側向剛度控制及在常見高層建筑結構設計中的應用

馮宏團 蘇渙珉

  陜西省建筑設計研究院有限責任公司

一、概述

    在高層建筑結構設計中，側向剛度是一個十分重要的參數。從概念角度講，在水平力作用下，側向剛度宜下大上小，均勻變化，避免突變；在具體設計計算中，《建筑抗震設計規范》（簡稱《抗規》）及《高層建筑混凝土結構技術規程》（簡稱《高規》）等規范均對側向剛度比限值提出具體要求；歷次震害也表明，具有不符合概念設計的、偏離規范要求的樓層剛度比的建筑，往往在高烈度地震中出現較大破壞。所以，在設計中正確布置結構樓層剛度、控制剛度比是建筑結構設計中一項非常重要的工作。  

二、常用的側向剛度比計算方法

    現行規范中提出的常用剛度比計算方法有如下幾種：

表 1

     2.1、框架結構側向剛度比控制

    框架結構在水平荷載作用下變形屬剪切形變形，框架結構的抗側力剛度較小。《高規》3.5.2條指出框架結構側向剛度比按γ1計算，要求本層與相鄰上層的比值不宜小于0.7，與相鄰上部三層剛度平均值不宜小于0.8。《高規》5.3.7條及條文解釋指出當地下室頂板作為上部結構嵌固部位時，地下一層與首層側向剛度比γ3不宜小于2。

    工程案例：某框架結構9層，一層層高4.5，其余層高3.5米，總高32.5米，一層地下室，地下室頂板為嵌固端。抗震設防烈度7度(0.15g)，丙類設防類別，設計分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，標準層平面圖如圖1。

    用SATWE進行計算，以Y向計算結果來分析側向剛度，如表2。

圖 1

表 2

    計算結果表明本工程符合嵌固端對剛度比要求。側向剛度屬規則，未出現薄弱層。值得一提的是，框架結構地下室外墻為混凝土墻時，一般很容易滿足規范按等效剪切剛度比公式計算結果不小于2的要求。

    2.2、剪力墻及框剪結構側向剛度比控制

    剪力墻和框剪結構側向剛度相比框架要大很多，側向剛度對高度沒有框架敏感。《抗規》對這兩類結構的限值要求和框架結構相同，《高規》比《抗規》有所不同。《高規》3.5.2條指出這兩類結構側向剛度比按γ2計算，要求本層與相鄰上層的比值不宜小于0.9；當本層層高大于相鄰上層層高的1.5倍時，γ2不宜小于1.1；底部為嵌固端的樓層與相鄰上層γ2不宜小于1.5。按《高規》5.3.7條及條文解釋結構嵌固部位上下層側向剛度比的要求與框架相同，γ3不宜小于2。

    工程案例：某剪力墻結構26層，一層層高5.5米，二層層高3.9米，其余層高3.0米，一層地下室，地下室頂板為嵌固端。抗震設防烈度7度(0.10g)，丙類設防類別，設計分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，標準層平面圖如圖2。

    由SATWE進行計算，以Y向計算結果來分析側向剛度，如表3

圖 2

表 3

    SATWE計算結果表明本工程符合嵌固端對剛度比要求。側向剛度屬規則，未出現薄弱層。需要說明的是，目前高層SATWE計算結果是按《高規》與《抗規》共同控制，判定規則性。即分別按表2（按γ1計算側向剛度）和表3中的方法計算側向剛度，有一項不滿足即判定為側向剛度不規則。

    2.3、框支剪力墻結構側向剛度比控制

    框支剪力墻結構傳力不直接，結構豎向剛度變化很大，地震下容易形成薄弱層，因此規范對這類結構側向剛度比要求十分嚴格。《高規》E.0.1條指出轉換層為1~2層時，轉換層上下層剛度比γ3不應小于0.5，轉換層為2層以上時，轉換層上下層剛度比γ1按不應小于0.6，同時γ4宜接近1，不應小于0.8。

    工程案例：某框支剪力墻結構18層，轉換層位于三層，一層地下室，地下室頂板為嵌固端。抗震設防烈度7度(0.10g)，丙類設防類別，設計分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，轉換層平面圖如圖3。

    用SATWE進行計算，以X向計算結果來分析側向剛度，如表4

圖 3

表 4

    SATWE計算結果表明本工程符合嵌固端對剛度比要求。轉換層剛度比要求符合規范要求。

三、小結

    （1）在結構設計中，控制好結構側向剛度比十分重要，側向剛度宜下大上小，均勻變化，避免突變。

    （2）結構側向剛度比有多種算法，不同結構形式及具體部位應按規范選擇合適的計算方法。

    （3）除計算外，尚應注意建筑圍護墻和隔墻對結構側向剛度比的影響，采取合理的構造措施，使結構設計中的側向剛度控制符合實際受力情況。

參考文獻

    【1】高層建筑混凝土結構技術規程(JGJ3－2010)【M】.北京:中國建筑工業出版社

    【2】建筑抗震設計規范(GB50011－2010)【M】.北京:中國建筑工業出版社

    【3】建筑抗震設計規范應用與分析【M】. 北京:中國建筑工業出版社

(本文來源：陜西省土木建筑學會      文徑網絡：呂琳琳  尹維維 編輯    劉真 文徑 審核)