剪重比作为衡量结构布置合理性指标时的场地类别影响分析

2016-07-26陈晓东

浙江建筑 2016年5期

关键词：抗震设计

陈晓东，张　杰

(浙江大学建筑设计研究院有限公司，浙江杭州 310028)

剪重比作为衡量结构布置合理性指标时的场地类别影响分析

陈晓东，张杰

(浙江大学建筑设计研究院有限公司，浙江杭州 310028)

摘要：现行规范规定了抗震设计时结构任一楼层的水平地震剪力最小值，由此产生的剪重比指标通常被视为衡量结构布置是否合理的重要指标之一。在此，通过对影响结构剪重比各因素的分析和具体工程实例的计算，指出场地类别对剪重比结果具有重要影响，进而揭示剪重比作为衡量结构布置合理性指标的不足。当剪重比不能满足要求时，建议直接放大地震剪力即可，无须调整结构布置。

关键词：抗震设计；水平地震剪力最小值；剪重比；场地类别

当前《建筑抗震设计规范(GB 50011—2010)》[1](以下简称《抗规》)和《高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 3—2010)》[2](以下简称《高规》)均以强制性条文规定了抗震设计时结构任一楼层的水平地震剪力最小值要求(即一般所谓的剪重比要求)，然而在各地的结构设计与图审实践中，往往不仅要求结构的各层均满足水平地震剪力最小值要求，更将剪重比作为衡量结构布置是否合理的重要指标之一。本文通过理论分析和工程实际算例表明：影响剪重比的因素有很多，而场地类别是其中的一个重要因素，同一抗震设防区域的同一结构，当所处场地类别不同时，剪重比差异明显。从而揭示了其作为衡量结构布置合理性指标的不足，进而建议当剪重比不能满足要求时，可以直接放大地震剪力。

1规范中的剪重比规定及其条文说明

《抗规》第5.2.5条规定(强制性条文)：抗震验算时，结构任一楼层的水平地震剪力应符合式(1)要求。

(1)

式(1)中：Veki—第i层对应于水平地震作用标准值的楼层剪力；

λ—剪力系数，不应小于表5.2.5规定的楼层最小地震剪力系数值，对竖向不规则结构的薄弱层，还应乘以1.15的增大系数；

Gj—第j层的重力荷载代表值。

其中的楼层最小剪力系数值见表1。

表1　楼层最小地震剪力系数值

由式(1)变换可得：

(2)

式(2)中符号左侧部分即结构剪重比。

根据《抗规》第5.2.5条的条文说明，可知制定该强制性条文主要是为了弥补加速度反应谱法的不足，防止由于规范计算方法的局限性所引起的地震效应计算结果过小，从而保证结构具有足够的抗震能力。

条文说明还指出：“当不满足时，需改变结构布置或调整结构总剪力和各楼层的水平地震剪力使之满足要求。”也就是说，当剪重比不满足要求时，可以通过两种方法来调整：1)直接放大结构总水平地震剪力和各楼层的水平地震剪力值；2)改变结构布置，从而调整结构的整体刚度和各层刚度，最终增大水平地震剪力。对于两种方法在实际工程中该如何应用，条文说明进一步指出：“当底部总剪力相差较多时，结构的选型和总体布置需要重新调整，不能仅采用乘以增大系数方法处理。”因此，在设计和图审过程中，往往将剪重比作为衡量结构布置是否需要调整的关键指标之一。

《高规》第4.3.12条的规定(同样为强制性条文)及其条文说明与抗规第5.2.5条规定基本一致。

然而，规范及条文说明并未明确“底部总剪力相差较多”这一概念具体的判别标准，设计时无法参考。对此，朱炳寅提出：当部分楼层计算分析得到的楼层地震水平剪力的标准值小于规范规定的最小楼层水平剪力时，可采用加大地震力调整系数的方法，对全部楼层进行剪力放大，若需要调整的楼层超过楼层总数的1/3或增大系数大于1.3时，则应对建筑布置和结构体系进行调整[3]；对高层建筑，当需要调整的楼层超过楼层总数的15%或增大系数大于1.2时，应对建筑布置和结构体系及构件截面尺寸进行调整[4]。

2剪重比指标的影响因素

对式(2)进行分析可知，影响剪重比的因素只有楼层水平地震剪力和各层重力荷载代表值两项。对于一个结构，当各层的平面形状、使用功能、层高、梁板厚度、隔墙布置等确定后，各层的重力荷载代表值已基本确定，那么影响剪重比的主要因素就是楼层水平地震剪力。进一步分析可知，影响楼层水平地震剪力的参数也即是能影响到结构水平地震影响系数α的参数：1)水平地震影响系数最大值αmax和建筑场地特征周期值Tg。根据《抗规》第5.1.4条，水平地震影响系数最大值与抗震设防烈度和地震类型(多遇或罕遇)有关，而场地特征周期值与场地类别和设计地震分组有关。2)结构阻尼比。根据《抗规》第5.1.5条，结构的阻尼比决定了地震影响系数曲线的阻尼调整和形状参数值，进而影响到结构水平地震影响系数α值。3)结构基本周期T。结构的基本周期与结构的整体刚度以及计算时的自振周期折减系数有关，其中结构体系、总层数、各层层高、各层结构布置、各构件截面尺寸等因素均会对结构的整体刚度产生影响，从而影响结构基本周期——因此调整结构布置会影响剪重比的计算结果。

通过以上分析可知，影响剪重比的因素较多，但表1中只提及抗震设防烈度、结构基本周期和扭转效应，其余因素并未被充分考虑。可见，当出于防止地震剪力被低估的目的来规定结构所应能承受的最小地震剪力时，规范条文并无不妥；但当将剪重比作为衡量结构布置是否合理的指标时，则存在局限性和不足。

进一步对表1中未考虑的因素进行分析：1)地震类型(多遇或罕遇)。工程设计中一般在多遇地震下分析结构的整体刚度合理性，因此该因素可以忽略。2)结构阻尼比。一般认为混凝土结构的阻尼比取0.05，钢结构为0.02～0.04，混合结构为0.03，当结构类型确定时该参数已随之确定，因此也可忽略。3)设计地震分组和建筑场地类别。计算得到的剪重比结果显然会随着设计地震分组和场地类别的不同而有所变化，但和设防烈度一样，设计地震分组是一个由建筑所在地区决定的参数，不存在变数；相反，场地类别由建筑场地的工程地质条件所决定，存在不确定性，因此本文主要分析场地类别对结构剪重比的重要影响。

3工程实例及分析

3.1工程实例1

某33层钢筋混凝土高层住宅(加机房屋面共34层)，总高97m，剪力墙结构，标准层结构平面布置见图1，标准层层高2.9m，底层层高5m。该工程位于6度区，地震分组为第一组，结构阻尼比为0.05，用SATWE软件(V1.3N版)进行多遇地震计算，周期折减系数取0.85，计算所得结构基本周期值为3.112 4s。不同场地类别下该结构的剪重比计算结果见表2。

图1　某住宅标准层结构平面

图2　某酒店标准层结构平面

场地类别底层剪重比计算值X向λx1Y向λy1规范要求值与计算值之比[λ]λx1[λ]λy1剪重比不满足要求层数X向nxY向ny不满足要求的层数与总层数之比nxNnyN是否需要调整结构布置Ⅰ00.00610.00641.311.2511932.3%26.5%是Ⅰ10.00640.00671.251.1910829.4%23.5%是Ⅱ0.00700.00741.141.087320.6%8.8%是Ⅲ0.00750.00801.071.00205.9%0否Ⅳ0.00930.01060.860.750000否

注:1)表2中规范要求的值[λ]为0.008，总层数N为34；

2)表2中“是否需要调整结构布置”的依据是前文提及的“当需要调整的楼层超过楼层总数的15%或增大系数大于1.2时，应对建筑布置和结构体系及构件截面尺寸进行调整”。

3.2工程实例2

某27层钢筋混凝土高层酒店，总高92.8m，框架-核心筒结构，标准层结构平面布置见图2，标准层层高3.4m，底部四层为商业用房，层高4.5m。该工程位于7度区，地震分组为第一组，结构阻尼比为0.05，用SATWE软件进行多遇地震计算，周期折减系数取0.85，计算所得结构基本周期值为2.781 7s。不同场地类别下该结构的剪重比计算结果见表3。

表3　某高层住宅不同场地类别下结构剪重比计算结果

注:表3中规范要求值[λ]为0.016，总层数N为27。

以上两个实例表明：1)同一地区(设防烈度和地震分组相同)的同一结构，当所处的场地类别不同时，计算所得剪重比差异较大，即场地类别是影响剪重比结果的重要因素之一；2)仅根据剪重比指标无法判断该结构是否需要调整；3)当场地类别由Ⅰ0类向Ⅳ类逐渐变化时，剪重比逐渐增大——这是因为地基在由抗震相对有利的“硬土”转向相对不利的“软土”，地震效应在增大。

由此产生了一个悖论：同样一个结构，当处于抗

震相对不利的Ⅲ、Ⅳ类场地时，剪重比符合要求，但当处于相对有利的Ⅰ、Ⅱ类场地时，反而由于剪重比不满足要求而需要进行调整，进一步加大该结构的刚度。

解决问题的途径有两条：1)仅规定各楼层应能承受的水平地震剪力最小值，不再将其作为衡量结构是否需调整的指标，即当剪重比不满足规范要求时，直接放大地震效应即可，无须调整结构布置。现行广东省标准《高层建筑混凝土结构技术规程(DBJ 15—92—2013)》[5]中第4.3.13条即明确规定“当小震弹性计算的楼层剪力小于规定的最小值时，可直接放大地震剪力以满足楼层最小地震剪力要求。”2)在规范条文中增加一个与地震分组和场地类别有关的影响系数，或者明确当用剪重比指标衡量结构布置是否合理时所应假定的地震分组和场地类别，比如以第一组、Ⅱ类场地为基准。本文建议采用途径1。

4结语

本文通过理论分析及工程实例的计算，分析了各因素尤其是场地类别对剪重比结果的影响，得到如下结论：

1)影响结构剪重比计算结果的因素有很多，场地类别是其中的一个重要因素，当场地类别由Ⅰ0类向Ⅳ类逐渐变化时，同一结构的剪重比逐渐增大。

2)由于未充分考虑场地类别等因素的影响，仅用剪重比指标去衡量结构布置是否合理存在局限性和不足，甚至产生悖论。

3)规范仅规定各楼层应能承受的水平地震剪力最小值，建议不再将其作为衡量结构是否需调整的指标。即，当剪重比不满足规范要求时，直接放大地震效应即可，无须调整结构布置。

参考文献

[1]中国建筑科学研究院.GB 50011—2010建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[2]中国建筑科学研究院.JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[3]朱炳寅.建筑结构设计问答及分析[M].2版.北京:中国建筑工业出版社,2013.

[4]朱炳寅.高层建筑混凝土结构技术规程应用与分析JGJ 3—2010[M].北京:中国建筑工业出版社,2013.

[5]华南理工大学建筑设计研究院.DBJ 15—92—2013高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.

收稿日期：2016-03-02