针对超限高层剪力墙中震拉应力问题的工程实践

针对超限高层剪力墙中震拉应力问题的工程实践杨东全;朱嘉;张宏斌;赵联桢【摘要】水平地震作用会对高层结构的底部竖向构件产生轴向拉压作用.在高烈度地区，对超限高层建筑进行中震不屈服计算时，这种作用可引起结构底部某些剪力墙墙肢的拉应力，该拉应力可能大于混凝土抗拉强度标准值.在进行超限高层抗震专项审查时，按照《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》的要求，剪力墙构件需满足中震不屈服墙肢平均拉应力不超过2倍混凝土抗拉强度标准值的要求.基于高烈度地区的超限高层设计实践，讨论了中震计算方法;论述了剪力墙拉应力与受剪承载力的关系;阐述了墙体中震拉应力的工程计算方法;最后，给出了中震拉应力不满足要求时的一种工程处理方法.【期刊名称】《结构工程师》【年(卷)，期】2016(032)004【总页数】7页(P147-153)【关键词】超限高层;剪力墙;中震不屈服设计;墙肢平均拉应力;墙肢受剪承载力【作者】杨东全;朱嘉涨宏斌;赵联桢【作者单位】海南大学土木建筑工程学院，海口570228;海南大学土木建筑工程学院，海口570228;海南大学土木建筑工程学院，海口570228;海南大学土木建筑工程学院，海口570228【正文语种】中文我国《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(2010)[1]第十二条提出：〃中震时出现小偏心受拉的混凝土构件应采用《高层混凝土结构规程》中规定的特一级构造，拉应力超过混凝土抗拉强度标准值时宜设置型钢。”随着人们在超限高层抗震专项审查实践中的进一步认识，新版的《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(2015)[2](以下简称《技术要点》)进一步将其明确为：〃中震时出现小偏心受拉的混凝土构件应采用《高层混凝土结构规程》中规定的特一级构造。中震时双向水平地震下墙肢全截面由轴向力产生的平均名义拉应力超过混凝土抗拉强度标准值时宜设置型钢承担拉力，且平均名义拉应力不宜超过两倍混凝土抗拉强度标准值(可按弹性模量换算考虑型钢和钢板的作用)，全截面型钢和钢板的含钢率超过2.5%时可按比例适当放松。”以上要求为小偏心受拉构件的中震拉应力问题，可简称为2ftk问题。该问题可阐述为以下两项具体要求：小偏心受拉混凝土构件的抗拉承载力计算:在设防烈度地震计算中，对于拉应力超过一倍混凝土抗拉强度标准值(即ftk)的小偏心受拉构件不再考虑混凝土的抗拉能力，需设置型钢来承担墙体所受的全部拉力；小偏心受拉混凝土构件的截面控制条件:在设防烈度地震计算中，对于小偏心受拉构件，原则上要求其截面平均拉应力不能超过两倍的混凝土抗拉强度标准值即2ftk。对于拉应力超过2ftk的小偏心受拉构件，可用布置型钢的方法使截面的平均拉应力降到2ftk以下。具体计算中震平均拉应力时，按型钢和混凝土弹性模量换算的原则将型钢的截面面积等效为相应的混凝土面积。这种做法实质上是根据型钢和混凝土的拉压刚度来分配型钢和混凝土所承担的拉力，通过布置型钢降低混凝土部分所承担的拉力。以上规定的基本解释是:在设防烈度地震作用下，当小偏心受拉构件由轴向力产生的平均拉应力超过混凝土抗拉强度标准值时，混凝土将开裂;在地震往复作用下，开裂的混凝土受到反复的拉、压作用，致使构件中的混凝土产生脱落甚至部分被压碎，从而造成混凝土实际抗剪承载力的减少，造成结构的永久性破坏，不能实现〃中震可修”的抗震设防目标。为了避免这种破坏，小偏心受拉构件的混凝土拉应力控制条件规定为2ftk，可以弹性模量换算考虑型钢的作用。在高层尤其是超高层建筑中，剪力墙构件是主要的竖向构件。在高烈度地区，剪力墙墙肢特别是结构外围的墙肢容易出现较大拉应力的情况。该项指标的提出对高烈度地区超限高层建筑剪力墙构件的设计提出了更高的要求。以海口市为例，作为抗震设防烈度为8度(0.30g)的地区，本地高层建筑以剪力墙结构、框架-剪力墙结构和框筒结构为主。由于地价、容积率等原因，本地区80m以上的高层建筑比较常见，其中大部分采用150m以下的剪力墙结构和框架-剪力墙结构体系。按照《技术要点》的规定，这些结构在设计时都需进行抗震专项审查，属于超限高层。由于地震设防烈度较高，这类超限高层建筑在中震作用下底部剪力墙构件的拉应力超过2ftk的情况很常见。为解决该问题，可通过优化结构设计方案、调高混凝土标号、增加墙厚、墙体内添加型钢等方式，但总的结果是明显地提高了工程造价，增加了设计和施工难度。极端情况下，多种措施同时运用也很难完全将所有墙肢的拉应力指标控制在2ftk范围内。2ftk指标来源于全国超限审查专家的概念判断，目前对此研究较少而且有一定的争议，需要进行更深入的试验和理论研究。针对超限高层建筑的剪力墙中震拉应力要求，结合海口市超限审查的具体工程实践，本文将讨论设防烈度地震的结构抗震计算、规范中剪力墙抗剪承载力和轴向应力的关系、剪力墙中震拉应力的工程计算方法等，并介绍与拉应力问题有关的型钢配置计算和具体布置等超限高层建筑设计问题。1.1设防烈度地震计算的必要性我国GB50011-2010《建筑抗震设计规范》[3](以下简称《抗规》)明确提出了〃小震不坏、中震可修、大震不倒”三个水准的抗震设防要求。对于符合规范要求的建筑，按照多遇地震作用进行设计，中震和大震的设防要求则通过地震作用的调整和各种抗震构造措施来保证。随着经济技术的发展，结构形式越来越复杂，结构高度越来越大。当结构的高度和复杂性超过相应规范规定的适用条件时，则被称为超限工程。超限工程应满足比规范规定更严格的技术要求和构造措施。目前，我国的超限结构依据《超限高层建筑工程抗震设防管理规定》和《技术要点》进行设计，设计方案需通过抗震设防专项审查，以保证超限结构的抗震安全，属于抗震性能化设计。性能化设计采取基于性能的设计理念和方法，对建筑结构的抗震性能进行加强。对于性能化设计，一般需进行中震复核。根据性能目标的不同，中震复核可分为中震弹性复核和中震不屈服复核。1.2设防烈度地震作用的计算参数〃中震”即设防烈度地震，其50年内发生的超越概率为10%。“中震弹性”是指，在不考虑抗震等级与内力调整的抗震验算中，中震作用下构件处于弹性状态；〃中震不屈服”是指，在不考虑抗震等级与内力调整的抗震验算中，中震作用下构件处于弹性状态且已达到弹性极限状态，即将进入屈服阶段。《技术要点》、《抗规》第3.10条和JGJ3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》［4］（以下简称《高规》）第3.11条均对中震弹性设计和中震不屈服设计做了明确的要求。在中震弹性计算中，不考虑内力调整的经验系数，保留荷载分项系数即保留结构的安全度和可靠度，属于正常设计。在中震不屈服计算中，内力按标准值计算（荷载分项系数均为1.0），与抗震等级有关的增大系数均为1.0，不考虑抗震承载力调整系数（抗震调整系数YRE取1.0），材料强度按标准值计算（钢筋与混凝土强度均采用标准值）。中震不屈服计算属于承载力极限状态设计，已经去掉所有的安全度，所以中震弹性要比中震不屈服的要求更为严格。按照《高规》［4］第7.2.11条第2款的规定，对于多遇地震抗震设计，偏心受拉剪力墙的斜截面受剪承载力应符合下列规定：当上式右端方括号内的计算值小于0.8fyhAshhw0/s时，应取等于0.8fyhAshhw0/s。按照《高规》7.2.11条的条文说明，《高规》7.2.11-2式考虑了轴向拉力对受剪承载力的不利影响。下面对规范的以上规定进行简单的讨论。〃当上式右端方括号内的计算值小于0.8fyhAshhw0/s时，应取等于0.8fyhAshhw0/s"意味着当0.4ftbwhw0-0.1NAw/A<0时，不再考虑剪力墙混凝土部分的抗剪能力。对于各种截面的剪力墙构件，可近似认为:A竺Aw竺bwhw0，所以0.4ftbwhw0-0.1NAw/A<0意味着N/A>4fto图1为各种型号的混凝土的抗拉强度标准值ftk和抗拉强度设计值ft的关系，其平均关系为ftk=1.4ft。因此，N/A>4ft意味着N/A>2.86ftk。所以，按照《高规》的规定，在多遇地震作用下，当墙肢全截面由轴向力产生的平均拉应力超过2.86倍混凝土抗拉强度标准值时即2.86ftk时，不再考虑混凝土部分的抗剪承载能力，但可以考虑钢筋的抗剪作用。根据超限专家的意见，在中震作用下，墙肢平均不屈服拉应力不应超过2ftk，以保证剪力墙的抗剪能力满足中震的性能要求。不屈服计算时没有考虑荷载分项系数，认为荷载分项系数均为1.0。如果取地震作用的分项系数1.3，则墙肢平均不屈服拉应力不应超过2ftk大体相当于墙肢平均弹性拉应力不超过2.6ftk。所以，墙肢平均不屈服拉应力不应超过2ftk的要求和《高规》第7.2.11条第二款的规定一脉相承，本质是为了保证剪力墙的抗剪性能，但明显要求更严。《高规》只是规定当平均拉应力超过2.86ftk时，不再考虑剪力墙中混凝土部分的抗剪承载能力，并没有要求墙肢中的平均拉应力不能超过某个限值。另外，如果超限结构的中震性能目标低于抗剪弹性，比如抗剪不屈服，则墙肢平均不屈服拉应力不应超过2ftk的要求较《高规》的规定显得更为严格。该要求可以认为是超限高层设计较普通高层设计的更高要求。3.1墙肢拉应力计算方法根据超限审查的要求，中震时剪力墙的拉应力采用中震不屈服的计算结果。根据中震不屈服计算，可以得出每片墙肢由地震作用产生的轴向力（拉力为正，压力为负）及恒载和活载作用下的压力，根据如下关系可得出墙肢轴向平均拉应力f拉以及该拉应力与混凝土抗拉强度标准值ftk的比值（下称拉应力倍数）：计算时需分别考虑地震沿+X、-X、+Y、-Y方向的作用并取最不利的比值。墙肢平均不屈服拉应力不应超过2ftk的要求转化为拉应力倍数应不大于2.0，同时当该倍数大于1时宜设置型钢承担拉力。以上要求在低烈度地区和结构高度较小时较易满足，但在设防烈度较高、高度较大或场地条件不利等因素弓I起的较大地震作用下，结构底部剪力墙的不屈服平均拉应力超过2ftk的现象则不易避免。下面以海口市某B级高度普通住宅结构为例，说明中震不屈服计算时剪力墙拉应力的分布情况。本工程为地下1层、地上18层的结构，平面呈35.4mx17.9m的矩形，建筑高度为88.5m,属于规则的B级高度建筑。建筑平面布置图、立面图见图2和图3。该住宅地处8度（0.30g）地区的二类场地，中震时最大地震影响系数amax=0.68,特征周期0.35，。采用SATWE软件进行该结构的中震不屈服计算，该结构底层剪力墙拉应力倍数的验算结果见图4。图4中深色的墙肢拉应力超过ftk，图中数值是拉应力比值n，由式（3）所得，箭头指示对应该比值的地震作用方向。下面以图4中CW-2墙肢为例，说明拉应力比值n的具体计算方法。墙肢CW-1、CW-2、及其组合CW在中震时各种工况作用下的轴力数据见表1。墙肢CW-2的拉应力计算过程见表2:按照表2的算法可计算出各片墙肢的拉应力情况，拉应力倍数超过1.0的墙肢表示在图4中。从以上计算结果可以看出，长墙肢（按《高规》规定，当墙肢长度超过墙体厚度4倍时为长墙肢）拉应力超过2ftk的情况较少，但仍有几片墙肢的拉应力倍数超过1.0;短墙肢（当墙肢长度小于墙体厚度4倍时为短墙肢）超过2ftk的情况较多。进一步的计算表明，在结构中拉应力倍数超过2.0的情况从结构底层一直延伸至第四层。在海口地区，根据作者的多栋超限高层设计实践，剪力墙结构的底部墙肢尤其是短墙肢拉应力超限的情况是比较普遍的。3.2墙肢拉应力计算的进一步讨论剪力墙构件在高层建筑结构中广泛运用，其截面有一字形、T形、L形、两端带翼缘的复杂截面以及围成筒体的墙肢等，不同截面类型的中震平均拉应力的计算方式值得讨论。考虑到短墙肢和相应部位的长墙肢是整体抵抗地震作用的，所以完全按照计算软件的墙肢划分，即把所有墙肢划分为一字形单元，从而进行拉应力的验算是不尽合理的。根据力学概念和工程经验，当相连的墙肢可认为整体抵抗地震作用时，这些墙肢可作为一个整体即组合墙肢来考虑各种工况下的拉应力验算。例如，对于图6所示的L形和T形截面墙肢，可作为一个整体进行各种工况下的平均拉应力验算。对于图6中围成筒体的墙肢，也可按整体计算。组合墙肢的拉应力计算示例如下:图3中墙肢CW-1和CW-2组成T型组合墙肢CW，其中CW-1截面尺寸为2.5mx0.25m,CW-2截面尺寸为1.6mx0.3m,组合后的墙肢CW面积为1.105m2，混凝土为C60，其抗拉强度标准值ftk=2.85MPa。在各种工况下，组合墙肢CW的轴力等于各墙肢的轴力之和，如表1所示，组合墙肢的中震不屈服拉应力倍数n计算如表3所示：分析两种计算结果的拉应力倍数计算结果可知，单独计算墙肢CW-1和CW-2时，CW-1的最不利拉应力为2.84ftk，相对应的地震作用方向为负X向;CW-2的最不利拉应力为负值，不存在拉应力；CW-1和CW-2组合后的CW墙肢的最不利拉应力为1.13ftk，相对应的地震作用方向为负X向。很明显，组合墙肢的拉应力倍数小于单独计算时的结果。根据组合墙肢的方法进行的拉应力验算结果显示在图5中，图中的虚框表示组合墙。从按照组合墙肢的验算结果可以看出，拉应力超过2ftk的墙肢组合少于单独计算每片墙肢的情况。对于本示例工程，大部分墙肢基本满足剪力墙墙肢不屈服拉应力不超过2ftk的要求。对于不满足要求的墙肢，以及拉应力倍数超过1.0的墙肢，按照《技术要点》的要求，可配置型钢暗柱，具体讨论见下节。按照超限专家的意见，超限高层底部的剪力墙墙肢需满足中震不屈服拉应力不应超过2ftk的要求，这个要求属于截面控制条件。当该条件不满足时，可通过配置型钢来保证墙肢的中震抗剪能力，所需配置的型钢暗柱面积As按照等效弹性模量的方法进行计算：式中，Es和Ec为型钢和混凝土的弹性模量。同时，按照《技术要点》的要求，当墙肢拉应力超过混凝土抗拉强度标准值ftk时，其拉力全部由型钢承担。所以，所配型钢的面积As还应满足：式中，fak表示型钢的抗拉强度标准值。型钢布置时应符合构造要求，型钢形式可采用工字形、十字工形、长十字工形等。图7是前文提到的住宅结构底层剪力墙的型钢配置图，其型钢配置由式(4)和式(5)计算得出并进行了归并。此方案在该项目的超限审查会议中得到专家认可并得以通过。如果采用配置型钢的方法还不能满足中震拉应力的要求，则需要优化结构形式、采用轻质材料以减少地震作用，还可采用具有较高抗拉强度的钢纤维混凝土等措施，甚至改变结构体系。在超限高层的性能化抗震设计过程中，设防烈度地震作用会引起结构底部竖向构件的较大轴向拉应力。对于高烈度地区超限高层的底部剪力墙，墙肢平均中震不屈服拉应力超过2倍的混凝土抗拉强度标准值的现象普遍存在。墙肢平均中震不屈服拉应力超过2倍的混凝土抗拉强度标准值的要求和多遇地震下的墙肢抗剪要求大体相当但偏于严格。在验算墙肢平均中震不屈服拉应力时，应考虑墙肢的组合作用，按照组合墙肢进行计算。可按照等效弹性模量的方法配置型钢暗柱来满足2ftk的截面控制条件。型钢的配置还需满足墙肢中的拉力要求。通过配置型钢的方法可以满足超限高层审查时中震拉应力的要求。但需要指出的是，这只是一种工程处理方法，以上结论是基于海南省海口市的超限高层抗震设计实践得出的。到目前为止，虽然国内夕卜学者对剪力墙的抗震性能进行了广泛研究[5-7]，但处于小偏心受拉状态的剪力墙抗震性能还需要进一步的理论和试验研究。【相关文献】[1]超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点[S].全国超限高层建筑工程抗震设防审查专家委员会，2010.Overrunhigh-risebuildingengineeringseismicfortificationspecialexaminationtechnologypoints[S].Theoverrunhigh-risebuildingengineeringseismicfortificationreviewcommitteeofexperts,2010.(inChinese)超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点[S].全国超限高层建筑工程抗震设防审查专家委员会，2015.Overrunhigh-risebuildingengineeringseismicfortificationspecialexaminationtechnologypoints[S].Theoverrunhigh-risebuildingengineeringseismicfortificationreviewcommitteeofexperts,2015.(inChinese)中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50011—2010建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2010.MinistryofHousingandUrban-RuralDevelopmentofthePeople'sRepublicofChina.GB50011—2010Codeforseismicdesignofbuildings[S].Beijing:ChinaArchitectureandBuildingPress,2010.(inChinese)[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ3—2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社，2010.MinistryofHousingandUrban-RuralDevelopmentofthePeople'sRepublicofChina.JGJ3—2010Technicalspecificationforconcretes