关于大幅度放宽结构层间位移角的再讨论(2017.6.29)

关于大幅度放放宽结构构层间位位移角限限值的再再讨论华南理工工大学建建筑设计计研究院院方方小丹丹2017.6.29结构的层层间位移移角是衡衡量结构构刚度及及变形能能力的指指标。控制结构构的层间间位移角角就是要要控制结结构有必必要的刚刚度及充充分的变变形能力力。较之日本、美美国等国国，我国国规范对对结构尤尤其是钢钢筋混凝凝土结构构在多遇遇地震作作用下的的层间位位移角限限制要严严格很多多，框架架结构为为1/550，框-剪结构为为1/800，剪力墙墙结构1/1000；而日本本、美国国等国规规范的层层间位移移角限值值为1/200。欧洲是是1/400，但如果果考虑了了P-Δ效应，也也可以1/200。一、我国规范范对结构构层间位位移角限限制偏严严格的原原因1、我国规范范认为小小震作用用属正常常使用极极限状态态，结构构应保持持“弹性性”，故故以钢筋筋混凝土土构件（（包括柱柱、剪力力墙）开开裂时的的层间位位移角作作为多遇遇地震作作用下结结构的弹弹性位移移角限值值。2、规范要求求对计算算周期乘乘以小于于1的系数来来加以修修正，框框架结构构的周期期折减系系数为0.6-0.7，框-剪结构为为0.7-0.8，剪力墙墙结构为为0.9-1。然而，，结构分分析得到到的位移移却没有有相应修修正。由单自由由度体系系的周期期计算公公式可知，结结构刚度度K与周期T的平方成成反比例例，因此此，大致致上框架架结构的的位移计计算值约约偏大估计，即约2.04~2.77倍；框-剪结构约约偏大，即约1.56-2.04倍；剪力力墙结构构约偏大，即约1.0~1.23倍。3、上部楼层层的侧向向位移中中有相当当部分是是由于下下部楼层层的转角角所引起起的，此此部分位位移为刚刚体位移移，而刚刚体位移移并不产产生结构构内力。。二、我国国《抗规》、《高规》关于水平平位移计计算和限限值的规规定国标《建筑抗震震设计规规范》5.5.1条规定：：《抗规》GB50011-2010给出层间间位移角角限的说说明：（（p356）行标《高层建筑筑混凝土土结构技技术规程程》JGJ3-20103.7.3条规定：：行标《高层建筑筑混凝土土结构技技术规程程》关于水平平位移限限值的条条文说明明：……从我国结结构抗震震设计所所依据的的两本主主要规范范规程的规规定可看看出：控制最大大层间位位移角的的主要目目的在于于保证主主结结构基本本处于弹弹性状态态，对于于钢筋混混凝土结结构，是是否处于于弹性状状态由钢钢筋混凝凝土构件件是否开开裂为判判定标准准。二、国内内部分混混凝土剪剪力墙受受力试验验的结果果1、国国内七所所高校西西安建建筑科技技大学、、大连理理工大学学、清华华大学、、同济大大学、山山东建筑筑大学、、北京工工业大学学、沈阳阳建筑工工程学院院等68片剪力墙墙的试验验结果(青岛理工大学学土木工程学院院王晶等，“钢筋筋混凝土剪力墙位移角角统计分析”，，《工程抗震与加固改造》2012.6)2、华南理工大大学8片钢管混凝土土剪力墙试验验，高宽比（（剪跨比）λ=2，混凝土强度度等级C55~C100混凝土开裂时时位移角平均均1/585，极限弹塑性性位移角平均均1/44。规范要求的位位移角限值合合理吗？能达到控制制混凝土墙柱柱不开裂的目目的吗？三、对规范位位移角限值合合理性的讨论论1、钢与混凝土的弹性性模量相差约约5~10倍，对钢筋混凝土受受弯或大偏压压（拉）构件件而言，混凝凝土开裂时钢钢筋的应力还还很小。即使是竖向荷载长期作用的受受弯构件，如如一般的钢筋筋混凝土梁，，正常使用状状态下也是带带裂缝工作的的，但这并不不妨碍我们用弹性方法计算算结构的内力。钢筋混凝土柱和剪力墙正正常使用阶段段主要内力是是竖向荷载引引起的压力。在风荷载和可能能发生的地震震作用下，只只要钢筋不屈屈服，仍处于于弹性阶段，，即使混凝土土开裂，也不不会影响结构构的安全性。并且，在短时时间作用的横横向力卸载后后，可能出现现的裂缝也会会闭合，这比比竖向荷载长长期存在的受受弯钢筋混凝凝土梁更容易易满足耐久性性要求。2、上述剪力墙墙的试验中，，试件的高宽宽比为1.5~2.1。剪力墙的受力变形形包括弯曲变变形和剪切变变形，俗称有有害位移。试试验对应于高高层、超高层层建筑，大致致为有害位移移占绝大部分分的底部楼层。。而建筑物的的最大层间位位移角，却发发生在建筑物物的中上部。。以深圳地王大厦厦为例：（魏琏等，，地王大厦结结构设计若干干问题，《建筑结构》，2000年6月）深圳地王大厦厦，69层，地面以上高324.8米，Y向剪力墙宽12米退一步说，设设计不允许剪剪力墙混凝土土开裂，则Y向剪力墙宽12米，对应试验验结果，应该该控制建筑物物底部5~6层的层间位移移角，而不是是控制结构中中上部的最大大层间位移角角。地王大厦厦的最大层间间位移角发生生在57层，1/274。其中绝大部部分为该层底底部转角引起起刚体位移。。扣除刚体位位移，其有害害位移角为1/28195，受力很小，，不可能出现现裂缝。3、按《高规》的规定，不扣扣除结构整体体弯曲变形影影响，实际上上控制的是结结构中、上部部楼层的位移移角，而此部部位楼层的受受力往往很小小，大多数情情况下，剪力力墙、柱非受受力所需的计计算配筋而是是构造配筋。。同时，也不不能由此推知知底部受力变变形最大的楼楼层的受力情情况，不能推推知剪力墙、、柱是否开裂裂。4、结构中上部部楼层的位移移角限值过于于严格，造成建筑物的的刚度需求过大，其直接后果果就是结构的的自重增大、地震反应增大大，除造成投投资的浪费外外，反而对结结构抗震不利利。最大层间位移移角1/1000，顶点位移约H/1300；如果大幅度度放松至1/300，顶点位移约约H/400,则基底剪力约约降低为原来来的，加之减少了了剪力墙、减减少了结构自自重，减少基基底剪力将超超过一半，对对8度及以上高烈烈度区意义更更大。5、按国标《抗规》规定，扣除结结构整体弯曲曲的影响，所所得最大有害害层间位移角角一般在结构构底部楼层，，虽然可以比比对试验结果果，但不能控控制建筑物中中上部楼层的的水平位移。。6、从上述试验验结果看，剪剪力墙出现裂裂缝时的层间间位移角在1/434~1/3134之间，可见按按位移角不大大于1/1000为标准来控制制显得过于粗粗略。或者过过于保守，混混凝土墙远未未开裂；或者者混凝土墙早早已经开裂。。7、与剪力墙试试验结果的比比对，对于单单片剪力墙是是如此，但对对众多剪力墙墙组成的抗侧侧力结构却完完全不同。对对于结构中不不同位置的剪剪力墙，在水水平荷载作用用下，相同层层间位移角，，各剪力墙的的受力却可能能差异较大。。结构中和轴轴附近的剪力力墙可能小偏偏心受压，没没有裂缝；远远离中和轴的的剪力墙可能能大偏心受压压，即截面中中有受拉区，，混凝土可能能开裂。以控控制结构层间间位移角的方方法保证剪力力墙、柱混凝凝土不开裂实实际上并没有有根据。四、小结与建建议：大幅度度放宽结构的的层间位移角角限值1、规定结构层层间位移角限限值是为了保保证结构有必要的刚度。这是因为：a、避免非结构构件如玻玻璃幕墙、内内隔墙等因结结构过大的变变形而破坏。。b、避免结构过大的侧向变变形加剧P-Δ效应，恶化结结构的受力。。c、避免在较大风风作用下产生生令人不舒服服的低频振动动。d、避免结构过大大的变形影响响设备的正常常运行。2、结构构件的的受力计算与与层间位移角角无关。可以以通过各种结结构分析方法法（弹性、弹弹塑性、几何何非线性、材材料非线性、、甚至考虑时时间因素的粘粘弹塑性等等等）求解结构构构件的内力力。在此基础础上进行构件件截面承载力力的设计计算算。3、基于上述第第一点的理由由，层间位移移角限值无需需区分结构类类型，无论框框架结构还是是筒体结构，，无论剪力墙墙结构还是框框架-剪力墙结构，，也无论是混混凝土结构、、钢结构还是是混合结构。。4、重现期50、100年的风荷载和和地震荷载属属短期荷载，，需进行构件件承载力极限限状态验算，一般无需限限制墙、柱的的混凝土是否否开裂。有特特别要求的，，可由构件截截面设计加以以解决。5、考虑到设计计上的方便，，可采用《混凝土高规》的做法，不扣扣除结构整体体弯曲的影响响，但大幅度度放宽层间位位移角限值。。重现期50年风荷载作用用下只需控制制结构的顶点点位移，一般般1/500~1/400;小震作用下层间间位移角1/350~1/300。之所以不是是钢结构的1/250，是考虑对混混凝土结构刚刚度的折减。。6、我国规范对对大震作用下下结构的弹塑塑性位移角的的限值也偏严严格，如剪力力墙，我国1/120、1/100；美美、、日日、、欧欧1/50；最最新新的的美美国国洛洛杉杉矶矶高高规规（（2014）1/33；试试验验>1/50。建建议议可可以以参参照照美美、、日日、、欧欧的的限限值值大大幅幅度度放放宽宽，，抗抗震震性性能能等等级级D级采采用用1/50，B、C级适适当当严严格格。。五、、广广东东省省超超限限高层层建建筑筑工程程抗抗震震设设防防审审查查专专家家委员员会会东莞莞会会议议纪纪要要关关于于结结构构层层间间位位移移角角限限值值的的提提法法近年年来来，，我我省省高高层层、、超超高高层层建建筑筑不不断断推推出出，，由由于于现现行行规规范范中中结结构构层层间间位位移移角角限限值值偏偏严严格格导导致致设设计计的的不不合合理理，，在在沿沿海海设设计计风风压压较较大大及及地地震震烈烈度度较较高高的的部部分分地地区区问问题题尤尤为为突突出出。。在在满满足足下下列列条条件件的的情情况况下下，，按按弹弹性性方方法法计计算算的的50年一一遇遇风风荷荷载载作作用用下下楼楼层层的的层层间间位位移移角角可可按按以以下下限限值值控控制制：框架架结结构构不不宜宜大大于于1/400；高高150米及及以以下下的的框框架架-剪力力墙墙、、框框架架-核心心筒筒结结构构不不宜宜大大于于1/500，剪剪力力墙墙结结构构不不宜宜大大于于1/600；高高250米及及以以上上结结构构不不宜宜大大于于1/400；高高150米～～250米之之间间可可内内插插确确定定；；钢钢结结构构不不宜宜大大于于1/250；小小震震作作用用下下楼楼层层的的层层间间位位移移角角可可按按上上述述限限值值控控制制，，但但应应进进行行中中、、大大震震抗抗震震性性能能设设计计，，大大震震作作用用下下弹弹塑塑性性层层间间位位移移角角限限值值按按现现行行规规范范规规定定执执行行。。1.满足足结结构构填填充充墙墙、、内内隔隔墙墙、、幕幕墙墙等等非非结结构构构构件件对对主主体体结结构构的的刚刚度度需需求求，，不不因因结结构构变变形形而而引引起起损损坏坏。。2.满足足风风荷荷载载作作用用下下的的舒舒适适度度验验算算要要求求。。验验算算时时，，混混凝凝土土结结构构的的阻阻尼尼比比不不大大于于2%，混混合合结结构构的的阻阻尼尼比比不不大大于于1.5%，钢钢结结构构的的阻阻尼尼比比不不大大于于1%。3.满足足结结构构整整体体稳稳定定性性要要求求。。4.满足足机机电电设设备备正正常常运运行行的的要要求求。。5.结构构单单元元间间留留设设防防震震缝缝时时，，宽宽度度应应满满足足中中震震作作用用下下两两侧侧结结构构不不发发生生碰碰撞撞的的要要求求。。防防震震缝缝宽宽度度可可取取不不小小于于中中震震作作用用下下较较低低结结构构单单元元顶顶点点水水平平位位移移与与相相应应标标高高较较高高结结构构单单元元水水平平位位移移绝绝对对值值之之和和，，并并不不小小于于规规范范要要求求。相对对《广东东省省高高規規》有一一定定进进步步，，但但与与原原本本期期望望的的结结果果仍仍有有差差距距。。六、、【工程程实实例例1】】海口口市市滨滨江江海海岸岸某住住宅宅地面面以以上上41层；结构构高高度度124.5m；建筑筑平平面面长长26m、宽宽21m；底层层层层高高4.5m，其其他他层层层层高高3.0m；剪力力墙结结构构；抗震震设设防防烈烈度度为为8.5度；场地地类别别ⅡⅡ类类，，地地震震分分组组第第二二组组，，特特征征周周期期Tg=0.4。原设设计计方方案案按照照海海南南省省的的要要求求，，以以不不大大于于1/950控制制位位移移角角；；墙厚厚度度从从450变化化至至250；受刚刚度度要要求求控控制制，，混混凝凝土土墙墙多多，轴轴压压比比均均在在0.3以下下。改进进方方案案按轴轴压比比0.5控制制剪剪力力墙墙数数量量，，一一般般轴轴压压比比为为0.4~0.45；墙厚厚度度从从350变化化至至200；层间位位移移角角约约为为1/500。原设设计计方方案案改进进方案案原设设计计方方案案改进进方案案小震震计计算算结结果果对对比比对比项目原方案改进方案周期（s）T12.23（Y平动）3.03（Y平动）T22.12（X平动）2.84（X平动）T31.55（扭转）2.14（扭转）地震反应方向XYXY最大层间位移角1/980(24层）1/958（27层）1/510（17层）1/513（24层）对应的有害层间位移角1/280001/281471/103871/11130基底弯矩GN-m1.221.200.920.90基底剪力Ton1758177512421268剪重比4.7%4.8%4.2%4.3%刚重比EJ/∑GH29.028.134.854.21重量总重Ton3673129574单位重量KN/m220.416.4混凝土用量m3/m20.590.42钢筋用量kg/m275.059.5大震震静静力力弹弹塑塑性性计计算算结果果对对比比对比项目原方案优化方案大震弹塑性分析方向XX最大层间位移角1/165（13层）1/114（15层）对应有害层间位移角1/55551/3125底层层间位移角1/8451/601基底弯矩GN-m3.062.05基底剪力Ton46703494剪重比12.7%11.8%大震震下性性能能点点处处连连梁梁的损伤伤对对比比原设设计计方方案案改进进方方案案图中中：红色色表表示示严严重重损损伤伤棕色色表表示示中中度度损损伤伤绿色色表表示示轻轻度度损损伤伤蓝色色表表示示轻轻微微损损伤伤大震震下到到达达性性能能点点时时有有拉拉应应力力的的墙墙肢肢原设设计计方方案案改进进方方案案图中中：红色色表表示示钢筋筋受拉拉屈屈服服棕色色表表示示0.75倍屈屈服服应应变变绿绿色色表表示示0.50倍屈屈服服应应变变蓝色色表表示示墙墙体体受受拉拉大震震下到到达达性性能能点点时时墙墙肢受压压轻轻度度损损伤伤原设设计计方方案案改进进方方案案图中中：红色色表表示示轻轻度度损损伤伤棕色色表表示示轻轻微微损损伤伤绿色表示0.75倍轻微损伤伤蓝色表示示0.50倍轻微损伤伤大震下结构构反应小结结原方案和改进方案对比：：1、两个方案的的反应基本本一致，都始于连梁的弯曲破坏坏，剪力墙的损损伤较少。。2、两个方案连梁的的损伤都较大；相比比之下，改改进方案的连梁损伤伤稍小；3、两个方案剪力墙墙底部部分分墙肢均大偏压压（截面有有拉区），但钢筋基本没有屈服。4、两个方案剪力墙墙的受剪、、压弯承载载力均有较大富余。5、大震作用用下的层间位移角：改进方方案比原方方案大，但比小震时的差别要少。。小震时，改进方案案的最大层间间位移角是是原方案的的2倍；而大震时，改进方案案角是原方案的的1.5倍，表明原方方案的损伤伤更明显，，但均能满满足规范不不大于1/100的要求。实际上最最大层间位位移角的楼楼层，剪力力墙的损伤伤非常小，，较大的损损伤在结构构底部。【工程实例2】某住宅的基本设计计情况地面以上57层；结构高度168.2m；建筑平面约约为长35m、宽23m的“品”字字形；底层层高5.8m，其他层层层高2.9m；采用剪力墙墙结构；抗震设防烈烈度为8度；场地类别Ⅱ类，，地震分组组第二组，，特征周期期Tg=0.4。原设计方案按照1/800控制层间位移角；墙厚度从500变化至200；受刚度控制制，混凝土土墙多，轴压比均在在0.26以下。改进后方案案按照轴压比0.5控制剪力墙数量量，一般轴轴压比0.4~0.45；墙厚度从450变化至200；层间位移角约约为1/400。原设计方案案改进方案原设计方案案优化方案小震计算结果对对比对比项目原方案改进方案周期（s）T13.41（Y平动）5.19（X平动）T23.21（X平动）4.86（Y平动）T32.42（扭转）4.70（扭转）地震反应方向XYXY最大层间位移角1/803(26层）1/802（24层）1/396（22层）1/479（21层）对应的有害层间位移角1/197561/219721/107561/13742基底弯矩GN-m1.391.350.780.82基底剪力Ton14701522747834剪重比2.83%2.93%2.08%2.32%重量总重Ton5.2万3.6万单位重量KN/m22820混凝土用量m3/m20.730.45钢筋用量kg/m288.364大震弹塑性性计算结果果对比对比项目原方案改进方案大震弹塑性分析方向XX最大层间位移角1/210（28层）1/137（19层）对应有害层间位移角1/64931/3267底层位移角1/12131/714170%基底弯矩GN-m2.851.6457.5%基底剪力Ton4470243654.5%剪重比8.60%6.77%大震下连梁梁的损伤原设计方案案改进方案图中：红色表示严严重损伤棕色表示中中度损伤绿色表示轻轻度损伤蓝色表示轻轻微损伤大震下剪力力墙的受拉拉情况原设计方案案改进方案图中：红色表示钢筋受拉屈服棕色表示0.75倍屈服应变变绿色表示示0.50倍屈服应变变蓝色表示墙墙体受拉大震下剪力力墙的受压压情况原设计方案案改进方案图中：红色表示轻轻度损伤棕色表示轻轻微损伤绿色表示0.75倍轻微损伤伤蓝色表示示0.50倍轻微损伤伤大震下结构构反应小结结原方案和优优化方案对对比来看有有以下结论论：1、两个方案的的反应基本本一致，都都是以连梁梁作为第一一道防线进进行耗能，，剪力墙的的损伤较少少。2、对于连梁，，优化方案案的连梁损损伤较少，，原方案连连梁损伤较较大；3、对于墙肢受拉，原方方案受拉的的墙肢数非非常多，约约有四分之之三的墙肢肢有不同程程度的受拉拉，底部尤尤为严重，，但钢筋没没有受拉屈屈服。而