关于大幅度放宽结构层间位移角的再讨论2017.6.29

关于于大幅幅度度放放宽宽结结构构层层间间位位移移角角限限值值的的再再讨讨论论华南南理理工工大大学学建建筑筑设设计计研研究究院院方方小小丹丹2017.6.29结构构的的层层间间位位移移角角是是衡衡量量结结构构刚刚度度及及变变形形能能力力的的指指标标。。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(青岛理工工大学土木工程程学院王王晶等，““钢筋混混凝土剪力墙位位移角统计分析析”，《工程抗震与加加固改造》2012.6)2、华南理理工大学学8片钢管混混凝土剪剪力墙试试验，高高宽比（（剪跨比比）λ=2，混凝土土强度等等级C55~C100混凝土开开裂时位位移角平平均1/585，极限弹弹塑性位位移角平平均1/44。规范要求求的位移移角限值值合理吗？能达到到控制混混凝土墙墙柱不开开裂的目目的吗？？三、对规规范位移移角限值值合理性性的讨论论1、钢与混凝土的的弹性模模量相差差约5~10倍，对钢筋混凝凝土受弯弯或大偏偏压（拉拉）构件件而言，，混凝土土开裂时时钢筋的的应力还还很小。即使是竖向荷载长期作用用的受弯弯构件，，如一般般的钢筋筋混凝土土梁，正正常使用用状态下下也是带带裂缝工工作的，，但这并并不妨碍我们用弹性方法法计算结结构的内力。钢筋混凝凝土柱和剪力力墙正常常使用阶阶段主要要内力是是竖向荷荷载引起起的压力。在风荷载和和可能发发生的地地震作用用下，只只要钢筋筋不屈服服，仍处处于弹性性阶段，，即使混混凝土开开裂，也也不会影影响结构构的安全性。。并且，在在短时间间作用的的横向力力卸载后后，可能能出现的的裂缝也也会闭合合，这比比竖向荷荷载长期期存在的的受弯钢钢筋混凝凝土梁更更容易满满足耐久久性要求求。2、上述剪剪力墙的的试验中中，试件件的高宽宽比为1.5~2.1。剪力墙的受力力变形包包括弯曲曲变形和和剪切变变形，俗俗称有害害位移。。试验对对应于高高层、超超高层建建筑，大大致为有有害位移移占绝大大部分的底部楼楼层。而而建筑物物的最大大层间位位移角，，却发生生在建筑筑物的中中上部。。以深圳地王王大厦为为例：（魏琏琏等，地地王大厦厦结构设设计若干干问题，，《建筑结构构》，2000年6月）深圳地王王大厦，，69层，地面以上上高324.8米，Y向剪力墙宽12米退一步说说，设计计不允许许剪力墙墙混凝土土开裂，，则Y向剪力墙墙宽12米，对应应试验结结果，应应该控制制建筑物物底部5~6层的层间间位移角角，而不不是控制制结构中中上部的的最大层层间位移移角。地地王大厦厦的最大大层间位位移角发发生在57层，1/274。其中绝绝大部分分为该层层底部转转角引起起刚体位位移。扣扣除刚体体位移，，其有害害位移角角为1/28195，受力很很小，不不可能出出现裂缝缝。3、按《高规》的规定，，不扣除除结构整整体弯曲曲变形影影响，实实际上控控制的是是结构中中、上部部楼层的的位移角角，而此此部位楼楼层的受受力往往往很小，，大多数数情况下下，剪力力墙、柱柱非受力力所需的的计算配配筋而是是构造配配筋。同同时，也也不能由由此推知知底部受受力变形形最大的的楼层的的受力情情况，不不能推知知剪力墙墙、柱是是否开裂裂。4、结构中中上部楼楼层的位位移角限限值过于于严格，，造成建筑筑物的刚刚度需求过大，其直接接后果就就是结构构的自重增大大、地震反应应增大，，除造成成投资的的浪费外外，反而而对结构构抗震不不利。最大层间间位移角角1/1000，顶点位移约H/1300；如果大大幅度放放松至1/300，顶点位位移约H/400,则基底剪剪力约降降低为原原来的，加之减减少了剪剪力墙、、减少了了结构自自重，减减少基底底剪力将将超过一一半，对对8度及以上上高烈度度区意义义更大。。5、按国标标《抗规》规定，扣扣除结构构整体弯弯曲的影影响，所所得最大大有害层层间位移移角一般般在结构构底部楼楼层，虽虽然可以以比对试试验结果果，但不不能控制制建筑物物中上部部楼层的的水平位位移。6、从上述述试验结结果看，，剪力墙墙出现裂裂缝时的的层间位位移角在在1/434~1/3134之间，可可见按位位移角不不大于1/1000为标准来来控制显显得过于于粗略。。或者过过于保守守，混凝凝土墙远远未开裂裂；或者者混凝土土墙早已已经开裂裂。7、与剪力力墙试验验结果的的比对，，对于单单片剪力力墙是如如此，但但对众多多剪力墙墙组成的的抗侧力力结构却却完全不不同。对对于结构构中不同同位置的的剪力墙墙，在水水平荷载载作用下下，相同同层间位位移角，，各剪力力墙的受受力却可可能差异异较大。。结构中中和轴附附近的剪剪力墙可可能小偏偏心受压压，没有有裂缝；；远离中中和轴的的剪力墙墙可能大大偏心受受压，即即截面中中有受拉拉区，混混凝土可可能开裂裂。以控控制结构构层间位位移角的的方法保保证剪力力墙、柱柱混凝土土不开裂裂实际上上并没有有根据。。四、、小小结结与与建建议议：：大大幅幅度度放放宽宽结结构构的的层层间间位位移移角角限限值值1、规规定定结结构构层层间间位位移移角角限限值值是是为为了了保保证证结结构构有有必要要的的刚度度。。这这是因因为为：：a、避避免免非非结构构构构件件如如玻玻璃璃幕幕墙墙、、内内隔隔墙墙等等因因结结构构过过大大的的变变形形而而破破坏坏。。b、避避免免结结构构过大大的的侧侧向向变变形形加加剧剧P-ΔΔ效应应，，恶恶化化结结构构的的受受力力。。c、避免免在在较较大大风风作作用用下下产产生生令令人人不不舒舒服服的的低低频频振振动动。。d、避免免结结构构过过大大的的变变形形影影响响设设备备的的正正常常运运行行。。2、结结构构构构件件的的受受力力计计算算与与层层间间位位移移角角无无关关。。可可以以通通过过各各种种结结构构分分析析方方法法（（弹弹性性、、弹弹塑塑性性、、几几何何非非线线性性、、材材料料非非线线性性、、甚甚至至考考虑虑时时间间因因素素的的粘粘弹弹塑塑性性等等等等））求求解解结结构构构构件件的的内内力力。。在在此此基基础础上上进进行行构构件件截截面面承承载载力力的的设设计计计计算算。。3、基基于于上上述述第第一一点点的的理理由由，，层层间间位位移移角角限限值值无无需需区区分分结结构构类类型型，，无无论论框框架架结结构构还还是是筒筒体体结结构构，，无无论论剪剪力力墙墙结结构构还还是是框框架架-剪力力墙墙结结构构，，也也无无论论是是混混凝凝土土结结构构、、钢钢结结构构还还是是混混合合结结构构。。4、重重现现期期50、100年的的风风荷荷载载和和地地震震荷荷载载属属短短期期荷荷载载，，需需进进行行构构件件承承载载力力极极限限状状态态验验算算，一一般般无无需需限限制制墙墙、、柱柱的的混混凝凝土土是是否否开开裂裂。。有有特特别别要要求求的的，，可可由由构构件件截截面面设设计计加加以以解解决决。。5、考考虑虑到到设设计计上上的的方方便便，，可可采采用用《混凝凝土土高高规规》的做做法法，，不不扣扣除除结结构构整整体体弯弯曲曲的的影影响响，，但但大大幅幅度度放放宽宽层层间间位位移移角角限限值值。。重重现现期期50年风风荷荷载载作作用用下下只只需需控控制制结结构构的的顶顶点点位位移移，，一一般般1/500~1/400;小震作作用用下下层层间间位位移移角角1/350~1/300。之之所所以以不不是是钢钢结结构构的的1/250，是是考考虑虑对对混混凝凝土土结结构构刚刚度度的的折折减减。。6、我我国国规规范范对对大大震震作作用用下下结结构构的的弹弹塑塑性性位位移移角角的的限限值值也也偏偏严严格格，，如如剪剪力力墙墙，，我我国国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《广东省高規》有一定进步，，但与原本期期望的结果仍仍有差距。六、【工程实例1】海口市滨江海海岸某住宅地面以上41层；结构高度124.5m；建筑平面长26m、宽21m；底层层高4.5m，其他层层高高3.0m；剪力墙结构；抗震设防烈度度为8.5度；场地类别Ⅱ类，地地震分组第二二组，特征周周期Tg=0.4。原设计方案按照海南省的的要求，以不不大于1/950控制位移角；；墙厚度从450变化至250；受刚度要求控控制，混凝土土墙多，轴压比均在在0.3以下。改进方案按轴压比0.5控制剪力墙数数量，一般轴轴压比为0.4~0.45；墙厚度从350变化至200；层间位移角约为为1/500。原设计方案改进方案原设计方案改进方案小震计算结果果对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大震静力弹塑塑性计算结果对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%大震下性能点处连连梁的损伤对比原设计方案改进方案图中：红色表示严重重损伤棕色表示中度度损伤绿色表示轻度度损伤蓝色表示轻微微损伤大震下到达性能点点时有拉应力力的墙肢原设计方案改进方案图中：红色表示钢筋受拉屈服棕色表示0.75倍屈服应变绿绿色表示0.50倍屈服应变蓝色表示墙体体受拉大震下到达性能点点时墙肢受压轻度损伤伤原设计方案改进方案图中：红色表示轻度度损伤棕色表示轻微微损伤绿色表示0.75倍轻微损伤蓝蓝色表示0.50倍轻微损伤大震下结构反反应小结原方案和改进方案对比：1、两个方案的反反应基本一致致，都始于连梁的弯曲破坏，剪力墙的损伤伤较少。2、两个方案连梁的损伤都较大；相比之之下，改进方案的连梁损伤稍小；3、两个方案剪力墙底底部部分墙肢均大偏压（（截面有拉区区），但钢筋基本没有屈服。4、两个方案剪力墙的的受剪、压弯弯承载力均有较大富余。5、大震作用下下的层间位移角：改进方案案比原方案大大，但比小震时的差别要少。小小震时，改进方案的最大层间位位移角是原方方案的2倍；而大震时，改进方案角角是原方案的1.5倍，表明原方案案的损伤更明明显，但均能能满足规范不不大于1/100的要求。实际上最大大层间位移角角的楼层，剪剪力墙的损伤伤非常小，较较大的损伤在在结构底部。。【工程实例2】某住宅的基本设计情况地面以上57层；结构高度168.2m；建筑平面约为为长35m、宽23m的“品”字形形；底层层高5.8m，其他层层高高2.9m；采用剪力墙结结构；抗震设防烈度度为8度；场地类别Ⅱ类，地地震分组第二二组，特征周周期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，，混凝土墙多，轴压比均在0.26以下。改进后方案按照轴压比0.5控制剪力墙数量，，一般轴压比0.4~0.45；墙厚度从450变化至200；层间位移角约为为1/400。原设计方案改进方案原设计方案优化方案小震计算结果对比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大震弹塑性计计算结果对比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%大震下连梁的的损伤原设计方案改进方案图中：红色表示严重重损伤棕色表示中度度损伤绿色表示轻度度损伤蓝色表示轻微微损伤大震下剪力墙墙的受拉情况况原设计方案改进方案图中：红色表示钢筋受拉屈服棕色表示0.75倍屈服应变绿绿色表示0.50倍屈服应变蓝色表示墙体体受拉大震下剪力墙墙的受压情况况原设计方案改进方案图中：红色表示轻度度损伤棕色表示轻微微损伤绿色表示0.75倍轻微损伤蓝蓝色表示0.50倍轻微损伤大震下结构反反应小结原方案和优化化方案对比来来看有以下结结论：1、两个方案的反反应基本一致致，都是以连连梁作为第一一道防线进行行耗能，剪力力墙的损伤较较少。2、对于连梁，优优化方案的连连梁损伤较少少，原方案连连梁损伤较大大；3、对于墙肢受拉，原方案案受拉的墙肢肢数非常多，，约有四分之