillbeunavailabletoincreasethedifferenceoflateralstiffnessbyincreasingstiffnessoftwoendsatthefirstlayerKeywords：stiffnesshigh-risebuilding，unequal-heightfixed，seismicdesign，torsionaleffect，thedifferenceoflateral底部不

5、等高嵌固結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究表明，該類結(jié)構(gòu)在1引言底端的不等高嵌固情況會(huì)使其底層沿不等高嵌固方容易在地震中被向的各豎向構(gòu)件之間產(chǎn)生剛度差，各個(gè)擊破連續(xù)倒塌，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)底部幾層成為抗震薄弱部位；同時(shí)還將引起底部豎向構(gòu)件剛心相對質(zhì)心的偏移，當(dāng)結(jié)構(gòu)受到垂直不等高嵌固方向的水平地震作用時(shí)，易產(chǎn)生明顯的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。這種效應(yīng)主要具體表現(xiàn)為相關(guān)控制指集中作用在結(jié)構(gòu)底部樓層，標(biāo)底部的偏心率、側(cè)移剛度、位移比、豎向及水平構(gòu)件內(nèi)力出現(xiàn)突變；而周期比變化不大，說明對其這種整體扭轉(zhuǎn)剛度的影響很小。對于剪力墻結(jié)構(gòu)，為了節(jié)約土地資源，緩解建設(shè)用地壓力，在我國西南多山地區(qū)，許多高層建筑常建于山坡之上，形成06-18；修回日期：201

6、1-06-29收稿日期：2011-），作者簡介：原帥（1986-男，在讀碩士研究生。研究方向：高層建筑結(jié)mail：wo213yuanyahoocomcn構(gòu)。E-）男，通訊作者：肖常安（1957-教授。研究方向：混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝mail：cacaxiaogzueducn土。E-44貴州科學(xué)29卷效應(yīng)則主要集中在底部五層，原因是剪力墻結(jié)構(gòu)剛度大，底部樓層的平動(dòng)位移較扭轉(zhuǎn)位移收斂得更快（賴碧君，2010）。本文基于以上研究成果，結(jié)合一具體工程，利用ETABS軟件對斜坡型底部不等高嵌固高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)問題進(jìn)行探討。3m，總高度54m，總建筑面積575778m。建筑抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防

7、烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為005g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場地2類別為類，基本風(fēng)壓為030kN/m。結(jié)構(gòu)體系為普通剪力墻結(jié)構(gòu)，平面規(guī)則、對稱，根據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求，具體結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。剪力墻的抗震等級為4級，底部2層為底部加強(qiáng)區(qū)，各層墻厚均為200mm，712層采墻體16層采用C35混凝土，1318層采用C25混凝土；梁板混用C30混凝土，凝土等級均為C25，板厚為150mm。2工程概況某高層建筑無地下室，地上18層，標(biāo)準(zhǔn)層層高圖1Fig1結(jié)構(gòu)布置簡圖Diagramofstructurearrangement該建筑計(jì)劃建于場地為斜坡型的天然堅(jiān)硬巖石地基上，場地中存在2種坡度，一種為27

8、1°，另一種為464°。該結(jié)構(gòu)縱向沿坡度方向，由于受到地形條件的限制，使其底部形成不等高嵌固的邊界約束情況，如圖2所示。331結(jié)構(gòu)分析模型選取原因分析根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果，坡地高層建筑結(jié)構(gòu)由于不等高嵌固的邊界約束條件使得底部幾層的豎向構(gòu)件與水平構(gòu)件間的內(nèi)力出現(xiàn)差異，在配筋設(shè)計(jì)中進(jìn)行可以保證滿足其承載力的要求（賴碧加強(qiáng)處理后，2010）。但在地震作用下，君，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)還是會(huì)給結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的負(fù)面影響，因此，在設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)人員應(yīng)著重考慮如何有效降低該類結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。場地的選擇是設(shè)計(jì)初期應(yīng)重點(diǎn)注意的問題，本文首先針對該場地上2種坡度進(jìn)行建模分析，比較坡度的變化對不等高嵌固結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變

9、形產(chǎn)生的影響，進(jìn)而選擇較為合適的坡度條件；由于坡地不等高嵌固的邊界約束條件將使得結(jié)構(gòu)底部的剛心向低矮構(gòu)件方向偏移，而造成在垂直于坡度方向的位移比圖2Fig2斜坡型不等高嵌固剪力墻結(jié)構(gòu)示意圖Diagramofshear-wallstructureofunequal-heightfixedonslopland5期原帥，等：坡地不等高嵌固高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)問題探討45較大，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，因此將采取適當(dāng)措施建立模型進(jìn)行分析，以求減小坡度方向結(jié)構(gòu)底部兩端的側(cè)移剛度差異，達(dá)到控制其扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的目的。32計(jì)算參數(shù)的選取運(yùn)用美國ComputerandStructuresInc（CSI）公司開發(fā)研制的房屋建筑結(jié)

10、構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件ETABS建立整體結(jié)構(gòu)模型并模擬各種坡地不等高嵌固的邊界約束條件，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算振型數(shù)取15個(gè)，各模型的有效質(zhì)量系數(shù)均大于90%，考慮5%的偶然偏心，不考慮雙向地震作用，周期折減系數(shù)為09，連梁剛度折減系數(shù)為07，對所有樓層強(qiáng)制采用剛性樓板假定。33331模型分析與比較第一組模型模型1（表1）為嵌固于坡度為271°場地上的周期比主要控制結(jié)構(gòu)的整體扭轉(zhuǎn)剛度，周期比越大表示該結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度越小，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)越明顯。從表1中看出，模型1比模型2周期比略大，但差值很小，可以忽略不計(jì)，同時(shí)，兩個(gè)模型的周期比都在2002）規(guī)定的限值085的范圍內(nèi)。說明規(guī)范（JGJ3-不同坡

11、度條件對結(jié)構(gòu)整體的抗扭剛度影響很小，同時(shí)只要按照規(guī)范相關(guān)規(guī)定，不等高嵌固結(jié)構(gòu)是易于滿足整體扭轉(zhuǎn)剛度的要求的。表1Tab12周期數(shù)據(jù)模型1、Perioddataofmodels1and2模型1T1（s）Tt（s）Tt/T1（s）14373210421907251模型214121810236507249普通剪力墻結(jié)構(gòu)，縱向兩端嵌固端的高差為14m（15m）；而模型2（表1）為嵌固于坡度為464°場地上的普通剪力墻結(jié)構(gòu)，縱向兩端嵌固端高差為24m（15m）。下面分別從周期比、偏心距、位移比等方面對模型進(jìn)行分析。1）周期比表2Tab2X方向質(zhì)心坐標(biāo)（mm）模型1模型2148382814843

12、00X方向剛心坐標(biāo)（mm）1163758754153X方向偏心距3200707301472）偏心距根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，各模型在X方向的最大偏心距均出現(xiàn)在首層，在Y方向的最大偏心距均出現(xiàn)在第五層，但首層X向的偏心程度遠(yuǎn)大于第五層Y向，因此表2只列出首層的偏心數(shù)據(jù)。2偏心數(shù)據(jù)模型1、Eccentricitydataofmodels1and2X方向偏心距變化率Y方向質(zhì)心坐標(biāo)（mm）603284603368Y方向剛心坐標(biāo)（mm）598801628946Y方向偏心距448325578Y方向偏心距變化率128%670%注：本文偏心距=質(zhì)心坐標(biāo)剛心坐標(biāo)（下同）變化率=（模型2的值模型1的值）/模型1的值×

13、;100%（下同）由表2可知，模型在X方向的偏心距均較大，這主要是因?yàn)槭讓釉赬方向由于不等高嵌固，形成了高墻肢和矮墻肢，矮墻肢的線剛度大于高墻肢，導(dǎo)造成了剛心與質(zhì)心的致剛度中心靠近矮墻肢部分，偏離，而在該方向模型2與模型1偏心距的變化率說明隨著坡度的加大，剛心與質(zhì)心的也達(dá)到128%，偏心距也隨之加大。另外，雖然兩個(gè)模型在Y向的25578）相比X向（320070，偏心距（4483，730147）很小，但模型2相比模型1有更加顯著的增加（變化率達(dá)670%），說明隨著坡度的增加，結(jié)構(gòu)本身沿X向兩側(cè)的不均勻布置對Y向偏心的影響將會(huì)被放大。3）Y向地震力作用下Y方向的樓層位移比（15層）位移比為樓層最大

14、位移與該樓層平均位移的比是表示扭轉(zhuǎn)變形的重要指標(biāo)。規(guī)范（GB50011-值，2010）把彈性位移比大于12的結(jié)構(gòu)定為扭轉(zhuǎn)不規(guī)2002）規(guī)定A級高度高層建筑規(guī)范（JGJ3-則結(jié)構(gòu)，2的位移比不應(yīng)大于15。計(jì)算結(jié)果顯示，模型1、在X方向的各樓層位移比均小于規(guī)范（GB50011-2010）規(guī)定值，且最大差值發(fā)生在首層，變化率僅為5%，限于篇幅，筆者在此未列出。從表3看出，在Y向地震作用下模型1僅在首層超過了規(guī)范（GB50011-2010）規(guī)定值，而模型2在首層超過了位46貴州科學(xué)29卷3層位移比也超過了12，移比最大限值15，第2、且兩個(gè)模型的首層位移比變化率達(dá)到了28%。說明隨著坡度的逐漸變大，樓

15、層位移比（特別是底層）隨之有較大的增加，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)更加明顯。綜合以上各指標(biāo)可知，模型2的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)大于模型1，說明隨著坡度的增大，該類結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)也越來越大，應(yīng)該選擇較小坡度的場地進(jìn)行建造。表3Tab3層號(hào)543212位移比數(shù)據(jù)模型1、Displacementratiodataofmodels1and2模型111371149116511981386模型211651179120412971775位移比變化率25%26%33%83%28%位移比?，F(xiàn)于模型1的基礎(chǔ)上建立模型3和模型4，考察相關(guān)參數(shù)的變化。模型3：將首層16軸線上B軸線和E軸線間的剪力墻長度均增加400mm。模型4：將首層16軸線

16、上的框架梁改為連梁，梁高設(shè)定為800mm。1）周期比4的平動(dòng)周期和扭轉(zhuǎn)周從表4中看出，模型3、4的平動(dòng)剛期相比模型1都有所減小，說明模型3、4相比度和扭轉(zhuǎn)剛度都有適量的增大，同時(shí)模型3、模型1周期比均有一定程度的減小，而且可以初步說明加大墻肢看出模型4的加強(qiáng)措施效果更明顯，截面和梁截面尺寸的方法可以降低結(jié)構(gòu)的抗扭效應(yīng)。表4Tab43、4周期數(shù)據(jù)模型1、Perioddataofmodels1，3and4模型1T1（s）Tt（s）Tt/T1（s）14373210421907251模型314327310350907224模型414329610328207208232第二組模型為了減小坡度方向結(jié)構(gòu)底部

17、兩端的側(cè)移剛度差，按照相關(guān)理論，可在結(jié)構(gòu)首層沿坡度方向的豎向構(gòu)件出現(xiàn)最大位移處，通過加大其墻肢截面和梁截面的尺寸以提高側(cè)移剛度，減小最大位移，從而減小表5Tab5X方向質(zhì)心坐標(biāo)（mm）模型1模型3模型4148382814845371484076X方向剛心坐標(biāo)（mm）1163758120439712077703、4偏心數(shù)據(jù)模型1、Eccentricitydataofmodels1，3and4X方向偏心距320070280140276306125%137%X方向相對模型1偏心距變化率Y方向質(zhì)心坐標(biāo)（mm）603284603138603267Y方向剛心坐標(biāo)（mm）598801596437600057

18、Y方向偏心距44836701321注：變化率=（模型3或4的值-模型1的值）/模型1的值×100%（下同）2）首層偏心距表5只列出首層的偏心數(shù)據(jù)，原因同表2。由X方向剛心與質(zhì)心的偏心距有所減小，這表5可知，是由于加大墻截面高度將明顯增加高墻肢部分的線剛度，而連梁的增設(shè)可加強(qiáng)各墻肢之間的協(xié)同工作，從而有效減小了坡度方向兩端構(gòu)件的線剛度差，使剛心和質(zhì)心的偏心程度變小。3）Y向地震力作用下Y方向的樓層位移比（15層）3、4在X方向的各樓層計(jì)算結(jié)果顯示，模型1、2010）規(guī)定值，位移比均小于規(guī)范（GB50011-且差值很小，限于篇幅，筆者在此未列出。從表6看出，在Y向地震力作用下模型3、4的

19、位移比相比模型1均4的位移比變化率在首層有一定的減小，且模型1、達(dá)到了7%，說明經(jīng)過增大高墻肢部分的側(cè)移剛度，可以有效減小坡度方向的側(cè)移剛度差，從而控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，說明增強(qiáng)高墻肢部分剛度以減小結(jié)構(gòu)底層沿坡度方向的剛度差異是降低該類結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的有效方法，按照這種思路，在符合規(guī)5期表6Tab6原帥，等：坡地不等高嵌固高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)問題探討473、4位移比數(shù)據(jù)模型1、Displacementratiodataofmodels1，3and4模型3相模型4相對模型1的位移比變化率13%16%19%27%7%位移比也能滿足規(guī)范要求。按此思路，減小周期比同樣會(huì)使位移比降低，針對

20、本結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，增大X方向兩盡端的剛度應(yīng)是降低結(jié)構(gòu)周期比的有效方法，選取模型如下，觀察相關(guān)參數(shù)的變化。模型5：將首層1軸線和16軸線上的框架梁均改為連梁，梁高設(shè)定為600mm。模型6：將首層1軸線和16軸線上的框架梁均改為連梁，梁高設(shè)定為800mm。1）周期比6相比模型1周期比均從表7中看出，模型5、有所減小，模型6變化幅度最大，說明改結(jié)構(gòu)兩端框且隨著連梁架梁為連梁能有效降低結(jié)構(gòu)的周期比，高度的增加，對其兩側(cè)墻體協(xié)調(diào)變形能力增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)周期比下降更快?？古偠燃訌?qiáng)，5、6周期數(shù)據(jù)表7模型1、Tab7Perioddataofmodels1，5and6模型1T1（s）Tt（s）Tt/T1（s）1437

21、3210421907251模型514323510305207195模型614320110292807188層號(hào)模型1模型3模型4對模型1的位移比變化率5432111371131112211491141113111651156114311981183116613861341128805%07%07%13%32%范要求的前提下，還可以在16軸線的高墻肢部位加斜撐以增大其剛度、適當(dāng)?shù)販p小矮墻肢的截面尺寸以降低該部位的剛度等，在實(shí)際工程中，基于具體情況，可聯(lián)合使用上述方法將位移比限制在規(guī)范（GB50011-2010）規(guī)定范圍內(nèi)，使其變?yōu)榕まD(zhuǎn)規(guī)則結(jié)構(gòu)，本文就不再贅述。233第三組模型2006）提到，文獻(xiàn)

22、（徐培福等，從理論上講，如果將周期比調(diào)整得足夠小，即使結(jié)構(gòu)的偏心率較大，其表8Tab8X方向質(zhì)心坐標(biāo)（mm）模型1模型5模型6148382814837761483368X方向剛心坐標(biāo)（mm）1163758110449010859495、6偏心數(shù)據(jù)模型1、Eccentricitydataofmodels1，5and6X方向偏心距320070379286397419185%242%X方向相對模型1偏心距變化率Y方向質(zhì)心坐標(biāo)（mm）603284603264603240Y方向剛心坐標(biāo)（mm）598801610527617575Y方向偏心距4483726314335注：變化率=（模型5或6的值模型1的值

23、）/模型1的值×100%（下同）2）首層偏心距表8只列出首層的偏心數(shù)據(jù)，原因同表2。由X方向剛心與質(zhì)心的偏心距均有所增大，表8可知，說明同時(shí)增大結(jié)構(gòu)底層左右兩端剛度使矮墻肢部分的剛度相對高墻肢增加更快，使剛心更加遠(yuǎn)離質(zhì)心，且兩端剛度增加越大，這種趨勢越明顯。3）Y向地震力作用下Y方向的樓層位移比（13層）從表9看出，隨著連梁高度增加，在Y向地震力6的首層位移比隨之增大，作用下，模型5、均接近規(guī)2002）限值15，范（JGJ3-說明同時(shí)增大結(jié)構(gòu)底層坡扭轉(zhuǎn)度方向兩盡端剛度加大了兩端的側(cè)移剛度差，變形更明顯，而其他各層位移比卻隨之減小，這是因?yàn)樯喜扛鲗硬淮嬖趥?cè)移剛度差，底層兩端剛度的增強(qiáng)限

24、制了上部各層兩端的變形，增大了其扭轉(zhuǎn)剛度。總之，對不等高嵌固結(jié)構(gòu)的底層而言，以增加底層兩端剛度的方法增大扭轉(zhuǎn)剛度并不能抵消同時(shí)帶來的側(cè)移剛度差的增大。48表9Tab95、6位移比數(shù)據(jù)模型1、貴州科學(xué)29卷Displacementratiodataofmodels1，5and6模型5相模型6相對模型1的位移比變化率04%04%45%肢部位相關(guān)構(gòu)件的截面尺寸來進(jìn)行改善，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示這種方法是行之有效的。同時(shí)，通過增大結(jié)構(gòu)底層兩端剛度的方法減小周期比，會(huì)進(jìn)一步加大兩端的側(cè)移剛度差，反而使底層的位移比增大，因此這種方法不能采用。在具體的工程當(dāng)中，情況往往復(fù)雜多變，應(yīng)結(jié)合上述概念設(shè)計(jì)理念，選擇適宜的設(shè)計(jì)

25、方法，以達(dá)預(yù)期的抗震設(shè)防目標(biāo)。層號(hào)模型1模型5模型6對模型1的位移比變化率32111651162116011981195119313861438144903%03%38%REFERENCESAnon（EditedbyMinstryofHousingandUrban-ruralDevelop-sRepublicofChina）2010.GB50011-mentofthePeople2010CodeforSesmicDesignofBuildingsSBeijing；ChinaArchitectureandBuildingPress，8（inChinese）Anon（EditedbyChinaAcademiyofBuildingResearch）2002.JGJ3-2002TechnicalSpecificationforConcrete4結(jié)論本文根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果，重點(diǎn)探討了不等高嵌固高層普通剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的控制問題，現(xiàn)