地震剪力的規(guī)范要求

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010第5.2.5條及《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010第4.3.12條：

規(guī)范條文解釋：由于地震影響系數(shù)在長(zhǎng)周期段下降較快，對(duì)于基本周期大于3.5S的結(jié)構(gòu)，由此計(jì)算所得的水平地震作用下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)可能太小。而對(duì)于長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)，地震動(dòng)態(tài)作用的地面運(yùn)動(dòng)速度和位移可能對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞具有更大的影響，但規(guī)范采用的振型分解反應(yīng)譜法只反映加速度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)長(zhǎng)周期的結(jié)構(gòu)不全面，出于結(jié)構(gòu)安全的考慮，當(dāng)計(jì)算的樓層剪力過(guò)小時(shí)，提出了對(duì)結(jié)構(gòu)總水平地震剪力及各樓層水平地震剪力最小值的要求，當(dāng)不滿足時(shí)，需改變結(jié)構(gòu)布置或調(diào)整結(jié)構(gòu)總剪力和各樓層的水平地震剪力使之滿足要求。

    看來(lái)規(guī)范對(duì)地震剪力的要求，控制剪重比，要求整個(gè)結(jié)構(gòu)承擔(dān)足夠的地震作用，剪重比與地震影響系數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系是：λ=0.2αmax。這對(duì)于單位重量極大的超高層建筑來(lái)說(shuō)就已經(jīng)是嚴(yán)格的要求了。但還沒(méi)完。。。

   《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010,第9.1.11條,抗震設(shè)計(jì)時(shí)，筒體結(jié)構(gòu)的框架部分按側(cè)向剛度分配的樓層地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)符合下列規(guī)定：

    當(dāng)框架部分分配的地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值的最大值小于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值的10%時(shí)，各層框架部分承擔(dān)的地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)增大到結(jié)構(gòu)底部總地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值的15%；此時(shí)，各層核心筒墻體的地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值宜乘以增大系數(shù)1.1，但可不大于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值，墻體的抗震構(gòu)造措施應(yīng)按抗震等級(jí)提高一級(jí)后采用，已為特一級(jí)的可不再提高。

    條文解釋：框筒結(jié)構(gòu)是外周框架與核心筒協(xié)同工作的雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，常出現(xiàn)外周框架剛度過(guò)低，核心筒剛度過(guò)高，結(jié)構(gòu)底部剪力主要由核心筒承擔(dān)的情況。這種情況遇到強(qiáng)震時(shí)，核心筒墻體如果損傷嚴(yán)重，外周框架將會(huì)承擔(dān)較大地震作用。 

    二道防線思想！??！

    從上面這二條規(guī)范來(lái)看，第一，超高層長(zhǎng)周期的動(dòng)力特性下，各層的地震剪力基本規(guī)范給出了最小值。第二，外框部分的占比又有一個(gè)最小限制要求。嘿嘿，這二點(diǎn)要求設(shè)定好，框筒結(jié)構(gòu)的外框的地震剪力看來(lái)是小不了了。這點(diǎn)對(duì)于做過(guò)超高層的結(jié)構(gòu)工程師們大概都要內(nèi)心大呼“我太難了”了吧。尤其是高度超過(guò)400米的建筑，抗側(cè)體系控制荷載基本為風(fēng)荷載，正常設(shè)計(jì)下來(lái)，剪重比好不容易調(diào)整夠了，外框的地震剪力占比估計(jì)大概就5%~7%左右了。而為了滿足規(guī)范，只能加大構(gòu)件截面尺寸了。

     這種沒(méi)技術(shù)含量的“堆材料”又是技術(shù)大牛們所不屑的~~，這時(shí)候再來(lái)看看斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系，是不是從結(jié)構(gòu)工程師的直接感官就知道，這玩意，剛度小不了~~~，爽了吧！

No.2

斜交網(wǎng)格體系概述

    話不多說(shuō)，先上一組國(guó)內(nèi)外建成或在建的斜交網(wǎng)格體系的超高層建筑，大家直接感受下。

    斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系區(qū)別于一般框筒結(jié)構(gòu)之處，其外筒由雙向交叉連續(xù)環(huán)繞建筑外表面的斜桿構(gòu)成，替代了傳統(tǒng)上的垂直柱的形式，外筒的巨大剛度使其能夠承受較大的水平荷載。   

斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

 傳統(tǒng)的框筒結(jié)構(gòu)中，通常將核心筒簡(jiǎn)化為產(chǎn)生彎曲變形的懸臂構(gòu)件，外框架簡(jiǎn)化為產(chǎn)生剪切變形的懸臂構(gòu)件，基于此簡(jiǎn)化假定導(dǎo)致了外框的基底剪力基本為零，幾乎全部由核心筒承擔(dān)基底剪力。這也是前面我們梳理規(guī)范中強(qiáng)調(diào)的一定要人為調(diào)整外框承擔(dān)的剪力主要原因。

    而對(duì)于斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中，以軸力為主的斜向構(gòu)件使得外框（筒）同時(shí)產(chǎn)生彎曲變形和剪切變形，樓層的水平剪力主要以斜柱軸向內(nèi)力向下傳遞，空間協(xié)調(diào)工作性較強(qiáng)，扭轉(zhuǎn)剛度大，剪力滯后效應(yīng)弱，外框（筒）甚至可以提供大于內(nèi)容的結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度。    

斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)案例

    拿一個(gè)近期接觸到的實(shí)際案例為例，對(duì)比說(shuō)明下斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的外框（筒）與核心筒之間的剛度及地震剪力分配到底能比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)大多少。

    某在建400米超高層，抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)地震分組第一組，場(chǎng)地設(shè)計(jì)特征周期0.65s；結(jié)構(gòu)系統(tǒng)側(cè)向受控于地震作用及風(fēng)效應(yīng)的共同作用。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)比二個(gè)結(jié)構(gòu)方案，方案一為傳統(tǒng)的帶狀桁架及外伸桁架的框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系外框架為鋼管混凝土柱及組合鋼梁，核心筒為鋼筋混凝土；方案二將外框柱在底部區(qū)域改為斜交網(wǎng)格曲柱體系，同時(shí)取消外伸桁架。

    采用ETABS進(jìn)行建模分析計(jì)算：直接對(duì)比方案一及方案二的外框地震剪力曲線圖如下圖：

    實(shí)際的對(duì)比數(shù)據(jù)也完全映證了我們開始的想法，方案一的傳統(tǒng)的帶狀桁架及外伸桁架的框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，外框在底部承擔(dān)的地震剪力8%都到不了，而方案二中，斜交網(wǎng)格在底部承擔(dān)的地震剪力占比已達(dá)到了40%~50%，其抵抗地震剪力的能力已經(jīng)完全不屬于鋼筋混凝土核心筒了。

    整個(gè)結(jié)構(gòu)體系來(lái)看，底部的斜交網(wǎng)格區(qū)域，其本身就完全是一個(gè)放大版的帶狀桁架，類似于一個(gè)落地的多層的加強(qiáng)層。對(duì)于此類結(jié)構(gòu)體系，其在豎向荷載下的受力性能和傳力途徑；在水平荷載下的內(nèi)外框筒的協(xié)同工作性能；斜交網(wǎng)格構(gòu)件在大震下的塑形發(fā)展過(guò)程；網(wǎng)格交叉節(jié)點(diǎn)的安全儲(chǔ)備等；與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系還是有較大差異的。

斜交網(wǎng)格側(cè)向剛度影響因素

    影響斜交網(wǎng)格外框剛度的主要因素主要有：1. 斜交網(wǎng)格構(gòu)件的截面尺寸；2. 斜向網(wǎng)格構(gòu)件與水平的夾角；3.斜桿的計(jì)算長(zhǎng)度；4. 外立面體型及外立面寬度；5.立面的跨數(shù)；6.斜交網(wǎng)格的彈性模量。

    一些文獻(xiàn)中提出了斜交網(wǎng)格模塊的剪切剛度和彎曲剛度的簡(jiǎn)化算法如下：

 A斜柱截面；L斜柱長(zhǎng)度；θ為斜桿夾角；B為立面寬度，n為立面跨數(shù)，E為斜桿的彈性模量。

    斜交網(wǎng)格以軸力承受豎向及水平荷載，能有效的將角柱內(nèi)力傳遞至立面中部，降低了剪力滯后效應(yīng)，同時(shí)外圈環(huán)梁有效約束斜柱協(xié)同工作，影響剛度的主要因素排序?yàn)椋?/p>

    斜桿夾角θ>立面寬度B>立面跨數(shù)n>A斜柱截面。

    在水平推覆力下，整體受力呈一側(cè)受壓，一側(cè)受拉的受力形式。主要的耗能構(gòu)件均為軸向受力，在軸向受力作用下，桿件的變形骨架曲線在拉壓二側(cè)是非對(duì)稱的，受拉狀態(tài)下，桿件有較長(zhǎng)的屈服耗能段；但在受壓狀態(tài)下，桿件或因失穩(wěn)屈曲超出失穩(wěn)臨界點(diǎn)后就迅速退出工作，無(wú)法較好的耗能。而通過(guò)有限元模擬顯示，受壓一側(cè)先行進(jìn)入彈塑性階段，隨后受拉一側(cè)也出現(xiàn)塑形鉸。整體延性還是較差。因此在高烈度區(qū)，斜交網(wǎng)格體系的設(shè)計(jì)還是要進(jìn)行大震下的結(jié)構(gòu)抗震性能專項(xiàng)研究，并且如何提高其延性及耗能能力將是研究的重點(diǎn)，除進(jìn)行節(jié)點(diǎn)有限元分析之外，尚應(yīng)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)等比例縮尺或?qū)嶋H尺寸節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)以確認(rèn)節(jié)點(diǎn)的可靠性。