高层建筑结构抗震设计内力调整测试报告.doc

高层建筑结构抗震设计内力调整的测试报告 新修编的 建筑抗震设计规范 （GB50011-2001）继续采用强柱弱梁、强剪弱弯的设计思想，丰富了89规范关于建筑结构抗震设计内力调整的各项规定。基本做法是依据结构类型、抗震设防烈度和房屋高度决定结构抗震等级；然后按抗震等级，对结构构件设计内力进行调整。在该规范中结构抗震等级分为四级（一、二、三和四级）。 高层建筑混凝土结构技术规程 (JGJ3-xxxxx)根据高层建筑的自身特点又做了一些补充规定，增加了特一级。各抗震等级结构的剪力墙（抗震墙）、柱和梁均对组合内力设计值进行（不同系数）调整，用耒限制大震下塑性铰区出现部位，避免或减少脆性剪切破坏先于弯曲破坏，加强柱子（剪力墙）根部推迟塑性铰形成，控制倒塌。 本测试报告首先根据 建筑抗震设计规范 、 高层建筑混凝土结构技术规程 中抗震设计内力调整相关条文，归讷出四张表“框架柱、角柱和框支柱设计内力调整”、“一般剪力墙设计内力调整” “复杂高层剪力墙设计内力调整”和“框架梁、连梁设计剪力调整”。以此作为评测结构设计计算软件对设计内力调整是否正确的依据。在测试工作中选用工程算例，分别对各种抗震等级的墙、柱和梁的标准内力考虑地震作用的组合值（测试计算）和配筋内力（结构设计软件计算）进行比较，得出实际的调整系数，然后与四张表中的规定值相比较，是否一致。 由于抗震设计中内力调整的重要性，加上调整情况复杂性，不同类型构件在不同抗震等级下有不同的调整系数，即使相同类型构件在不同抗震等级也有不同的调整系数。加上规范原则规定，不一定在计算机结构分析中方便实现，所以有些采取了变通的、便于操作的做法。这些都使内力调整的测试增加了复杂程度。测试的最终目的，是确定结构设计计算软件是否严格按照规范、规程规定的方法和调整系数值进行了内力调整。一、 内力调整的做法和调整系数详表 在 建筑抗震设计规范 笫六章第二节中，给出了各种内力调整的表达式。例如对一、二、三抗震等级框架柱端组合的弯矩设计值应符合下式要求 Mc=cMb式中 Mc节点上下柱截面顺时针反时针方向组合的弯矩设计值之和，上下柱端的弯矩设计值，可按弹性分析分配； Mb节点左右梁端截面反时针或顺时针方向组合的弯矩设计值之和，一级框架节点左右梁端均为负弯矩时，绝对值较小的弯矩应取零；c柱端弯矩增大系数，一级取1.4，二级取1.2，三级取1.1。分析了规范内力调整做法，可归讷为四类上例是第一类，此类在结构设计计算软件中具体做法，直接在柱上、下端标准内力弯矩组合值（其恒、活、风载和地震作用的各单项内力已由结构矩阵法或有限元法求出）上乘以增大系数。即采用直接在最终被调整的标准内力组合值上乘以增大系数做法。第二类是若干层某个设计内力均按一个值采用，例如剪力墙底部加强区（内各楼层）均按墙底部组合弯矩（或经过放大）进行设计。在上下层属同一个标准层时，可容易寻找墙底部组合弯矩值，但当不属同一个标准层有可能找不到墙底部组合弯矩值。此时有可能上、下墙体编号不一致，但其长度、几何位置是相同的，此时程序能够自动搜索所对应的墙体，以便把墙底弯矩传递上去，作为上层墙体的设计值。另一种可能会发生变截面，上、下墙体虽在同一轴线上但长度不相等，无法把墙底弯矩传递上去，此时只能对上部墙体的标准内力组合值乘以适当放大系数作为设计值。第三类是对内力组合中的个别工况内力进行调整，例如框支柱的轴力调整只对地震作用下的轴力进行。此时，在对各工况内力标准值组合之前，先把地震轴力进行放大然后再组合。第四类是框架梁的剪力调整，只是对梁两端的固端弯矩引起的剪力进行调整，而对后迭加的竖向荷载引起的简支梁剪力不加调整。在结构设计程序中则直接对梁各截面上的各工况剪力标准值进行组合，然后统一调整为设计值。 按照 建筑抗震设计规范 表6.1.2现浇钢筋混凝土房屋的抗震等级，根据结构类型、设防烈度和房屋高度，可以决定结构的抗震等级。不同抗震等级的内力调整方法和系数，列在 建筑抗震设计规范 的第六章第二节中。经归纳、整理，对柱、墙和梁的内力调整系数有下列四张表。 （表1） 框架柱、角柱和框支柱设计内力调整抗震等级特一级一级二级三级9度68度框架柱M1.681.2*1.1*1.1=1.4521.41.21.1V2.3521.2*1.1*1.1*1.452=2.1081.4*1.4=1.961.2*1.2=1.441.1*1.1=1.21底层柱M1.81.452*1.1=1.5971.51.251.15V2.521.597*1.4=2.3191.4*1.5=2.1 1.25*1.2=1.51.15*1.1=1.265角柱M1.8481.452*1.1=1.5971.4*1.1=1.541.2*1.1=1.321.1*1.1=1.21V2.5872.108*1.1=2.3191.96*1.1=2.1561.44*1.1=1.5841.21*1.1=1.331底层角柱M1.981.597*1.1=1.75671.5*1.1=1.651.25*1.1=1.3751.15*1.1=1.265V2.7722.319*1.1=2.5512.1*1.1=2.311.5*1.1=1. 651.265*1.1=1.3915框支柱M1.81.51.51.25V2.12.11.4*1.5=2.11.25*1.2=1.5N1.81.51.51. 2注1、设防烈度9度、一级抗震等级时，框架柱和框支柱端部弯矩调整、梁端剪力调整应按实配钢筋和材料强度标准值耒计算。上表中按考虑梁、柱超配系数为1.1，计算出设计值的调整系数 2、上表中框支柱的轴力调整系数只对地震作用引起的附加轴力进行调整；计算轴压比时可不乘以增大系数。 高层建筑混凝土结构技术规程中对剪力墙结构中一般剪力墙（含框-剪结构、筒体结构中的剪力墙构件）和复杂高层（部分框支抗震墙结构、带转换层结构）中的剪力墙，内力调整不相同。 一般剪力墙对底部加强部位及以上一层在一级抗震等级时“按墙底截面组合弯矩设计值采用”（抗震规范6.2.7条）（高规7.2.6条），其它部位“组合弯矩计算值与增大系数1.2的乘积采用”，而其它抗震等级则没有规定。复杂高层对落地剪力墙底部加强部位的弯矩设计值加以调整“应按墙底截面有地震作用组合的弯矩值乘以增大系数1.8、1.5、1.25采用”（ 分别对应特一、一、二抗震等级）。底部加强部位定义一般剪力墙底部加强部位是取墙肢总高度的1/8和底部二层二者的较大值，且不大于15m；当剪力墙高度超过150m时，取墙肢总高度1/10。 复杂高层可取框支层加框支层以上二层的高度及落地剪力墙总高度的1/8二者的较大值，且不大于15m。（表2） 一般剪力墙结构设计内力调整抗震等级(1)底部加强部位及以上一层(2)底部加强部位(3)除(2)栏以外部位(4)非加强部位(5)设计弯矩M设计剪力V设计弯矩M设计剪力V特一级按墙底截面组合弯矩设计1.6(1.7)1.21.0一级按墙底截面组合弯矩设计1.6(1.7)1.21.0二级1.01.41.01.0三级1.01.21.01.0（表3） 复杂高层剪力墙结构设计内力调整抗震等级底部加强区非加强区设计弯矩M设计剪力V设计弯矩M设计剪力V特一级按墙底截面组合弯矩乘1.8设计1.91.21.0一级按墙底截面组合弯矩乘1.5设计1.6(1.7)1.21.0二级按墙底截面组合弯矩乘1.25设计1.41.01.0三级1.01.21.01.0 关于地下室各层是否加强，规范条文（6.1.3.3）有规定。地下一层的抗震等级应与上部结构相同，根据具体情况，地下一层以下的抗震等级可按三级或更低等级。带有大底盘的高层剪力墙（包括筒体）结构、剪力墙墙肢的底部加强部位可取地下室顶板以上H/8，加强范围应向下延伸到地下一层，在大底盘顶板以上至少包括一层。裙房与主楼相连时，加强范围也宜高出裙房至少一层。表2中(1.7)是指9度一级时采用的调整系数。在三级抗震等级内力调整都只对剪力调整，系数为1.2。框-剪结构剪力墙构件按8.1.1条和筒体结构中剪力墙构件按 9.1.8条，与剪力墙结构中的剪力墙构件进行同样的内力调整。其特一等级剪力墙构件由于在第8、9章中无明确规定，则应符合一级抗震等级要求。（表4） 框架梁、连梁设计剪力调整抗震等级框架梁连梁特一级1.561.39度一级1.3311.3一级1.31.3二级1.21.2三级1.11.1 位于地下室顶板的梁柱节点左右梁端截面弯矩设计值按照抗震规范6.1.14条，也进行适当调整。二、 测试方法和测试工程实例 测试工作采用结构设计软件输出的构件内力标淮值，自行进行组合得到内力设计值（此时没有乘过增大系数），再把结构设计软件输出的内力设计值（是乘了增大系数的）与之比较，就可得到软件的内力设计值所乘的增大系数。在内力组合中，一般从第28种至51种是包括了地震影响的组合。每一组组合均对应了一组设计值，对比此设计值与软件输出相应组合号的设计值，有一个增大系数。再取自第28组至51组增大系数的平均值，就得到了内力设计值的增大系数的均值。把此增大系数与规范所要求的内力调整系数相比较，就可以测试出结构设计软件所进行的内力调整工作是否正确。 用耒测试框架柱内力调整的工程实例见下表，写在栏中的工程用耒测试该栏的调整系数。例如FRAM4工程测试框架柱、底层柱、角柱和底层角柱（9度一级）的弯矩M、剪力V的调整系数。（表5） 框架柱、角柱和框支柱设计内力调整测试工程例抗震等级特一级一级二级三级9度68度框架柱MFram5_2Fram4Exam213Exam166Exam205VFram5_2Fram4Exam213Exxam166Exam205底层柱MFram5_2Fram4Exam213Exam166Exam205VFram5_2Fram4Exam213Exam166Exam205角柱MFram5_2Fram4Exam213Exam166Exam205VFram5_2Fram4Exam213Exam166Exam205底层角柱MFram5_2Fram4Exam213Exam166EXAM205VFram5_2Fram4Exam213Exam166EXAM205框支柱MFram5_2Fram5Exam169Fram2VFram5_2Fram5Exam169Fram2NFram5_2Fram5Exam169Fram2 用耒测试一般剪力墙结构内力调整的工程实例见下表。一般剪力墙的内力调整测试，在底部加强区及以上一层是否采用墙底截面的弯矩进行设计，在除此以外的部位弯矩设计值是否放大1.2倍，而在底部加强区设计剪力是否经过相应的放大。（表6） 一般剪力墙结构内力调整测试工程例抗震等级(1)底部加强部位及以上一层(2)底部加强部位(3)除(2)栏以外部位(4)非加强部位(5)设计弯矩M设计剪力V设计弯矩M设计剪力V特一级Exam213_2Exam213_2Exam213_2Exam213_2一级Exam213Exam213Exam213Exam213二级Exam166Exam166Exam166Exam166三级Exam209Exam209Exam209Exam209 对复杂高层剪力墙内力调整的工程实例见下表，测试是否采用墙底截面的弯矩（经过放大）进行设计，在除此以外的部位弯矩设计值是否放大1.2倍，底部加强区设计剪力是否经过相应的放大。（表7） 复杂高层剪力墙内力调整测试工程例抗震等级底部加强区非加强区设计弯矩M设计剪力V设计弯矩M设计剪力V特一级Exam172_2Exam172_2Exam172_2Exam172_2一级Fram2_1等Fram2_1等Fram2_1等Fram2_1等二级Fram2Fram2Fram2Fram2三级Exam179_2Exam179_2Exam179_2Exam179_2注上表中一级的工程还有FRRAM2_2，FRAM2_3，FRAM5。对梁剪力调整的测试，采用了下表内的工程实例；（表8） 框架梁、连梁设计剪力调整测试工程例抗震等级框架梁连梁特一级Exam172_2Fram2_49度一级Fram1_2Fram2_5一级Exam188Fram2_6二级Fram1Fram2_7三级Exam205Fram2_8三、 测试主要结果 通过工程算例，实测了结构设计软件SATWE所采用的内力调整系数。主要结果列在以下表中。（表9） 框架柱、角柱和框支柱设计内力调整测试结果抗震等级特一级一级二级三级9度68度框架柱M1.6826 1.4519 1.4024 1.19981.0993 V2.3573 2.10561.97121.43931.2145底层柱M1.80251.5959 1.5043 1.25201.1524 V2.52142.31692.0964 1.5004 1.2651 角柱M1.8336 1.59791.5401 1.32031.2142 V2.5882 2.3195 2.19161.58401.3456底层角柱M1.9794 1.7562 1.6626 1.37451.2656 V2.77662.5520 2.34491.65041.4068 框支柱M1.80131.59811.5044 1.2506 V2.35642.52012.32312.1027 1.4967N1.80001.5001.49971.200注上表中框支柱特一级中V的调整系数大于规定值2.1。这是因为该系数小于底层柱剪力调整系数规定值2.52（柱下端）。同时该系数也小于框架柱剪力调整系数2.352（柱上端）。在选取设计内力时取大选用。（表10） 一般剪力墙结构内力调整测试结果抗震等级(1)底部加强部位及以上一层(2)底部加强部位(3)除(2)栏以外部位(4)非加强部位(5)设计弯矩M设计剪力V设计弯矩M设计剪力V特一级与墙底弯矩比1.00001.70031.20311.0001一级与墙底弯矩比1.00001.59981.20001.0002二级与自身标准内力组合值比1.0000 1.40051.0000 0.9998三级与自身标准内力组合值比1.0000 1.20051.0000 1.0001（表11） 复杂高层剪力墙内力调整测试结果抗震等级底部加强区非加强区设计弯矩M设计剪力V设计弯矩M设计剪力V特一级与墙底弯矩比1.8010 1.90071.2007 0.9999一级与墙底弯矩比1.5164 1.59961.2010 1.0014二级与墙底弯矩比1.2501 1.4001.01171.0004三级1.0000 1.19991.0000 1.0000（表12） 框架梁、连梁设计剪力调整测试结果抗震等级框架梁连梁特一级1.55631.29959度一级1.33171.299一级1.29971.299二级1.20031.2001三级1.12981.101四、 测试结论意见从以上表中可见，对每一项系数均做了测试，实测了结构设计软件实际采用的内力调整系数，它们是符合规范规定的数值。对框架柱，包括底层柱、角柱、底层角柱，框支柱的内力调整系数的测试，结构设计软件执行规范规定的内力调整做法是正确的。能处理一些复杂情况，例如某些柱构件既是框架柱又是框支柱，调整系数取其大者。对剪力墙内力调整，测试算例表明，对底部加强部位的选取是符合规范规定的。对有地下室结构其地下室各层亦取为加强部位，地下各层剪力墙、框架的抗震等级同地上各层。 对一般剪力墙底部加强区及以上一层，在墙体上、下无变截面时，上层墙体设计能严格按墙底截面弯矩设计值。在发生变截面时，上层墙体设计弯矩则为自身标准内力组合值乘以1.2，给于了适当放大。对复杂高层底部加强区及以上一层，也同样处理，但墙体上、下无变截面时上层墙体设计弯矩则为