钢筋混凝土框架剪力墙+支撑结构在公共建筑中的优化设计

2018-09-12张晋元刘朝阳王永伟

结构工程师 2018年4期

张晋元刘朝阳王永伟

(1.天津大学建筑设计研究院,天津 300073; 2.天津大学建筑工程学院,天津 300072)

0 引言

随着经济的发展,人们的生活水平越来越高。为了满足人们的生活需求,能够展示多种多样的商品并且能够容纳更多的消费者的大型商场和超市越来越多。此类多层公共建筑通常人流密集、荷载较大,功能涵盖购物、餐饮、娱乐,同时还可能会有地下停车等要求,因而其主要跨度达到9～12 m,层高在5.4～7.2 m,层数5～6层,总高度超过24 m,已超出多层建筑的高度范围,我们称此类建筑结构为大层高多层公共建筑结构。由于这种结构具有上述的这些特点,钢筋混凝土框架结构刚度较小,很难满足其刚度要求。通常情况下,设计师会在框架结构的基础上布置剪力墙或者支撑,但同时还会有很多不方便之处存在。本文提出同时布置剪力墙和支撑的抗侧力体系,对该类建筑结构形式进行对比优化分析。

1 框架剪力墙+支撑结构

目前的结构形式主要为框架结构、框架剪力墙结构或者框架支撑结构,这几种结构既有优点也有缺点,尤其是对于本文所研究的大层高多层公共建筑结构。很明显,框架结构很难满足结构的抗震要求,框架剪力墙结构和框架支撑结构又都分别存在各自的缺点,所以本文提出了框架剪力墙+支撑结构,该结构是指建筑结构中既布置剪力墙又布置支撑,如今在公共建筑中使用支撑时,一般会为了防止在设防地震和罕遇地震时出现钢支撑构件先于混凝土结构退出工作的现象,而选用防屈曲支撑。这种构件主要是由外围约束单元和内核耗能单元组成,当结构受到外加荷载作用时,外围约束单元会起到约束作用,而其内核单元则会出现全截面屈服,从而有效地耗能减震。由于结构的楼梯间和电梯间没有楼板作为横隔,侧向刚度较弱,所以在楼梯间和电梯间布置剪力墙,在可以尽量减少偏心作用的相应位置布置支撑。所以下面通过对软件PKPM中所建立的6个模型(图1)进行论述[1],模型的首层为6.2 m,其余各层4.8 m,共5层,总高度25.4 m,跨度为9 m。

这6个模型除剪力墙和支撑布置位置不同外,构件的材料和尺寸均相同。其中,MX1为框架剪力墙结构,MX2、MX3、MX4、MX5为框架剪力墙+支撑结构,楼梯间剪力墙都不变。MX2中布置1个Y向人字撑,MX3中布置2个Y向支撑,MX4中布置3个Y向支撑,MX5中布置2个Y向1个X向支撑,MX6为框架支撑结构。模型计算结果如表1所示,其中材料成本价假设为混凝土500元/m3,钢材3.2元/kg,防屈曲支撑1 000元/套(包括维修费用),表1中的材料成本包括混凝土和钢筋的成本。

表1模型计算结果

Table 1Calculated results of models

结构的层间位移角是衡量结构刚度及变形能力的重要指标[2-3]。对比MX1和MX2可以看出,虽然成本减少,但最大层间位移角却变大了,说明这种布置方式不可行。对比MX1和MX3可以看出,最大层间位移角减小了10%,材料的总成本节约了11%。对比MX1和MX5可以看出,最大层间位移角减小了24%,材料的总成本也节约了11%。对比MX3、MX4和MX5可以看出,虽然这三种模型的总成本相差不多,但最大层间位移角却相差很多,尤其比起其余四种模型,其中的MX5的最大层间位移角有着非常明显的优势。MX5和MX6对比,虽然框架支撑结构的最大层间位移角较小,且成本也有所降低,但在图1(f)中可以看出,支撑布置得过多,对空间的占用很大,对公共建筑的空间使用功能会产生很大的影响,并且MX6结构的刚度过大,并不利于抗震。

由上面5个模型的计算结果不难看出,当结构的楼梯间剪力墙不变时,其他部位不设置剪力墙,若能找到一种合适的模型,不仅能够大大降低成本,还能够明显提高结构的刚度。虽然钢支撑施工中的人工费用比较高,但其能够大大降低材料用量,且能够大大提高建筑结构的空间使用率,所以框架剪力墙+支撑这种结构形式优势还是很明显的。

由5个模型对比可以看出,当布置的钢支撑数量相等时,不同的位置起到的效果有着很大的区别,能够找到合适的布置形式就可以大大降低成本且大大增强结构刚度,且由MX3、MX4、MX5对比,可以看出在不需要增加成本的前提下,只要

图1 PKPM中所建模型Fig.1 Models in PKPM

找到合适的模型,就可以大大减小最大层间位移角。如果把最大层间位移角限值定为1/800,并没有节约成本,反而因钢支撑的存在,使建筑结构偏于不安全,所以把此种结构形式的最大层间位移角限值选择更安全的1/1 000更合理。

目前在进行建筑抗震设计时,要满足三水准的抗震设防要求。我国通过简化的两阶段设计方法来实现。第一阶段设计:采用第一水准烈度的地震动参数,计算出结构在弹性状态下的地震作用效应,与风、重力等荷载效应组合,并引入承载力抗震调整系数,进行构件截面设计,从而满足第一水准的强度要求;同时,采用同一地震动参数计算出结构的弹性层间位移角,使其不超过规定的限值。对于框架剪力墙+支撑结构,由表1可知,在PKPM中输入相应的第一水准烈度的地震动参数,MX5和MX6所得到最大层间位移角1/1 063和1/1 236均可以满足规定的限值1/1 000。第二阶段设计:在PKPM中输入MX5和MX6相应的第三水准烈度的地震动参数,进行弹性时程分析,计算出结构的最大弹塑性层间位移角为1/110和1/116,满足规定的要求限值1/100。另外,框架遵守强柱、强节点、强锚固原则,采取受力筋锚固适当加长、节点处箍筋适当加密等措施,并且支撑选用的是防屈曲支撑,保证结构具有相应的延性、变形能力和塑性耗能能力,从而自动满足第二水准的变形要求。

2 对比分析

2.1 使用功能

对大层高多层公共建筑来说,建筑的使用功能比起普通建筑来说有着特殊的要求,对空间要求更大,应该尽量避免对空间进行分隔,要更有效地利用有限的地方布置建筑的必需设备。框架结构仅由柱子和梁组成,这就使得建筑的空间使用率最高。框架结构中房间可以灵活布置,它是通过框架本身来承重结构,结构的墙板只起分隔和围护作用,但是框架结构刚度较小,为满足规范要求,通常需要加大柱和梁的截面尺寸,占据一定的使用面积,也会使房间内部出现露柱和露梁的现象。

框架剪力墙结构是在框架结构的基础上布置了剪力墙,剪力墙的存在会给建筑结构房间的自由分割带来影响,并且会占据较多的使用面积。选用短肢剪力墙的话,会使剪力墙带来的不便有所降低。框架支撑结构是在框架结构的基础上添加支撑[4],对于大层高多层公共建筑结构比较合适的是人字形支撑,这种支撑是对于大跨度结构空间利用率比较高的一种形式。在布置支撑时尽量将支撑布置在墙内,不会影响在墙上开洞,洞口可以作为房间的门口,这就把人字形支撑的优点充分展现出来了,在一定程度上降低了支撑对结构空间的占用。框架剪力墙+支撑结构仅在楼梯间和电梯间布置剪力墙,其余部位布置支撑,除对楼梯间和电梯间的空间有一定影响外,其余部位影响并不大。

2.2 地震力

现假设一个钢筋混凝土框架结构的抗推刚度为CF,结构的总重量为G,总高度为25 m,且该体系质量与刚度沿高度分布比较均匀。在此框架结构的基础上布置剪力墙构成框架剪力墙结构,假设剪力墙的刚度EI=200CF,结构总重量为G1,总高度不变,质量与刚度仍然沿高度均匀分布[5]。

(1)

(2)

修正后T=0.8

(3)

(4)

结构总水平地震作用标准值

0.85G1=0.026(CFG1)0.45

(5)

顶点附加水平作用

ΔFn=δnFEK=(0.08T+0.01)FEK=2.08×

(6)

在此框架结构上布置钢支撑,将支撑等效为剪力墙[6],假设达到的刚度也为EI,结构总重量为G2,总高度不变,质量与刚度仍然沿高度均匀分布。

则结构总水平地震作用标准值

0.85G2=0.026(CFG2)0.45

(7)

顶点附加水平作用

ΔFn=δnFEK=(0.08T+0.01)FEK=

(8)

因为G1>G2,所以,当框架剪力墙和框架支撑结构刚度相等时,框架剪力墙结构的地震力要大于框架支撑结构的地震力。而框剪结构和框撑结构地震力都是根据框架和剪力墙或者支撑的刚度进行分配的,也就是说当此类结构体系具有同等刚度时,框架支撑结构的框架和支撑分配到的地震力更小,更不容易破坏。

同理,框架剪力墙+支撑结构与框架剪力墙结构相比,用支撑代替了大部分剪力墙,减小了很大部分质量,且因为支撑的刚度小于剪力墙的刚度,会增大配筋率,当并不会影响特别大,所以G3

2.3 造价

对于建筑的结构设计,在保证安全性的前提下,最主要考虑的就是工程的造价。钢筋混凝土框架结构的用钢量高出砖混结构约 30%,造价偏高。在2010版抗震规范中,更是对框架结构的“强柱”进行了强调,框架柱的配筋增加较多,因此相比框架结构,框架剪力墙结构的混凝土和钢筋的造价减少,并且由于在框架剪力墙结构中部分填充墙由剪力墙代替,因此建筑结构总的造价有很大的降低。钢筋混凝土框架支撑结构在框架结构的基础上布置支撑,选择恰当的支撑形式不仅对结构的使用功能没有影响,而且增大了结构的刚度,施工相对比较复杂,但节约材料,降低了成本。由上文所建模型可知,框架剪力墙+支撑结构的造价介于框架剪力墙和框架支撑结构造价之间。

2.4 耗能特性

耗能特性是评价结构破坏模式合理性的重要指标之一。当结构遭受罕遇地震作用时,框架结构中梁为主要的耗能构件,底层柱也是主要的耗能构件之一,底部几层为主要的耗能层,随着地震动强度的增大,柱和上部楼层耗散的滞回耗能比例慢慢增加。

框架剪力墙结构中框架与剪力墙相对比例的变化对结构耗能效果的影响并不明显[7],其关键因素是连梁与墙肢的相对刚度。也就是说“强墙肢弱连梁”能够保证在地震作用时,连梁先于墙肢受弯屈服,由各层连梁和框架梁,以及墙肢底部耗能,然后由剪力墙和框架柱耗能,屈服耗能部位明确,而且连梁具有较好的延性和耗能能力,所以耗能效果较好。

框架支撑结构中的防屈曲支撑不仅能够有效解决普通支撑在罕遇地震作用时的受压屈曲问题,而且可以作为耗能减震阻尼器对主体结构起到被动控制的作用,弥补了传统抗震方法中靠损伤主体构件来耗能的缺点,从而有效地耗散地震能。而框架剪力墙+支撑结构正是同时吸收了剪力墙和支撑的耗能优点,在罕遇地震作用时,使结构中剪力墙和防屈曲支撑共同作用,一方面支撑起到耗能减震阻尼器的作用;另一方面由刚度较大剪力墙耗能,共同达到抗震效果。

3 工程实例

本工程为家具商场,共分为A、B、C三个区(图2)。首层6.2 m,其余各层4.8 m,共5层,建筑总高度25.4 m。该结构最大跨度为9 m。设计使用年限50年,抗震设防烈度为8度,耐火等级二级。下面用PKPM软件在框架结构的基础通过布置剪力墙或者支撑,对该工程进行优化分析[8-9]。

图2 商场A、B、C区平面图(单位:mm)Fig.2 A,B,C area plan of marketplace (Unit:mm)

由于剪力墙和支撑布置情况不同会对结果有影响,所以将商场的A、B、C三个区均建立了5个模型共15个模型来减少误差,分别为框架结构M1A、M1B、M1C,框架剪力墙结构M2A、M2B、M2C,框架支撑结构M3A、M3B、M3C,框架剪力墙+支撑结构(弹性层间位移角限制为1/800) M4A、M4B、M4C,框架剪力墙+支撑结构(弹性层间位移角限制为1/1 000)M5A、M5B、M5C。结构形式为框架剪力墙结构时,其中除楼梯间以外的剪力墙均为短肢剪力墙,降低了墙对使用空间的影响,布置起来也更加灵活。结构形式为框架支撑结构时,支撑选用的是H型钢,人字形支撑形式,模型参数见表2,计算结果见表3-表5。

本工程中材料成本价为混凝土500元/m3、钢筋3.2元/kg、防屈曲支撑1 000元/套(包括维修费用)。根据上面的表格,结构每平方米的材料成本如图3所示。

表2模型参数

Table 2Model parameters

表3A区模型计算结果

Table 3Model calculation results of zone A

表4B区模型计算结果

Table 4Model calculation results of zone B

表5C区模型计算结果

Table 5Model calculation results of zone C

由表2可知,虽然框架结构的使用面积较大,能够较容易满足商场的使用功能,但因刚度较小,为满足规范必须加大构件尺寸。所以在使用功能方面,框架结构虽然有优势,但并不是很明显。框架支撑结构虽然支撑可以不分藏于墙内,但因支撑刚度较小,需要布置支撑数目较多,所以对结构使用功能影响也比较大。结合这几种结构各自的特点,使用功能方面的排列顺序是:框架结构>框架剪力墙+支撑结构(弹性层间位移角限制为1/800)>框架剪力墙+支撑结构(弹性层间位移角限制为1/1 000)>框架支撑结构>框架剪力墙结构。