框架结构夹层设计方法探讨

高培文，庞臣军

（1.中国城市建设研究院有限公司，北京100120；2.河北寰球工程有限公司，河北 保定072750）

1 引言

框架结构因门厅大堂、过街通道、设备专业等建筑使用功能要求而设置夹层。夹层一般层高较小，多数情况下小于2.2m，较小的层高导致夹层框架结构柱剪跨比小于2，形成短柱。短柱破坏形式为剪切或黏性破坏，结构延性较差，属于脆性破坏，历次大地震中短柱破坏仍然是造成钢筋混凝土框架结构破坏甚至倒塌的一个重要因素[1]。设计中对剪跨比小于2的短柱，通常采用减小轴压比限值、增大箍筋面积、加密箍筋配筋等措施，但剪跨比太小（小于其临界值），以箍筋屈服起控制的剪切破坏对剪跨比作用将不敏感[2]。框架结构夹层的存在引起结构竖向不规则，侧向刚度突变、楼层承载力突变等一系列问题，设计中若不采取措施，结构计算指标难以满足规范要求，同时地震过程中，短柱塑性变形集中，竖向构件损伤比较严重，影响结构的抗震安全性能[3]。

2 剪跨比及其对框架结构的影响

剪跨比为框架柱所受弯矩与其剪力和柱的有效截面高度之比，其计算公式为：

式中，λ为剪跨比；Mc、Vc分别为柱端截面组合弯矩、剪力计算值；h0为截面有效高度。

通常情况下，剪跨比宜大于2.0，剪跨比小于2.0而大于1.5的框架柱称为短柱（即反弯点位于柱高中部时，柱净高与截面高度之比小于4的柱）；剪跨比小于1.5的框架柱称为超短柱。

剪跨比λ的大小决定框架柱的破坏方式：当λ＞2.0时，框架柱延性较大，水平荷载下发生弯曲破坏；当λ＜2.0时，框架柱成为短柱，结构延性较差，水平荷载下发生剪切或黏性破坏。剪跨比λ对框架结构抗震性能的影响，主要表现在随着λ提高，框架结构柱延性增大，变形性能增强。

3 工程概况

3.1 基本信息

某工程位于海南省海口市，结构形式为现浇框架结构，地上5层，局部有1设备夹层（层高1.8m），地下1层，结构高度28.5m。建筑结构的安全等级为二级，设计使用年限为50年，建筑抗震设防类别为丙类（标准设防类），抗震设防烈度为8度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度：0.20g，建筑物场地类别为Ⅱ类，框架抗震等级为一级。

3.2 设备夹层处理

设备夹层框架柱截面为800mm×600mm，框架梁截面为400mm×800mm，按普通混凝土梁板夹层（以下简称模型1）设计，柱净高与截面高度之比远小于4，可以判断该层框架柱为短柱。模型1设备夹层框架柱计算剪跨比为0.94，为超短柱，短柱效应明显，从而导致整体结构竖向不规则、侧向刚度突变、楼层承载力突变等，加上酒店大堂楼面板布置不连续开洞率大于30%，根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016年版）和《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》的相关规定，该结构属于特别不规则结构，结构设计应采取更加有效的措施。

模型计算时，设备夹层采用钢梁铰接组合楼板夹层（以下简称模型2）设计，框架柱与钢梁之间留设变形缝，框架柱预埋连接板与钢梁采用高强螺栓连接，连接处螺栓孔采用长圆孔。计算模型中钢梁与框架柱铰接连接，同时设置变形缝，钢梁铰接组合楼板层仅传递竖向荷载，钢梁轴线方向不限制变形，避免其抗弯刚度对框架柱的影响，梁柱连接处框架柱不会形成塑性铰，框架柱计算剪跨比时可以不考虑钢梁的作用，避免夹层产生短柱效应，同时模型计算假定与工程实际基本符合。

参考管架与主体建筑防震缝Δ计算公式：

式中，βd为大震作用于小震作用之比；ΔE为架空连梁跨度方向小震反应谱弹性水平位移。

计算中ΔE值取计算模型中层间位移计算值，按式（2）防震缝宽度计算值为23.4mm，结合工程实际，建议设计取值为40.0mm，钢梁与框架柱埋板连接处螺栓采用10.9级M24的高强螺栓，长圆孔采用80mm×25.5mm。

4 计算结果

与模型1对比可知，模型2框架柱剪跨比计算值为2.82，大于2，满足规范限值要求（规范要求计算轴压比限值时，框架柱剪跨比宜大于2），能够避免模型1框架柱剪跨比太小而引起的超短柱脆性破坏问题。

图1为模型1与模型2框架结构X向和Y向侧向刚度比对比图，通过图1可知，X，Y方向本层侧移刚度与上一层相应侧移刚度70%的比值或上3层平均侧移刚度80%的比值中之较小者大于1.0，结构侧向刚度较规则。

图1模型1与模型2侧向刚度比对比图

图2模型1与模型2楼层承载力比对比图

图2为模型1与模型2框架结构X向和Y向楼层承载力比对比图，通过图2可知，X，Y方向本层抗侧力结构的层间承载力与上一层的承载力之比大于0.8，楼层承载力较均匀。

通过对比普通混凝土梁板夹层与钢梁铰接组合楼板夹层的计算结果：钢梁铰接组合楼板夹层模型计算剪跨比值2.82，结构侧向刚度比值RatX1=1.098 2、RatY1=1.070 1，楼层承载力比值RatioX=1.02、RatioY=1.18，以上计算指标值比较合理，均能满足规范要求满足。

5 结语

框架结构采用钢梁铰接组合楼板夹层，通过框架柱与钢梁连接处设置合理变形缝值的计算模型，计算假定与工程实际相符合，计算结果表明，框架结构计算剪跨比、侧向刚度比、楼层承载力比等计算指标值均满足规范要求，可以解决框架结构夹层因剪跨比较小引起的框架柱短柱问题，对今后类似项目有一定的设计参考价值。