高层建筑结构侧向刚度规则性计算方法研究.pdf

四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 3 7卷第 3期 2 0 1 1 年 6月 高层建筑结构侧向刚度规则性计算方法研究 王秀存 ， 张海 1 ． 天津市房屋鉴定勘测设计院， 天津3 0 0 0 7 0 ； 2 ． 天津城市建设学院土木工程系， 天津3 0 0 3 8 4 摘要 G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1 建筑抗震设计规范 提出的“ 层间剪力位移比” 的计算方法对侧向刚度规则性的判断存在局限性 ， 在 一 些特殊情况下会得出不正确的结论， 为了解决侧向刚度规则性判断的问题， 提出了“ 层间剪力位移角比” 的侧向刚度计算方 法， 结合算例可以看出， 对于以弯曲变形为主的结构， 此方法结构概念明确 ， 得出的结论符合工程经验， 是对规范方法的很好 的补充。 关键词 高层建筑结构； 侧向刚度； 层间剪力位移角比 中图分类号 T U 9 7 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 81 9 3 3 【 2 0 1 1 0 3 0 2 6一 o 4 S t u d y o n c a l c u l a t i n g m e t h o d s o f t h e l a t e r a l s t i ffn e s s i r r e g ula r i t y o f t a l l bull d i n g s t r u c t ur e s WANG Xi u c u n ． ZHANG Ha i 1 ． T i a n j i n R e a l E s t a t e A p p r ms e S u r v e yD e s i g n I n s t i t u t e ， T i i n 3 0 0 0 7 0 ， C h i n a ； 2 ． D e p a r m e n t o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， T i a n j i n I n s t i t u t e o f U r b a n C o n s t r u c t i o n ， T i a n j i n 3 0 0 3 8 4， C h i n a Ab s t r a c t T h e c alc u l a t i n g me t h o d o f s t o r y r a t i o o f s h e a r a n d d ri f t w h i c h i s p r o v i d e d b y ‘ ‘ C o d e f o r s e i s mi c d e s i g n o f b u i l din g s ” h a s l i m i t a t i o n o f j u d g e m e n t o n l a t e r al s t i f f n e s s i r r e g u l a r i t y ， t h e w r o n g c o n c l u s i o n i s gi v e n i n s o me s p e c i a l c o n d i t i o n s ， i n o r d e r t o d i s s o l v e t h e p r o b l e m o f j u d g e m e n t o n l a t e r al s t i ff n e s s i rr e g u l a r i t y ， t h e c al c u l a t i n g m e t h o d o f s t o r y r a t i o o f s h e a r a n d d r i f t ang l e i s p r o v i d e d ， b a s e d o n c a l c ula t i n g e x a m p l e s ， t h e s t r u c t u r al c o n c e p t o f t h e m e t h o d i s c l e ar， t h e c o n c l u s i o n gi v e n b y t h e m e t h o d i s fi t t o e n g i n e e ri n g e x p e ri e n c e t o the s t r u c t u r e s p ri ma r i l y w i t h b e n d i n g d e f o r ma t i o n， i t ’ S a g o o d s u p p l e me n t t o t h e c o d e me t h o d ． Ke y wo r d s t a l l b u i l d i n g s t r u c t u r e s ； l a t e r al s t i ff n e s s ；s t o r y r a t i o o f s h e ar a n d d ri f t a n e O 引 言 我国的结构规范 及规程 对抗震设计的高 层建筑结构楼层侧 向刚度规则性的判断有明确的规 定 楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度 的7 0 ％或其上相邻三层侧向刚度平均值的 8 0 ％的 较大值 。保证楼层侧 向刚度的规则性 ， 可以避免因 楼层侧 向刚度突变引起结构地震反应加剧和局部楼 层变形集中， 减轻地震下结构的破坏。 1 刚度计算方法 国家n 以及地方规范 规程 分别提出了不 同的侧向刚度规则性的计算方法， 总结起来有以下 几种 收稿 日期 2 0 0 9 1 2 1 5 作者简介 王秀存 1 9 7 3 一 ， 男 ， 河北唐山人， 硕士， 一级注册结构工 程师 ， 主要从事 民用建筑结构设计 。 E ma i l wa n g x i u c u n 1 6 3 ． c o m 1 剪切刚度 文献[ 2 ] 附录 E ． 0 ． 1 建议的方法 ， 主要是针对转换层位于一层的情况 ， 限制转换层上 、 下层结构等效剪切刚度比y h 1 宜接近 1 ， 非抗震设计时 ， 不应大于 3 ， 抗震设计时 ， 不应大 于 2 。 2 剪弯刚度 文献[ 2 ] 附录E ． 0 ． 2 建议的方法， 主要是针对转换层大于一层 的情况， 控制转换层上 部与下部结构 的等效侧向刚度 比 y 。 宜接 近 1 ， 非抗震设计时， 不应大于 2 ， 抗震设计时 ， 不应 大于 1 ． 3 。 3 层间剪力与位移比 文献[ 1 ] 条文说明建议 的方法 I C v J V i／ A 1．Z i 。楼层侧向刚度不宜小于相 邻上部楼层侧向刚度的7 0 ％或其上相邻三层侧向 刚度平均值的8 0 ％的较大值。 4 层间位移角比 文献[ 3 ] 建议的方法， 规定在 地震作用下， 某一层的层间位移角 0 i 大于相邻上一 王秀存 ， 等 高层建筑结构侧向刚度规则性计算方法研究 2 7 层的 1 ． 3 倍， 或大于其上相邻 3个楼层层间位移角 平均值的 1 ． 2 倍 ， 则该层的侧向刚度不规则。其中， 等 。 5 层间位移角倒数比 为了比较 4 方法与 3 方法 的关系， 根据侧 向刚度 的概念， 定义 墨 。 I ／ 0 ； ； 采用文献[ 1 ， 2 ] 提供的原则判断侧向刚度规则 性 ， 主要用于两者 的比较。 6 层间剪力位移角比 考虑到以弯曲变形为主 的结构的侧向刚度概念， 应采用层间剪力位移角比 的方法来控制结构楼层侧向刚度的规则性， 。 ／ ； 采用文献[ 1 ， 2 ] 提供的原则判断侧向刚度均 匀性。 公式中的各参数意义详见相应规范。因为 1 ， 2 建议的刚度主要针对转换层结构， 这里不作讨 论， 仅比较其他4种刚度比的计算方法在不同结构 体系中的应用。 2 侧向刚度规则性判断的算例 本文采用 S A T WE软件H 对不同结构体系进行 了分析， 并利用上述3 ， 4 ， 5 ， 6 的层刚度比计算 方法进行了分析对比， 对算例中将出现的参数或系 数说明如下 y 。 层间位移角倒数 比， 即 一 m in 鲁 ， 3 ／ 0 i ＼ 瓦 而 J y 。 层 间位移角比， 即 y ⋯ 鲁 ， y 、 ，， 层 间剪力位移 比， 即 ．， ／ m 3 ／ ／ l u, ； 、 肌“ 1 ⋯ , mw l 。 ， J ，。 层 间剪力位移角比， 即 ．／ E／ O ． 3 V , l O, ； 、t - w i 。 m n I ， 瓦 I_ J 算例中未特殊说明的， 地震参数均为7 ． 5 度区， Ⅲ类场地， 地震分组为第一组。 2 ． 1 框架结构 基本参数 梁柱的混凝土强度等级为 C 3 5 ， 框架 柱断面 7 0 07 0 0 ， 外 围框架梁断 面 3 0 08 0 0 ， 内部 框架梁断面为3 0 0 6 0 0 ， 标准层高3 ． 6 m， 总层数为 9 层。层高变化分别为 1 ， 3 ， 5 ， 7层 层高为 7 ． 2 m 。平面布置如图1 所示。 判断结果 楼层侧向刚度规则性 是或否 的判 断结果详见表 1 3 ， 由于 3 ， 5 ， 7层的判断结果有相 同的规律， 在此仅列出5 层层高突变时的计算结果。 8 1 0 0 l 81 0 0 1 81 0 0 l 81 0 0 l 81 0 0 l 81 0 0 I 8 1 0 0 图 1 框架结构平面布置 F i g ． 1 Fl o o r p l a n o f f r a m e s t r u c t u r e 表 1 层高不变时侧向刚度规则性判断 Ta b l e 1 J u d g e me n t o n l a t e r a l s t i ffn e s s i r r e g u l a r i t y wi t h u n i f o r m s t o r e y h e i g h t 仅以 向为例， Y向规律同此 判断侧向刚度是否规则 ’ ， 0 I v ／ a Y v ／ o 0 2 7o l Tv ／ a Vv ／ o 位 1 ． 6 3 1 ． 7 9 1 ． 7 9 O ． 6 1 是 是 0 ． 9 4 1 ． 1 0 1 ． 1 0 1 ． 0 6 是 是 0 ． 8 2 1 ． 0 2 1 ． 0 2 1 ． 2 0 是 是 0 ． 7 5 1 ． 0 o 1 ． 0 0 1 ． 3 0 否 是 0 ． 6 6 1 ． o o 1 ． 0 0 1 ． 4 5 否 是 0 ． 5 3 1 ． 0 3 1 ． 0 3 1 ． 7 0 否 是 0 ． 7 3 1 ． 0 1 1 ． 0 1 1 ． 3 7 是 是 0 ． 6 0 1 ． 1 0 1 ． 0 9 1 ． 6 6 否 是 是 是 是 是 是 是 是 否 是 否 是 否 是 否 是 否 表2 首层层高突变时侧向刚度规则性判断 Ta b l e 2 J o d g e me n t o n l a t e r a l s t i ffn e ss i r r e g u l a r i t y wi t h a b r u p t c h a n g e o f the f ir s t s t o r e y h e i ght 仅 以 向为例， Y向规律同此 判断侧向刚度是 否规则 表 3 5层层高突变时侧向刚度规则性判断 T a b l e 3 J u d g e me n t o n l a t e r a l s t i f f n e s s i r r e g u l a rit y wi t I I a b rup t c h a n g e o f the f if t h s t o r e y h e i ght 仅以 向为例， Y向规律同此 判断侧向刚度是否规则 小结 1 当高度均匀时， y w A 和 T v ／ 0 判断结果均为侧 向刚度规则， 而 。 。 和 y 啦 却分别判断若干层不规则。 2 当层高在 1 ， 3 ， 5 ， 7 层突变时， y w 和Y v ／ o 除首 否 否 否 否 否 否 否 否 是 是 是 是 是 是 是 是 否 是 是 是 是 是 是 是 否 否 否 否 否 否 是 否 勰 ∞ g {∞ 叭 兮 叭 L L L L L 舵 蚍 ∞ 毗 叭 B L L L L L 醯 “ 是 是 是 是 否 否 否 否 是 是 是 是 否 是 是 是 是 是 是 是 否 是 是 是 是 是 是 是 否 否 是 否 舛 g j 甜 L L L ∞ ∞ 盯 ∞ L L ∞ 勰 盯 L L L L ∞ 斛 ” ∞ 2 8 四川建筑科学研究 第 3 7卷 层结果不 同外 ， 其他层均判断层高突变层为侧向刚 度不规则层 ， 但是需要注意的是 ， 由于 w 和 y w 。 相 差一个层高， 得出的层刚度比的数值相差大约 2 倍； 而y 叭 和 。 的结果是除层高突变层外的其他层也有 侧 向刚度不规则 的情况。 3 根据 以剪切变形 为主的框架 结构侧 向刚度 的概念 、 框架结构的受力特点以及实际工程中层高 不均匀 的情况， 应采用 y w 进行判断 ， y 0 2 和 w。 不可作为判断的依据。 2 ． 2 框架一核心筒结构 基本参数 共 3 2层， 核心筒墙厚由6 0 0 m m逐 步减小到4 0 0 m m， 核心筒内墙厚度2 0 0 m m， 框架柱 断面由 1 1 0 0 x 1 1 0 0逐步减 小到 8 0 08 0 0， 混凝 土 强度等级由C 5 5逐步减小到 C 3 5 ， 外围框架梁断面 为5 0 0 x 8 0 0 ， 内部框架梁断面为6 0 0 x 6 5 0 ， 层高为4 m 。层高变化为 1 ， 5 ， l O ， l 5 ， 2 0 ， 2 5 ， 3 0层 层高为 8 m 。平面布置如图 2所示。 图2 框架一核心简结构平面布置 Fi g ． 2 Fl o o r p l a n o f f r a me c or e wa l l s t r uc t ur e 7 E。 层刚度 比各计算方法 的关系 曲线如 图 3， 4所 图3 层高均匀时层刚度比对比 Fi g ． 3 Co n t r a s t c h a r t o f s t o r e y s t i ffn e s s r a t i o wi t h uni f o r m s t o r e y he i ght 图4 层高突变时层刚度比对比 F i g ． 4 Co n t r a s t c h a rt o f s t o r e y s t iff n e s s r a t i o wi t h a b ru p t c h a n g e o f s t o r e y h e i g h t 小结 1 当层高均匀时， 各种计算方法判断结果均为 侧向刚度规则， 其中， w 和 y w 。 的数值基本吻合； y 们 的数值除顶部若干层 由于层剪力 比的作用 明显 外 ， 与 y w A 和 y w 。 的数值基本吻合 ； 7 毗 与 y 。 2 的数值 呈现不严格的反比关系。 2 对于层高突变层 ， y 蛇与 w 。 的判断结果 均为侧 向刚度规则 ， 而 w 的判断结果 除首层外 为侧向刚度不规则， y w A 和 y w 。 计算的层刚度比数 值相差大约 2倍。考虑到结构概念和工程经验， y 。 ， y 与 w。 均可作为判断的依据 ， 控制 的严格性 排序 降序 为 3／ 02 ， B l ， y w 。 。 3 根据对筒中筒结构的计算 比较发现 ， 其层高 均匀或层高突变时呈现的规律性与框架一核心简结 构相同， 为节省篇幅 ， 数据不再列出。 2 ． 3 剪力墙结构 基本参数 共 3 3层 ， 外 围剪力墙厚度 2 5 0 m m， 内墙厚度为 2 0 0 r n r fl ， 外 围连梁断面 2 5 0 x 6 0 0， 内部 连梁断面为 2 0 0 4 5 0 ， 混凝土强度等级由C 4 0逐步 减小到 C 2 5 ， 层高为 3 m， 层高变化 为 1 ， 5 ， l 0 ， l 5 ， 2 0 ， 2 5 ， 3 0 层 层高为6 m ； 平面布置如图5 所示。 图5 剪力墙结构平面布置 Fi g ． 5 F l o o r p l a n o f s h e a r wa l l s t ru c t u r e 不 。 层刚度比各计算方法的关系曲线如图 6 ， 7所 小结 1 当层高均匀时， B 1 3／ v ／ z 与 3／ v ／ 0 的判断结果均 王秀存 ， 等 高层建筑结构侧向刚度规则性计算方法研究 2 9 为侧向刚度规则， 由于 。 控制较严格， 3 0层 位于 结构上部 的判断结果为侧 向刚度不规则 ， 2 7～ 2 9 层接近侧向刚度不规则 ， 这几层 的 肌稍大于 0 ． 8 ， 也接近侧向刚度不规则， 这明显不符合实际情况； 这 是因为 ， 顶部若干层 的层剪力比值较大 ， 而 y 。 与 y 0 2 仅与层间位移角有关。此时， 应采用 w 与 Y v ／ 0 作 为判断结构刚度不规则的依据。 图6 层高均匀时层刚度比对比 F i g ． 6 Co n t r a s t c ha r t o f s t o r e y s t i ffn e s s r a t i o wi t l I u n l f o r n l s t o r e y h e i g h t 剪力墙结构层高突变时层刚度比图 一层问位移角倒数 比一层间剪力位移角比 一层问剪力位移比 一 层间位移角比 图7 层高突变时层刚度比对比 Fi g ． 7 Co n t r a s t c h a rt o f s t o r e y s t iffn e s s r a t i o、 订t h a b r u p t c h a n g e o f s t o r e y h e i g h t 2 当层高突变时， 。 。 判断2 5 ， 3 0层为侧向刚度 不规则 ， 3 ／ 0 2 判断 2 O ， 2 5 ， 3 O层为侧向刚度不规则 ， 可 见 ， 。 比 毗 要更加严格 ； y w 判断的结果除首层外 ， 所有的层高突变层均为侧向刚度不规则； y w 。 显示 楼层的侧向刚度均规则， 根据侧向刚度的概念和工 程经验 ， 应选择 Y v ／ o 作为判别楼层侧 向刚度均匀性 的依据 。 3 结 论 1 对于隔板一筒体结构 以及剪力墙结构 刮 当连梁刚度很弱时 ， 当竖向构件截面及弹性模量 不变， 即使层高变化很大， 结构的侧向刚度仍是均匀 规则 的。 2 对于以剪切变形为主的结构 框架结构 ， 应 该采用层 间剪力位移 比的方法判断楼层侧 向刚度的 规则性。 3 对 于以弯曲变形为主的结构 剪力墙、 框 架一核心筒、 筒中筒结构 ， 采用层 间剪力位移角 比 的方法判断侧向刚度规则性， 可真实地反映楼层侧 向刚度的变化 ， 结构概念明确 ， 与工程实践一致 ， 是 对现行规范方法的很好补充 。 参 考 文 献 [ 1 ] G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1 建筑抗震设计规范[ S ] ． 北京 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 2 ] J G J 3 2 0 0 2 ，J 1 8 6 2 0 0 2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， 2 0 0 2 ． [ 3 ] D B J ／ T 1 5 4 6 2 0 0 5 广东省实施 高层建筑混凝土结构技术 规程 J G J 3 2 0 0 2 补充规定[ s ] ． [ 4 ] 中国建筑科学研究院 P K P M C A D工程部．多层及高层建筑结 构空 间有限元分析 与设 计软件 S A T WE用户 手册及技 术条 件 [ R ] ． 北京， 2 0 0 8 ． [ 5 ] 季静， 等． 高层建筑楼层侧向刚度变化控制准则的研究[ J ] ． 结构工程师 ， 2 0 0 6， 2 2 5 1 1 1 5 ． [ 6 ] 廖宇飚， 黄小坤． 高层建筑结构侧向刚度变化及其控制方法研 究 I [ J ] ． 工程抗震与加固改造， 2 0 0 5 ， 2 7 5 2 0 - 2 5 ． ∞ ∞ 加 ∞ ∞ ∞ 2 1 l O 0 O H 越毫喽