关于大幅度放宽结构层间位移角的再讨论

关于大幅度放宽结构层间位移角限值的再讨论华南理工大学建筑设计研究院方小丹2017.6.29结构的层间位移角是衡量结构刚度及变形能力的指标。控制结构的层间位移角就是要控制结构有必要的刚度及充分的变形能力。较之日本、美国等国，我国规范对结构尤其是钢筋混凝土结构在多遇地震作用下的层间位移角限制要严格很多，框架结构为1/550，框-剪结构为1/800，剪力墙结构1/1000；而日本、美国等国规范的层间位移角限值为1/200。欧洲是1/400，但如果考虑了P-Δ效应，也可以1/200。一、我国规范对结构层间位移角限制偏严格的原因1、我国规范认为小震作用属正常使用极限状态，结构应保持“弹性”，故以钢筋混凝土构件（包括柱、剪力墙）开裂时的层间位移角作为多遇地震作用下结构的弹性位移角限值。2、规范要求对计算周期乘以小于1的系数来加以修正，框架结构的周期折减系数为0.6-0.7，框-剪结构为0.7-0.8，剪力墙结构为0.9-1。然而，结构分析得到的位移却没有相应修正。由单自由度体系的周期计算公式

可知，结构刚度K与周期T的平方成反比例，因此，大致上框架结构的位移计算值约偏大估计

，即约2.04~2.77倍；框-剪结构约偏大，即约1.56-2.04倍；剪力墙结构约偏大

，即约1.0~1.23倍。

3、上部楼层的侧向位移中有相当部分是由于下部楼层的转角所引起的，此部分位移为刚体位移，而刚体位移并不产生结构内力。二、我国《抗规》、《高规》关于水平位移计算和限值的规定国标《建筑抗震设计规范》5.5.1条规定：《抗规》GB50011-2010给出层间位移角限的说明：（p356）行标《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010

3.7.3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混凝土土开裂裂时位位移角角平均均1/585，极限限弹塑塑性位位移角角平均均1/44。规范要要求的的位移移角限限值合合理吗？能达达到控控制混混凝土土墙柱柱不开开裂的的目的的吗？？三、对对规范范位移移角限限值合合理性性的讨讨论1、钢与混凝土土的弹弹性模模量相相差约约5~10倍，对钢筋混混凝土土受弯弯或大大偏压压（拉拉）构构件而而言，，混凝凝土开开裂时时钢筋筋的应应力还还很小小。即使是竖向荷载长期作作用的的受弯弯构件件，如如一般般的钢钢筋混混凝土土梁，，正常常使用用状态态下也也是带带裂缝缝工作作的，，但这这并不不妨碍我们用弹性方方法计计算结结构的的内力。钢筋混混凝土土柱和剪剪力墙墙正常常使用用阶段段主要要内力力是竖竖向荷荷载引引起的的压力。在风荷载载和可可能发发生的的地震震作用用下，，只要要钢筋筋不屈屈服，，仍处处于弹弹性阶阶段，，即使使混凝凝土开开裂，，也不不会影影响结结构的的安全性性。并且，，在短短时间间作用用的横横向力力卸载载后，，可能能出现现的裂裂缝也也会闭闭合，，这比比竖向向荷载载长期期存在在的受受弯钢钢筋混混凝土土梁更更容易易满足足耐久久性要要求。。2、上述述剪力力墙的的试验验中，，试件件的高高宽比比为1.5~2.1。剪力墙的受受力变变形包包括弯弯曲变变形和和剪切切变形形，俗俗称有有害位位移。。试验验对应应于高高层、、超高高层建建筑，，大致致为有有害位位移占占绝大大部分分的底部部楼层层。而而建筑筑物的的最大大层间间位移移角，，却发发生在在建筑筑物的的中上上部。。以深圳地地王大大厦为为例：（魏魏琏等等，地地王大大厦结结构设设计若若干问问题，，《建筑结结构》，2000年6月）深圳地地王大大厦，，69层，地面以以上高高324.8米，Y向剪力墙宽12米退一步步说，，设计计不允允许剪剪力墙墙混凝凝土开开裂，，则Y向剪力力墙宽宽12米，对对应试试验结结果，，应该该控制制建筑筑物底底部5~6层的层层间位位移角角，而而不是是控制制结构构中上上部的的最大大层间间位移移角。。地王王大厦厦的最最大层层间位位移角角发生生在57层，1/274。其中中绝大大部分分为该该层底底部转转角引引起刚刚体位位移。。扣除除刚体体位移移，其其有害害位移移角为为1/28195，受力力很小小，不不可能能出现现裂缝缝。3、按《高规》的规定定，不不扣除除结构构整体体弯曲曲变形形影响响，实实际上上控制制的是是结构构中、、上部部楼层层的位位移角角，而而此部部位楼楼层的的受力力往往往很小小，大大多数数情况况下，，剪力力墙、、柱非非受力力所需需的计计算配配筋而而是构构造配配筋。。同时时，也也不能能由此此推知知底部部受力力变形形最大大的楼楼层的的受力力情况况，不不能推推知剪剪力墙墙、柱柱是否否开裂裂。4、结构构中上上部楼楼层的的位移移角限限值过过于严严格，，造成建建筑物物的刚刚度需求过大，其直直接后后果就就是结结构的的自重增增大、、地震反反应增增大，，除造造成投投资的的浪费费外，，反而而对结结构抗抗震不不利。。最大层层间位位移角角1/1000，顶点点位移约约H/1300；如果果大幅幅度放放松至至1/300，顶点点位移移约H/400,则基底底剪力力约降降低为为原来来的，加之之减少少了剪剪力墙墙、减减少了了结构构自重重，减减少基基底剪剪力将将超过过一半半，对对8度及以以上高高烈度度区意意义更更大。。5、按国国标《抗规》规定，，扣除除结构构整体体弯曲曲的影影响，，所得得最大大有害害层间间位移移角一一般在在结构构底部部楼层层，虽虽然可可以比比对试试验结结果，，但不不能控控制建建筑物物中上上部楼楼层的的水平平位移移。6、从上上述试试验结结果看看，剪剪力墙墙出现现裂缝缝时的的层间间位移移角在在1/434~1/3134之间，，可见见按位位移角角不大大于1/1000为标准准来控控制显显得过过于粗粗略。。或者者过于于保守守，混混凝土土墙远远未开开裂；；或者者混凝凝土墙墙早已已经开开裂。。7、与剪剪力墙墙试验验结果果的比比对，，对于于单片片剪力力墙是是如此此，但但对众众多剪剪力墙墙组成成的抗抗侧力力结构构却完完全不不同。。对于于结构构中不不同位位置的的剪力力墙，，在水水平荷荷载作作用下下，相相同层层间位位移角角，各各剪力力墙的的受力力却可可能差差异较较大。。结构构中和和轴附附近的的剪力力墙可可能小小偏心心受压压，没没有裂裂缝；；远离离中和和轴的的剪力力墙可可能大大偏心心受压压，即即截面面中有有受拉拉区，，混凝凝土可可能开开裂。。以控控制结结构层层间位位移角角的方方法保保证剪剪力墙墙、柱柱混凝凝土不不开裂裂实际际上并并没有有根据据。四、小小结与与建议议：大大幅度度放宽宽结构构的层层间位位移角角限值值1、规定定结构构层间间位移移角限限值是是为了了保证证结构构有必要的的刚度。。这是因为为：a、避免免非结构构构件如如玻璃璃幕墙墙、内内隔墙墙等因因结构构过大大的变变形而而破坏坏。b、避免免结构构过大的的侧向向变形形加剧剧P-ΔΔ效应，，恶化化结构构的受受力。。c、避免在在较大大风作作用下下产生生令人人不舒舒服的的低频频振动动。d、避免结结构过过大的的变形形影响响设备备的正正常运运行。。2、结构构构件件的受受力计计算与与层间间位移移角无无关。。可以以通过过各种种结构构分析析方法法（弹弹性、、弹塑塑性、、几何何非线线性、、材料料非线线性、、甚至至考虑虑时间间因素素的粘粘弹塑塑性等等等））求解解结构构构件件的内内力。。在此此基础础上进进行构构件截截面承承载力力的设设计计计算。。3、基于于上述述第一一点的的理由由，层层间位位移角角限值值无需需区分分结构构类型型，无无论框框架结结构还还是筒筒体结结构，，无论论剪力力墙结结构还还是框框架-剪力墙墙结构构，也也无论论是混混凝土土结构构、钢钢结构构还是是混合合结构构。4、重现现期50、100年的风风荷载载和地地震荷荷载属属短期期荷载载，需需进行行构件件承载载力极极限状状态验验算，一般般无需需限制制墙、、柱的的混凝凝土是是否开开裂。。有特特别要要求的的，可可由构构件截截面设设计加加以解解决。。5、考虑虑到设设计上上的方方便，，可采采用《混凝土土高规规》的做法法，不不扣除除结构构整体体弯曲曲的影影响，，但大大幅度度放宽宽层间间位移移角限限值。。重现现期50年风荷荷载作作用下下只需需控制制结构构的顶顶点位位移，，一般般1/500~1/400;小震作用用下层层间位位移角角1/350~1/300。之所所以不不是钢钢结构构的1/250，是考考虑对对混凝凝土结结构刚刚度的的折减减。6、我国国规范范对大大震作作用下下结构构的弹弹塑性性位移移角的的限值值也偏偏严格格，如如剪力力墙，，我国国1/120、1/100；美、、日、、欧1/50；最新新的美美国洛洛杉矶矶高规规（2014）1/33；试验验>1/50。建议议可以以参照照美、、日、、欧的的限值值大幅幅度放放宽，，抗震震性能能等级级D级采用用1/50，B、C级适当当严格格。五、广广东省省超限限高层建建筑工程抗抗震设设防审审查专专家委员会会东莞会会议纪纪要关关于结结构层层间位位移角角限值值的提提法近年来来，我我省高高层、、超高高层建建筑不不断推推出，，由于于现行行规范范中结结构层层间位位移角角限值值偏严严格导导致设设计的的不合合理，，在沿沿海设设计风风压较较大及及地震震烈度度较高高的部部分地地区问问题尤尤为突突出。。在满满足下下列条条件的的情况况下，，按弹弹性方方法计计算的的50年一遇遇风荷荷载作作用下下楼层层的层层间位位移角角可按按以下下限值值控制制：框架结结构不不宜大大于1/400；高150米及以以下的的框架架-剪力墙墙、框框架-核心筒筒结构构不宜宜大于于1/500，剪力力墙结结构不不宜大大于1/600；高250米及以上结结构不宜大大于1/400；高150米～250米之间可内内插确定；；钢结构不不宜大于1/250；小震作用用下楼层的的层间位移移角可按上上述限值控控制，但应应进行中、、大震抗震震性能设计计，大震作作用下弹塑塑性层间位位移角限值值按现行规规范规定执执行。1.满足结构填填充墙、内内隔墙、幕幕墙等非结结构构件对对主体结构构的刚度需需求，不因因结构变形形而引起损损坏。2.满足风荷载载作用下的的舒适度验验算要求。。验算时，，混凝土结结构的阻尼尼比不大于于2%，混合结构构的阻尼比比不大于1.5%，钢结构的的阻尼比不不大于1%。3.满足结构整整体稳定性性要求。4.满足机电设设备正常运运行的要求求。5.结构单元间间留设防震震缝时，宽宽度应满足足中震作用用下两侧结结构不发生生碰撞的要要求。防震震缝宽度可可取不小于于中震作用用下较低结结构单元顶顶点水平位位移与相应应标高较高高结构单元元水平位移移绝对值之之和，并不不小于规范范要求。相对《广东省高規規》有一定进步步，但与原原本期望的的结果仍有有差距。六、【工程实例1】海口市滨江江海岸某住宅地面以上41层；结构高度124.5m；建筑平面长长26m、宽21m；底层层高4.5m，其他层层层高3.0m；剪力墙结构；抗震设防烈烈度为8.5度；场地类别Ⅱ类，，地震分组组第二组，，特征周期期Tg=0.4。原设计方案案按照海南省省的要求，，以不大于于1/950控制位移角角；墙厚度从450变化至250；受刚度要求求控制，混混凝土墙多多，轴压比均均在0.3以下。改进方案按轴压比0.5控制剪力墙墙数量，一一般轴压比比为0.4~0.45；墙厚度从350变化至200；层间位移角约约为1/500。原设计方案案改进方案原设计方案案改进方案小震计算结结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大震静力弹弹塑性计算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%大震下性能点处处连梁的损伤对比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到达性能能点时有拉拉应力的墙墙肢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到达性能能点时墙肢受压轻度损损伤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。而优优化方案无无论在受拉拉墙肢的数