針對超限高層剪力墻中震拉應(yīng)力問題的工程實踐

針對超限高層剪力墻中震拉應(yīng)力問題的工程實踐楊東全;朱嘉;張宏斌;趙聯(lián)楨【摘要】水平地震作用會對高層結(jié)構(gòu)的底部豎向構(gòu)件產(chǎn)生軸向拉壓作用.在高烈度地區(qū)，對超限高層建筑進行中震不屈服計算時，這種作用可引起結(jié)構(gòu)底部某些剪力墻墻肢的拉應(yīng)力，該拉應(yīng)力可能大于混凝土抗拉強度標準值.在進行超限高層抗震專項審查時，按照《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》的要求，剪力墻構(gòu)件需滿足中震不屈服墻肢平均拉應(yīng)力不超過2倍混凝土抗拉強度標準值的要求.基于高烈度地區(qū)的超限高層設(shè)計實踐，討論了中震計算方法;論述了剪力墻拉應(yīng)力與受剪承載力的關(guān)系;闡述了墻體中震拉應(yīng)力的工程計算方法;最后，給出了中震拉應(yīng)力不滿足要求時的一種工程處理方法.【期刊名稱】《結(jié)構(gòu)工程師》【年(卷)，期】2016(032)004【總頁數(shù)】7頁(P147-153)【關(guān)鍵詞】超限高層;剪力墻;中震不屈服設(shè)計;墻肢平均拉應(yīng)力;墻肢受剪承載力【作者】楊東全;朱嘉漲宏斌;趙聯(lián)楨【作者單位】海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，海口570228;海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，?？?70228;海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，?？?70228;海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，?？?70228【正文語種】中文我國《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》(2010)[1]第十二條提出：〃中震時出現(xiàn)小偏心受拉的混凝土構(gòu)件應(yīng)采用《高層混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)程》中規(guī)定的特一級構(gòu)造，拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強度標準值時宜設(shè)置型鋼?！彪S著人們在超限高層抗震專項審查實踐中的進一步認識，新版的《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》(2015)[2](以下簡稱《技術(shù)要點》)進一步將其明確為：〃中震時出現(xiàn)小偏心受拉的混凝土構(gòu)件應(yīng)采用《高層混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)程》中規(guī)定的特一級構(gòu)造。中震時雙向水平地震下墻肢全截面由軸向力產(chǎn)生的平均名義拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強度標準值時宜設(shè)置型鋼承擔(dān)拉力，且平均名義拉應(yīng)力不宜超過兩倍混凝土抗拉強度標準值(可按彈性模量換算考慮型鋼和鋼板的作用)，全截面型鋼和鋼板的含鋼率超過2.5%時可按比例適當(dāng)放松。”以上要求為小偏心受拉構(gòu)件的中震拉應(yīng)力問題，可簡稱為2ftk問題。該問題可闡述為以下兩項具體要求：小偏心受拉混凝土構(gòu)件的抗拉承載力計算:在設(shè)防烈度地震計算中，對于拉應(yīng)力超過一倍混凝土抗拉強度標準值(即ftk)的小偏心受拉構(gòu)件不再考慮混凝土的抗拉能力，需設(shè)置型鋼來承擔(dān)墻體所受的全部拉力；小偏心受拉混凝土構(gòu)件的截面控制條件:在設(shè)防烈度地震計算中，對于小偏心受拉構(gòu)件，原則上要求其截面平均拉應(yīng)力不能超過兩倍的混凝土抗拉強度標準值即2ftk。對于拉應(yīng)力超過2ftk的小偏心受拉構(gòu)件，可用布置型鋼的方法使截面的平均拉應(yīng)力降到2ftk以下。具體計算中震平均拉應(yīng)力時，按型鋼和混凝土彈性模量換算的原則將型鋼的截面面積等效為相應(yīng)的混凝土面積。這種做法實質(zhì)上是根據(jù)型鋼和混凝土的拉壓剛度來分配型鋼和混凝土所承擔(dān)的拉力，通過布置型鋼降低混凝土部分所承擔(dān)的拉力。以上規(guī)定的基本解釋是:在設(shè)防烈度地震作用下，當(dāng)小偏心受拉構(gòu)件由軸向力產(chǎn)生的平均拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強度標準值時，混凝土將開裂;在地震往復(fù)作用下，開裂的混凝土受到反復(fù)的拉、壓作用，致使構(gòu)件中的混凝土產(chǎn)生脫落甚至部分被壓碎，從而造成混凝土實際抗剪承載力的減少，造成結(jié)構(gòu)的永久性破壞，不能實現(xiàn)〃中震可修”的抗震設(shè)防目標。為了避免這種破壞，小偏心受拉構(gòu)件的混凝土拉應(yīng)力控制條件規(guī)定為2ftk，可以彈性模量換算考慮型鋼的作用。在高層尤其是超高層建筑中，剪力墻構(gòu)件是主要的豎向構(gòu)件。在高烈度地區(qū)，剪力墻墻肢特別是結(jié)構(gòu)外圍的墻肢容易出現(xiàn)較大拉應(yīng)力的情況。該項指標的提出對高烈度地區(qū)超限高層建筑剪力墻構(gòu)件的設(shè)計提出了更高的要求。以?？谑袨槔?，作為抗震設(shè)防烈度為8度(0.30g)的地區(qū)，本地高層建筑以剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)和框筒結(jié)構(gòu)為主。由于地價、容積率等原因，本地區(qū)80m以上的高層建筑比較常見，其中大部分采用150m以下的剪力墻結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。按照《技術(shù)要點》的規(guī)定，這些結(jié)構(gòu)在設(shè)計時都需進行抗震專項審查，屬于超限高層。由于地震設(shè)防烈度較高，這類超限高層建筑在中震作用下底部剪力墻構(gòu)件的拉應(yīng)力超過2ftk的情況很常見。為解決該問題，可通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計方案、調(diào)高混凝土標號、增加墻厚、墻體內(nèi)添加型鋼等方式，但總的結(jié)果是明顯地提高了工程造價，增加了設(shè)計和施工難度。極端情況下，多種措施同時運用也很難完全將所有墻肢的拉應(yīng)力指標控制在2ftk范圍內(nèi)。2ftk指標來源于全國超限審查專家的概念判斷，目前對此研究較少而且有一定的爭議，需要進行更深入的試驗和理論研究。針對超限高層建筑的剪力墻中震拉應(yīng)力要求，結(jié)合?？谑谐迣彶榈木唧w工程實踐，本文將討論設(shè)防烈度地震的結(jié)構(gòu)抗震計算、規(guī)范中剪力墻抗剪承載力和軸向應(yīng)力的關(guān)系、剪力墻中震拉應(yīng)力的工程計算方法等，并介紹與拉應(yīng)力問題有關(guān)的型鋼配置計算和具體布置等超限高層建筑設(shè)計問題。1.1設(shè)防烈度地震計算的必要性我國GB50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[3](以下簡稱《抗規(guī)》)明確提出了〃小震不壞、中震可修、大震不倒”三個水準的抗震設(shè)防要求。對于符合規(guī)范要求的建筑，按照多遇地震作用進行設(shè)計，中震和大震的設(shè)防要求則通過地震作用的調(diào)整和各種抗震構(gòu)造措施來保證。隨著經(jīng)濟技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)形式越來越復(fù)雜，結(jié)構(gòu)高度越來越大。當(dāng)結(jié)構(gòu)的高度和復(fù)雜性超過相應(yīng)規(guī)范規(guī)定的適用條件時，則被稱為超限工程。超限工程應(yīng)滿足比規(guī)范規(guī)定更嚴格的技術(shù)要求和構(gòu)造措施。目前，我國的超限結(jié)構(gòu)依據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防管理規(guī)定》和《技術(shù)要點》進行設(shè)計，設(shè)計方案需通過抗震設(shè)防專項審查，以保證超限結(jié)構(gòu)的抗震安全，屬于抗震性能化設(shè)計。性能化設(shè)計采取基于性能的設(shè)計理念和方法，對建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能進行加強。對于性能化設(shè)計，一般需進行中震復(fù)核。根據(jù)性能目標的不同，中震復(fù)核可分為中震彈性復(fù)核和中震不屈服復(fù)核。1.2設(shè)防烈度地震作用的計算參數(shù)〃中震”即設(shè)防烈度地震，其50年內(nèi)發(fā)生的超越概率為10%。“中震彈性”是指，在不考慮抗震等級與內(nèi)力調(diào)整的抗震驗算中，中震作用下構(gòu)件處于彈性狀態(tài)；〃中震不屈服”是指，在不考慮抗震等級與內(nèi)力調(diào)整的抗震驗算中，中震作用下構(gòu)件處于彈性狀態(tài)且已達到彈性極限狀態(tài)，即將進入屈服階段?！都夹g(shù)要點》、《抗規(guī)》第3.10條和JGJ3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》［4］（以下簡稱《高規(guī)》）第3.11條均對中震彈性設(shè)計和中震不屈服設(shè)計做了明確的要求。在中震彈性計算中，不考慮內(nèi)力調(diào)整的經(jīng)驗系數(shù)，保留荷載分項系數(shù)即保留結(jié)構(gòu)的安全度和可靠度，屬于正常設(shè)計。在中震不屈服計算中，內(nèi)力按標準值計算（荷載分項系數(shù)均為1.0），與抗震等級有關(guān)的增大系數(shù)均為1.0，不考慮抗震承載力調(diào)整系數(shù)（抗震調(diào)整系數(shù)YRE取1.0），材料強度按標準值計算（鋼筋與混凝土強度均采用標準值）。中震不屈服計算屬于承載力極限狀態(tài)設(shè)計，已經(jīng)去掉所有的安全度，所以中震彈性要比中震不屈服的要求更為嚴格。按照《高規(guī)》［4］第7.2.11條第2款的規(guī)定，對于多遇地震抗震設(shè)計，偏心受拉剪力墻的斜截面受剪承載力應(yīng)符合下列規(guī)定：當(dāng)上式右端方括號內(nèi)的計算值小于0.8fyhAshhw0/s時，應(yīng)取等于0.8fyhAshhw0/s。按照《高規(guī)》7.2.11條的條文說明，《高規(guī)》7.2.11-2式考慮了軸向拉力對受剪承載力的不利影響。下面對規(guī)范的以上規(guī)定進行簡單的討論?！ó?dāng)上式右端方括號內(nèi)的計算值小于0.8fyhAshhw0/s時，應(yīng)取等于0.8fyhAshhw0/s"意味著當(dāng)0.4ftbwhw0-0.1NAw/A<0時，不再考慮剪力墻混凝土部分的抗剪能力。對于各種截面的剪力墻構(gòu)件，可近似認為:A竺Aw竺bwhw0，所以0.4ftbwhw0-0.1NAw/A<0意味著N/A>4fto圖1為各種型號的混凝土的抗拉強度標準值ftk和抗拉強度設(shè)計值ft的關(guān)系，其平均關(guān)系為ftk=1.4ft。因此，N/A>4ft意味著N/A>2.86ftk。所以，按照《高規(guī)》的規(guī)定，在多遇地震作用下，當(dāng)墻肢全截面由軸向力產(chǎn)生的平均拉應(yīng)力超過2.86倍混凝土抗拉強度標準值時即2.86ftk時，不再考慮混凝土部分的抗剪承載能力，但可以考慮鋼筋的抗剪作用。根據(jù)超限專家的意見，在中震作用下，墻肢平均不屈服拉應(yīng)力不應(yīng)超過2ftk，以保證剪力墻的抗剪能力滿足中震的性能要求。不屈服計算時沒有考慮荷載分項系數(shù)，認為荷載分項系數(shù)均為1.0。如果取地震作用的分項系數(shù)1.3，則墻肢平均不屈服拉應(yīng)力不應(yīng)超過2ftk大體相當(dāng)于墻肢平均彈性拉應(yīng)力不超過2.6ftk。所以，墻肢平均不屈服拉應(yīng)力不應(yīng)超過2ftk的要求和《高規(guī)》第7.2.11條第二款的規(guī)定一脈相承，本質(zhì)是為了保證剪力墻的抗剪性能，但明顯要求更嚴?！陡咭?guī)》只是規(guī)定當(dāng)平均拉應(yīng)力超過2.86ftk時，不再考慮剪力墻中混凝土部分的抗剪承載能力，并沒有要求墻肢中的平均拉應(yīng)力不能超過某個限值。另外，如果超限結(jié)構(gòu)的中震性能目標低于抗剪彈性，比如抗剪不屈服，則墻肢平均不屈服拉應(yīng)力不應(yīng)超過2ftk的要求較《高規(guī)》的規(guī)定顯得更為嚴格。該要求可以認為是超限高層設(shè)計較普通高層設(shè)計的更高要求。3.1墻肢拉應(yīng)力計算方法根據(jù)超限審查的要求，中震時剪力墻的拉應(yīng)力采用中震不屈服的計算結(jié)果。根據(jù)中震不屈服計算，可以得出每片墻肢由地震作用產(chǎn)生的軸向力（拉力為正，壓力為負）及恒載和活載作用下的壓力，根據(jù)如下關(guān)系可得出墻肢軸向平均拉應(yīng)力f拉以及該拉應(yīng)力與混凝土抗拉強度標準值ftk的比值（下稱拉應(yīng)力倍數(shù)）：計算時需分別考慮地震沿+X、-X、+Y、-Y方向的作用并取最不利的比值。墻肢平均不屈服拉應(yīng)力不應(yīng)超過2ftk的要求轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力倍數(shù)應(yīng)不大于2.0，同時當(dāng)該倍數(shù)大于1時宜設(shè)置型鋼承擔(dān)拉力。以上要求在低烈度地區(qū)和結(jié)構(gòu)高度較小時較易滿足，但在設(shè)防烈度較高、高度較大或場地條件不利等因素弓I起的較大地震作用下，結(jié)構(gòu)底部剪力墻的不屈服平均拉應(yīng)力超過2ftk的現(xiàn)象則不易避免。下面以?？谑心矪級高度普通住宅結(jié)構(gòu)為例，說明中震不屈服計算時剪力墻拉應(yīng)力的分布情況。本工程為地下1層、地上18層的結(jié)構(gòu)，平面呈35.4mx17.9m的矩形，建筑高度為88.5m,屬于規(guī)則的B級高度建筑。建筑平面布置圖、立面圖見圖2和圖3。該住宅地處8度（0.30g）地區(qū)的二類場地，中震時最大地震影響系數(shù)amax=0.68,特征周期0.35，。采用SATWE軟件進行該結(jié)構(gòu)的中震不屈服計算，該結(jié)構(gòu)底層剪力墻拉應(yīng)力倍數(shù)的驗算結(jié)果見圖4。圖4中深色的墻肢拉應(yīng)力超過ftk，圖中數(shù)值是拉應(yīng)力比值n，由式（3）所得，箭頭指示對應(yīng)該比值的地震作用方向。下面以圖4中CW-2墻肢為例，說明拉應(yīng)力比值n的具體計算方法。墻肢CW-1、CW-2、及其組合CW在中震時各種工況作用下的軸力數(shù)據(jù)見表1。墻肢CW-2的拉應(yīng)力計算過程見表2:按照表2的算法可計算出各片墻肢的拉應(yīng)力情況，拉應(yīng)力倍數(shù)超過1.0的墻肢表示在圖4中。從以上計算結(jié)果可以看出，長墻肢（按《高規(guī)》規(guī)定，當(dāng)墻肢長度超過墻體厚度4倍時為長墻肢）拉應(yīng)力超過2ftk的情況較少，但仍有幾片墻肢的拉應(yīng)力倍數(shù)超過1.0;短墻肢（當(dāng)墻肢長度小于墻體厚度4倍時為短墻肢）超過2ftk的情況較多。進一步的計算表明，在結(jié)構(gòu)中拉應(yīng)力倍數(shù)超過2.0的情況從結(jié)構(gòu)底層一直延伸至第四層。在?？诘貐^(qū)，根據(jù)作者的多棟超限高層設(shè)計實踐，剪力墻結(jié)構(gòu)的底部墻肢尤其是短墻肢拉應(yīng)力超限的情況是比較普遍的。3.2墻肢拉應(yīng)力計算的進一步討論剪力墻構(gòu)件在高層建筑結(jié)構(gòu)中廣泛運用，其截面有一字形、T形、L形、兩端帶翼緣的復(fù)雜截面以及圍成筒體的墻肢等，不同截面類型的中震平均拉應(yīng)力的計算方式值得討論?？紤]到短墻肢和相應(yīng)部位的長墻肢是整體抵抗地震作用的，所以完全按照計算軟件的墻肢劃分，即把所有墻肢劃分為一字形單元，從而進行拉應(yīng)力的驗算是不盡合理的。根據(jù)力學(xué)概念和工程經(jīng)驗，當(dāng)相連的墻肢可認為整體抵抗地震作用時，這些墻肢可作為一個整體即組合墻肢來考慮各種工況下的拉應(yīng)力驗算。例如，對于圖6所示的L形和T形截面墻肢，可作為一個整體進行各種工況下的平均拉應(yīng)力驗算。對于圖6中圍成筒體的墻肢，也可按整體計算。組合墻肢的拉應(yīng)力計算示例如下:圖3中墻肢CW-1和CW-2組成T型組合墻肢CW，其中CW-1截面尺寸為2.5mx0.25m,CW-2截面尺寸為1.6mx0.3m,組合后的墻肢CW面積為1.105m2，混凝土為C60，其抗拉強度標準值ftk=2.85MPa。在各種工況下，組合墻肢CW的軸力等于各墻肢的軸力之和，如表1所示，組合墻肢的中震不屈服拉應(yīng)力倍數(shù)n計算如表3所示：分析兩種計算結(jié)果的拉應(yīng)力倍數(shù)計算結(jié)果可知，單獨計算墻肢CW-1和CW-2時，CW-1的最不利拉應(yīng)力為2.84ftk，相對應(yīng)的地震作用方向為負X向;CW-2的最不利拉應(yīng)力為負值，不存在拉應(yīng)力；CW-1和CW-2組合后的CW墻肢的最不利拉應(yīng)力為1.13ftk，相對應(yīng)的地震作用方向為負X向。很明顯，組合墻肢的拉應(yīng)力倍數(shù)小于單獨計算時的結(jié)果。根據(jù)組合墻肢的方法進行的拉應(yīng)力驗算結(jié)果顯示在圖5中，圖中的虛框表示組合墻。從按照組合墻肢的驗算結(jié)果可以看出，拉應(yīng)力超過2ftk的墻肢組合少于單獨計算每片墻肢的情況。對于本示例工程，大部分墻肢基本滿足剪力墻墻肢不屈服拉應(yīng)力不超過2ftk的要求。對于不滿足要求的墻肢，以及拉應(yīng)力倍數(shù)超過1.0的墻肢，按照《技術(shù)要點》的要求，可配置型鋼暗柱，具體討論見下節(jié)。按照超限專家的意見，超限高層底部的剪力墻墻肢需滿足中震不屈服拉應(yīng)力不應(yīng)超過2ftk的要求，這個要求屬于截面控制條件。當(dāng)該條件不滿足時，可通過配置型鋼來保證墻肢的中震抗剪能力，所需配置的型鋼暗柱面積As按照等效彈性模量的方法進行計算：式中，Es和Ec為型鋼和混凝土的彈性模量。同時，按照《技術(shù)要點》的要求，當(dāng)墻肢拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強度標準值ftk時，其拉力全部由型鋼承擔(dān)。所以，所配型鋼的面積As還應(yīng)滿足：式中，fak表示型鋼的抗拉強度標準值。型鋼布置時應(yīng)符合構(gòu)造要求，型鋼形式可采用工字形、十字工形、長十字工形等。圖7是前文提到的住宅結(jié)構(gòu)底層剪力墻的型鋼配置圖，其型鋼配置由式(4)和式(5)計算得出并進行了歸并。此方案在該項目的超限審查會議中得到專家認可并得以通過。如果采用配置型鋼的方法還不能滿足中震拉應(yīng)力的要求，則需要優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式、采用輕質(zhì)材料以減少地震作用，還可采用具有較高抗拉強度的鋼纖維混凝土等措施，甚至改變結(jié)構(gòu)體系。在超限高層的性能化抗震設(shè)計過程中，設(shè)防烈度地震作用會引起結(jié)構(gòu)底部豎向構(gòu)件的較大軸向拉應(yīng)力。對于高烈度地區(qū)超限高層的底部剪力墻，墻肢平均中震不屈服拉應(yīng)力超過2倍的混凝土抗拉強度標準值的現(xiàn)象普遍存在。墻肢平均中震不屈服拉應(yīng)力超過2倍的混凝土抗拉強度標準值的要求和多遇地震下的墻肢抗剪要求大體相當(dāng)?shù)趪栏?。在驗算墻肢平均中震不屈服拉?yīng)力時，應(yīng)考慮墻肢的組合作用，按照組合墻肢進行計算。可按照等效彈性模量的方法配置型鋼暗柱來滿足2ftk的截面控制條件。型鋼的配置還需滿足墻肢中的拉力要求。通過配置型鋼的方法可以滿足超限高層審查時中震拉應(yīng)力的要求。但需要指出的是，這只是一種工程處理方法，以上結(jié)論是基于海南省海口市的超限高層抗震設(shè)計實踐得出的。到目前為止，雖然國內(nèi)夕卜學(xué)者對剪力墻的抗震性能進行了廣泛研究[5-7]，但處于小偏心受拉狀態(tài)的剪力墻抗震性能還需要進一步的理論和試驗研究?！鞠嚓P(guān)文獻】[1]超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點[S].全國超限高層建筑工程抗震設(shè)防審查專家委員會，2010.Overrunhigh-risebuildingengineeringseismicfortificationspecialexaminationtechnologypoints[S].Theoverrunhigh-risebuildingengineeringseismicfortificationreviewcommitteeofexperts,2010.(inChinese)超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點[S].全國超限高層建筑工程抗震設(shè)防審查專家委員會，2015.Overrunhigh-risebuildingengineeringseismicfortificationspecialexaminationtechnologypoints[S].Theoverrunhigh-risebuildingengineeringseismicfortificationreviewcommitteeofexperts,2015.(inChinese)中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.MinistryofHousingandUrban-RuralDevelopmentofthePeople'sRepublicofChina.GB50011—2010Codeforseismicdesignofbuildings[S].Beijing:ChinaArchitectureandBuildingPress,2010.(inChinese)[4]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.MinistryofHousingandUrban-RuralDevelopmentofthePeople'sRepublicofChina.JGJ3—2010Technicalspecificationforconcretes